Article de référence | Réf : BE8595 v1

Piles à combustible PEMFC et SOFC - Description et gestion du système

Auteur(s) : Denis CANDUSSO, Raynal GLISES, Daniel HISSEL, Jean-Marie KAUFFMANN, Marie-Cécile PERA

Relu et validé le 17 août 2022

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RÉSUMÉ

Parmi l'ensemble des types de piles à combustible, les piles à membrane échangeuse de protons PEMFC et les piles à haute température SOFC fonctionnent toutes deux avec des électrolytes solides et sont donc de bonnes candidates à la fois pour des applications stationnaires et pour des applications au transport. Les groupes électrogènes à pile à combustible, appelés communément « systèmes pile à combustible », qu'ils soient du type PEMFC ou du type SOFC, embarqués ou stationnaires, constituent des ensembles multiphysiques très complexes où les paramètres de fonctionnement interagissent fortement entre eux.

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ABSTRACT

PEMFC and SOFC fuel cells - description and management of the system

Amongst the various types of combustion cells, proton exchange membrane fuel cells PEMFC, and solid oxide fuel cells SOFC both function with solid electrolytes, and are therefore good candidates for stationary and transport applications. Fuel cell systems, whether they be of the PEMFC type or SOFC type, on-board or stationary, are highly complex multi-physical systems where operating parameters interact strongly.

Auteur(s)

  • Denis CANDUSSO : Chargé de recherche à l'Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité (INRETS)

  • Raynal GLISES : Maître de conférences HDR à l'université de Franche-Comté

  • Daniel HISSEL : Professeur à l'université de Franche-Comté

  • Jean-Marie KAUFFMANN : Professeur à l'université de Franche-Comté

  • Marie-Cécile PERA : Maître de conférences HDR à l'université de Franche-Comté

INTRODUCTION

Les piles à combustible PEMFC et SOFC font l'objet de deux articles : description et gestion du système [BE 8 595] et transferts de chaleur et de masse [BE 8 596].

Les piles à combustible dont le principe de fonctionnement, mis en œuvre par Sir William Grove, date de 1839, sont restées pendant de très nombreuses années des dispositifs de laboratoire. Au tournant des années 1960, elles sont devenues des générateurs d'énergie pour les applications spatiales. Leur intérêt pour des applications plus domestiques et plus courantes a ensuite été renforcé par la prise de conscience de l'effet de serre. Toutes les piles à combustible fonctionnent au stade réactionnel avec de l'hydrogène comme combustible et de l'oxygène comme comburant pour former de l'eau mais pour fournir également de l'énergie électrique et de l'énergie calorifique. Elles constituent donc a priori une source parfaite pour lutter contre l'effet de serre. Ce schéma idyllique est un peu théorique (pour ne pas dire simpliste) car le dihydrogène n'est pas présent comme molécule dans la nature et sa production par électrolyse de l'eau ou par reformage d'hydrocarbures ainsi que son conditionnement et son transport sont consommateurs d'énergie et dégagent des gaz à effet de serre. L'approche énergétique ne peut donc être que globale. Néanmoins, le rendement énergétique actuel des piles à combustible laisse présager un gain global et un développement dans le cadre de la filière hydrogène. C'est assurément une voie d'avenir sans que l'on puisse prévoir pour le moment une date de production en série, l'horizon le plus éloigné concernant les applications au transport individuel. D'autres domaines applicatifs risquent de se développer avant. Il s'agit des sources autonomes d'énergie électrique, voire de groupes de secours, ou d'applications stationnaires combinant l'utilisation de l'énergie calorifique et celle de l'énergie électrique (cogénération). Le pilotage est alors basé sur l'énergie calorifique, l'énergie électrique étant utilisée sur place ou renvoyée sur le réseau selon les besoins de consommation à couvrir.

Parmi l'ensemble des types de piles à combustible, l'article privilégie ici les piles à membrane échangeuse de protons PEMFC (« proton exchange membrane fuel cell ») et les piles à haute température SOFC (« solid oxide fuel cell ») qui fonctionnent toutes les deux avec des électrolytes solides et sont donc de bonnes candidates à la fois pour des applications stationnaires et pour des applications au transport. Aujourd'hui, si l'immense majorité des prototypes de véhicules réalisés utilise des piles PEMFC pour l'alimentation de la chaîne de traction électrique, le mode d'alimentation de la pile à combustible diffère selon les constructeurs. Les projets d'APU (« auxiliary power unit ») privilégient, quant à eux, les piles SOFC car elles sont susceptibles de fonctionner plus facilement avec de l'essence ou du gazole.

