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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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4. Gestion thermique
Il existe différentes sources de chaleur dans un système de pile à combustible :
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tout d’abord, et c’est la source la plus importante, au niveau du stack, pour lequel les pertes électrochimiques et l’effet Joule se traduisent en chaleur ;
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ensuite dans les différents auxiliaires du système :
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dans les convertisseurs électriques mis en jeu au sein du système (notamment à la sortie du stack pour la mise en forme de l’énergie électrique produite),
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dans les machines électriques et thermodynamiques présentes au sein du système (moteur électrique d’entraînement du compresseur d’air, compresseur d’air, humidificateurs de gaz le cas échéant, etc.),
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dans le brûleur du reformeur (pour les piles à reformage externe).
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Bien entendu, la température du stack et celle du système doivent être contrôlées tout au long de leur fonctionnement, de sorte à maintenir cette température dans une plage de fonctionnement nominale. Pour des systèmes de faible et de moyenne puissances, cette régulation de température peut être assurée par le circuit d’amenée de comburant (air) lui-même, comme évoqué dans le paragraphe précédent. C’est notamment le cas dans les piles à membrane protonique à cathode ouverte. Dans ce cas, la régulation de l’amenée du comburant n’est donc pas structurellement découplée de celle du contrôle de la température, ce qui complexifie évidemment le contrôle (figure 5). Pour des systèmes de plus forte puissance, la régulation de température est, en général, associée à un circuit dédié de refroidissement à fluide caloporteur.
Il est important également de signaler ici la problématique spécifique du contrôle de la température durant la phase de démarrage du système, en particulier en présence de températures ambiantes négatives. On parle alors de la phase de démarrage « à froid ».
Il s’agira ici de contrôler au mieux, et de manière couplée, la demande électrique (qui indirectement va générer de la chaleur au cœur du stack), les flux de gaz arrivant dans le stack et sortant du stack, la quantité d’eau produite en évitant qu’elle ne gèle, la consommation...
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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).
-
(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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