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RÉSUMÉ
Les piles à combustible trouvent aujourd’hui des applications dans un grand nombre de domaines. Pour cela, l’objet unitaire "pile à combustible" doit tout d’abord être intégré dans un système, lequel permet d’alimenter la pile à combustible en carburant et comburant, de mettre en forme l’énergie électrique produite, de gérer la chaleur au sein et autour de la pile à combustible et de s’assurer des conditions opératoires de l’ensemble via un dispositif de contrôle/commande.
Cet article présentera tout d’abord les principales caractéristiques d’un tel système de pile à combustible, avant de se focaliser sur les applications des piles à combustible dans le domaine de la production stationnaire d’énergie et dans celui des mobilités terrestres (véhicules personnels, bus, camions, trains).
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Lire l’articleAuteur(s)
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Daniel HISSEL : Professeur, université de Franche-Comté, Institut universitaire de France (IUF), FEMTO-ST, CNRS, Directeur-adjoint Fédération nationale hydrogène du CNRS
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Michel CASSIR : Professeur émérite, Chimie ParisTech, université PSL, Institut de recherche de chimie Paris (IRCP), France
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Claude LAMY : Professeur émérite, Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, membre de France Hydrogène, France
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Gilles TAILLADES : Professeur, Directeur de la mention Énergie, Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
INTRODUCTION
Depuis leur invention en 1839, les perspectives d’un développement commercial des piles à combustible n’ont jamais été aussi bonnes, par suite des efforts de la recherche, de choix stratégiques de grands groupes industriels, de constructeurs automobiles et en réponse à un contexte environnemental, sociétal et politique, en forte évolution.
L’objet technologique qu’est la pile à combustible ne peut pas fonctionner seul. Il doit être impérativement associé à d’autres objets technologiques, souvent qualifiés d’« auxiliaires », mais néanmoins totalement indispensables à son fonctionnement. Cet article, en complément aux trois articles auquel il est associé, doit permettre de donner au technicien et à l’ingénieur les bases nécessaires à la conception d’un tel « système » pile à combustible, associant le cœur de pile avec ses auxiliaires de fonctionnement, dans l’objectif de permettre d’optimiser les performances statiques et dynamiques d’un tel système, tout en préservant sa durabilité et en minimisant ses coûts d’investissement et de fonctionnement.
Par ailleurs, une fois le système pile à combustible ainsi constitué, cet article décrira également les applications aujourd’hui existantes dans le domaine des systèmes stationnaires de production d’énergie, mais aussi dans celui de la mobilité terrestre, ou plutôt des mobilités terrestres, tant la conception de celles-ci peut s’avérer différente, selon le cahier des charges auquel ces systèmes hydrogène doivent répondre.
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9. Conclusions et perspectives
Si les systèmes pile à combustible commencent aujourd’hui à être très bien maîtrisés, c’est le fruit d’une intense activité de recherche menée sur tous les éléments de ces systèmes depuis de nombreuses années : la pile à combustible elle-même bien entendu, mais aussi tous ses auxiliaires considérés unitairement. Il ne s’agit cependant pas de rechercher un optimum sous-système par sous-système, mais bien un optimum global au sein d’un tel système pile à combustible, qui n’est jamais (malheureusement) la somme de ses optima locaux. Les objectifs recherchés dans un tel optimum global à l’échelle du système pile sont multiples : efficacité énergétique, compacité, performances statiques et dynamiques, durabilité, maintenabilité, coûts d’acquisition et d’exploitation aussi faibles que possible, recyclabilité, etc. Des compromis sont donc amenés à être recherchés.
Le niveau de développement de ces systèmes de piles à combustible permet aujourd’hui d’envisager, commercialement, de multiples applications. Dans cet article, les applications en mobilité terrestre et dans le domaine de la production d’énergie stationnaire ont été mises en avant. Il est clair que ces domaines applicatifs présentent des débouchés particulièrement prometteurs pour ces systèmes hydrogène, car ils offrent de nombreux avantages (par rapport aux solutions traditionnelles souvent basées sur des motorisations thermiques) tout à la fois d’un point de vue énergétique, environnemental, sociétal, géopolitique.
Le domaine des transports va, à court terme, représenter le premier marché au niveau mondial des applications des piles à combustible, notamment les systèmes PEMFC. Très clairement, les véhicules électriques à batterie répondent très largement aux besoins pour le segment des véhicules légers. Par contre, l’autonomie élevée et le temps de recharge très court sont les deux atouts de l’hydrogène et seront exploités dans les secteurs d’activités ayant des besoins élevés en autonomie. C’est le cas des flottes captives ou des industries de la logistique (véhicules utilitaires, petits camions de livraison, engins de manutention, taxis, etc.). C’est également le cas de la mobilité lourde terrestre (bus, camions, trains) qui constitue un secteur très favorable...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BARBIR (F.) - PEM Fuel Cells: Theory and practices. - Elsevier Academic Press, San Diego, Califiornia (2005).
-
(2) - KALAMARAS (C.M.), EFSTATHIOU (A.M.) - Hydrogen Production Technologies : Current State and Future Developments. - Conference Papers in Science, vol. 2013, 690627 (2013).
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(3) - VOLDSUND (M.), JORDAL (K.), -ANANTHARAMAN (R.) - Hydrogen Energy. - International Journal of Hydrogen, 41, pp. 4969-4992 (2016).
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(4) - Ordonnance n° 2021-167 du 17 février 2021 - relative à l’hydrogène.
-
(5) - - https://www.linde-engineering.com
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(6) - WANG (H.), GAILLARD (H.), HISSEL (D.) - A review of DC/DC converter-based electrochemical impedance spectroscopy for fuel cell electric vehicles. - Renewable...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Systèmes de piles à combustible – Applications fluviale, maritime, aérospatiale et portable.
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GENEPAC : pile à combustible PEMFC issue du partenariat PSA Peugeot Citroën (Stellantis) et CEA.
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Principe des piles à combustible. Piles à membranes basse température.
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Filières de piles à combustible. Piles alcalines et à haute température.
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Piles à combustible PEMFC et SOFC – Description et gestion du système.
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Piles à combustible PEMFC et SOFC – Transferts de chaleur et de masse.
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