D'autres types de piles à combustible existent bien entendu, leur étude ne sera pas envisagée dans cet article. Ainsi, les piles DMFC (« direct methanol fuel cell ») sont de même nature que les piles PEMFC mais sont délicates à utiliser en raison d'une part de la toxicité du méthanol et d'autre part de leur faible densité surfacique de puissance. Les piles AFC (« alcaline fuel cell ») fonctionnent à basse température, environ 65 oC, mais l'électrolyte (hydroxyde de potassium KOH) est liquide et les électrodes dopées au platine et à l'argent. Les piles à acide phosphorique PAFC (« phosphoric acid fuel cell ») nécessitent une température beaucoup plus élevée (200 oC) ; l'électrolyte (acide phosphorique H3PO4) est à nouveau liquide et les électrodes sont dopées au platine. Quant aux piles à carbonate fondu MCFC (« molten carbonate fuel cell »), elles fonctionnent à 650 oC ; l'électrolyte est constitué de sels Li2CO3 /Na2CO3 fondus mais les électrodes sont en nickel. L'installation de plus forte puissance, soit 2 MW, a été réalisée avec ce dernier type de pile.

Les groupes électrogènes à pile à combustible, appelés communément « systèmes pile à combustible », qu'ils soient du type PEMFC ou du type SOFC, embarqués ou stationnaires, constituent des ensembles multiphysiques très complexes où les paramètres de fonctionnement interagissent fortement entre eux. La complexité d'un système pile à combustible est liée essentiellement aux contraintes de température, de pression et d'humidité des gaz qu'il faut imposer et maintenir dans des plages d'évolution très strictes et restrictives. En général, un système pile à combustible comporte donc trois circuits fluidiques consommateurs d'énergie : le circuit d'alimentation en comburant, le circuit d'humidification du ou des gaz et le circuit de refroidissement. Après avoir rappelé les grands principes de fonctionnement des piles PEMFC et SOFC, la première partie de cet article est donc naturellement consacrée à l'architecture et au contrôle d'un système pile à combustible PEMFC et SOFC. Nous nous intéresserons plus particulièrement, dans cette première partie, aux circuits carburant et comburant et au contrôle de la température en nous attachant à donner des valeurs numériques correspondant aux technologies actuelles. Nous préciserons enfin le schéma global d'un système pile à combustible avec les contrôles à mettre en œuvre.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8595


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GLISES (R.), HISSEL (D.), HAREL (F.), PERA (M.C.) -   New design of a PEM Fuel Cell air automatic climate ­control unit.  -  Journal of power ­sources, 150, 78-85 (2005).

  • (2) - SPRINGER (T.E.), ZAWODZINSKI (T.A.), GOTTESFELD (S.) -   Polymer electrolyte fuel cell model.  -  J. Electrochem. Soc., 138(8), 2334-2342, (1991).

  • (3) - RADOVIC (M.), LARA-CURZIO (E.) -   Elastic properties of nickel based anodes for solid oxide fuel cells as a function of the fraction of reduced NiO.  -  Journal of American Ceramic Society, 87, no 12, 2242-2246 (2004).

  • (4) - RUILLERE (R.), LEFEVRE (F.), LALLEMAND (M.), AYEL (V.), BURBAN (G.), ROMESTAN (C.), ALEXANDRE (A.), FOUCADE (H.), DUTOUR (S.), JOLY (J.-L.) -   Experimental study of two-phase heat spreaders for PEMFC cooling applications.  -  14th Int. Heat Pipe ­Conference, Floria­nopolis, Bresil, avril 22-27 (2007).

  • (5) - FEIDT (M.) -   Énergétique. ­Concepts et applications.  -  Dunod (2006).

  • ...

1 Logiciels

(liste non exhaustive)

Fluent http://www.fluent.com/

Femlab http://www.comsol.fr/

HAUT DE PAGE

2 Projets et programmes de recherche

HAUT DE PAGE

2.1 Projets nationaux

PACTE (Pile à ­combustible tout électrolyte), GdR 2985 CNRS https://frh2.cnrs.fr/presentation/

Apuroute (Auxiliaire de puissance pour les transports automobile), projet labellisé en 2004 par le réseau français pile à ­combustible PACo http://www.utbm.fr/index.php?pge=513

CERAMET (Composite céramique métal pour électrolyseur haute tempé­rature et SOFC) labellisé par le Plan d’action national sur l’hydrogène et les piles à ­combustible (PAN-H) de l’Agence nationale de la recherche...

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