Présentation

Cette séance présente une introduction aux piles à combustible, considérées comme des composants énergétiques destinés à être intégrés dans des systèmes variés plus complexes.

Pour plus de compléments sur les piles à combustible, on pourra se référer au lien ci-dessous, qui propose le téléchargement de nombreuses fiches techniques et documents intéressants :

• site de Association Française pour l’Hydrogène et les Piles à Combustible (AFHYPAC)

Après quelques généralités, nous nous intéresserons à la pile à combustible à oxyde solide à haute température, dite SOFC, alimentée en hydrogène pur, en utilisant un modèle très simple à deux paramètres. Nous montrerons comment établir le bilan des espèces et celui des énergies mises en jeu. Nous introduirons ensuite la pile à combustible à membrane échangeuse de protons à basse température, dite PEMFC.

Les modèles que nous présenterons dans cette séance n’admettent que de l’hydrogène pur comme combustible. Dans la réalité, il est très rare que l’on dispose d’hydrogène : il faut le produire à partir d’un autre combustible. Cette opération est appelée reformage.

L’équation de base du reformage d’un combustible comme le méthane est la suivante :

CH₄ + H₂O→ CO + 3 H₂(ΔH = 206 140 kJ/kmol)

Elle permet de convertir le combustible en hydrogène, mais nécessite de l’eau et un apport de chaleur, et produit du monoxyde de carbone, qui constitue un poison pour certaines piles à combustible comme les PEMFC, pour lesquelles il est alors nécessaire de convertir aussi le CO.

Ces questions font l’objet de la séance S64 à laquelle nous vous renvoyons si ce sujet vous intéresse.

• Association Française pour l’Hydrogène et les Piles à Combustible (AFHYPAC)

PRINCIPE

• Réaction électrochimique

• deux électrodes, l’anode et la cathode
• séparées par un électrolyte

Aspects électrochimiques

• taux d’utilisation du combustible τ
• rendement énergétique ε
• tension théorique : 1,23 V, pratique : 0,7 V
• densité de courant : de 0,1 à 1 A/cm²

Modèle électrique

• Calcul de V et P connaissant I et A

  

• J=I/A
• E, Jd, b, Δ
• paramètres

STACKS DE CELLULES

PILE EN FONCTIONNEMENT

Pile embarquée

Système pile

• Stack de 1 kW
• PEMFC
• Telonicher Marine Lab
• Trinidad, Californie

Types de piles à combustible

• AFC (Alkaline Fuel Cell)
• PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
• PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
• MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
• SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell)

PILE SOFC

• 600-1000°C
• eau à l’anode

Pile SOFC tubulaire

• technologie cylindrique
• Φ = 19 mm
• L = 1,5 m

Schéma Thermoptim

Bilan des espèces

• τ : taux d’utilisation du combustible

• réaction anode

  

• en sortie anode

  
• λ : facteur d’air

• en entrée cathode

  

• en sortie cathode

  

Bilan énergétique

• taux d’utilisation du combustible τ
• rendement énergétique ε

• Puissance électrique :

  

• Puissance thermique :

  

Pile Westinghouse 100 kWe

Synoptique de la pile

Composition des gaz

• hydrogène humidifié, débit 19,24 g/s PCI : 11 230 kJ/kg

  

• air appauvri en O2, débit 104,76 g/s

  

PILE PEMFC

• 80-120°C
• eau à la cathode

Caractéristiques

• taux d’utilisation du combustible τ_H2
• taux d’utilisation de l’oxygène τ_O2
• rendement énergétique ε
• coefficient de partage de l’eau produite : α

Structure du modèle de pile

Écran du mélangeur d’entrée

Écran du mélangeur d’entrée

Écran du diviseur de sortie

Composition des gaz (anode)

• combustible d’entrée (2,35 kg/s) PCI : 7 300 kJ/kg

  

• GSA (2,42 kg/s) PCI : 2 424 kJ/kg

  

Composition des gaz (cathode)

• air d’entrée humidifié (13,03 g/s)

  

• air appauvri(13,96 g/s)

  

Approfondissements

Pour cette introduction aux piles à combustible, nous nous sommes contentés d’un survol des problèmes de modélisation posés.

Cette séance est complétée par diverses séances d’exercice qui montrent comment réaliser en pratique des classes externes pour créer des composants piles à combustible dans Thermoptim, lesquels peuvent ensuite être couplés à d’autres pour former de nombreux systèmes.

Pour commencer, la séance S61 permet d’étudier une pile à combustible à oxyde solide à haute température SOFC alimentée en hydrogène pur, en utilisant un modèle très simple à deux paramètres. Nous montrons comment établir le bilan des espèces et celui des énergies mises en jeu.

Dans la séance S62, le modèle précédent est progressivement affiné, d’abord par la prise en compte de l’équation de polarisation de la pile, puis en introduisant un refroidissement de pile. Enfin, un exercice montre comment coupler la pile à une turbine à gaz pour former une installation de cogénération à haut rendement.

Dans la séance S63, nous voyons comment modifier les modèles établis précédemment pour remplacer l’hydrogène par un combustible comme le méthane.

La séance S64 traite du problème du reformage, c’est-à-dire de la manière de transformer des hydrocarbures en gaz de synthèse permettant d’alimenter en hydrogène la pile à combustible PEMFC étudiée précédemment.

La séance S65 permet enfin de modéliser une pile à combustible à membrane échangeuse de protons à basse température PEMFC.

Ces séances, et notamment les deux dernières, sont basées sur des développements réalisés par MM. Rudolf Metkemeijer et Charles-Emile Hubert, du Centre Énergétique et Procédés à Sophia Antipolis, que nous remercions pour leur contribution.