Bibliographie & annexes
Présentation
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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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Gestion thermique
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3. Gestion du comburant
Le comburant dans la pile à combustible est l’oxygène contenu dans l’air ou, plus rarement, l’oxygène pur. Il est habituellement alimenté en surstœchiométrie (sous-consommation) pour éviter une trop faible alimentation (voire une sous-alimentation) des cellules placées en position terminale par rapport à l’arrivée de l’air. Si l’on considère une alimentation à partir d’air ambiant, il est important de filtrer cette arrivée d’air, pour éviter d’injecter des impuretés au cœur même de la pile à combustible, lesquelles conduiraient irrémédiablement à une réduction des performances de celle-ci.
Par ailleurs, pour des piles à combustible de faible et moyenne puissance, l’air peut aussi jouer le rôle de gaz de refroidissement. Il intervient donc, dans ce cas, dans le système de régulation thermique de la pile (figure 1).
L’air appauvri en oxygène, mais aussi réchauffé, voire humidifié dans le stack, peut être valorisé. À titre d’illustration, il peut être envoyé vers un échangeur à membrane à l’entrée du stack pour récupérer l’humidité présente dans le gaz de sortie et l’utiliser pour l’humidification des gaz alimentant la pile à combustible, en entrée. Bien entendu, d’autres types de valorisation de l’air de sortie de la pile à hydrogène, impliquant la température, la pression, l’humidité ou le débit, peuvent également être envisagés selon les applications et les types de pile considérés. Ces valorisations peuvent contribuer à l’augmentation du rendement global du système.
Un étage de compression est nécessaire pour les piles fonctionnant sous pression. Cette compression peut être assurée par un turbocompresseur alimenté par la décompression des gaz en sortie et un brûleur, et/ou par un compresseur électrique. Cette compression représente une partie importante du bilan énergétique du système et vient diminuer le rendement du système complet (classiquement, des valeurs de l’ordre de 10 % de la puissance électrique produite par la pile à combustible sont ainsi utilisées pour l’alimentation électrique du groupe motocompresseur).
Le circuit du comburant est également...
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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.
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(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...
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