Présentation

Cette séance complète le modèle de pile à combustible à oxyde solide à haute température, dite SOFC, présenté dans les séances S61 et S62.

Les modèles que nous avons développés dans ces séances n’admettaient 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. Dans celle-ci, nous nous limiterons à une approche simplifiée du reformage, valable pour les piles SOFC ou MCFC à haute température et insensibles au CO.

Nous présenterons deux modèles de pile SOFC consommant du méthane, ainsi qu’un exercice de modélisation avancée d’un système développé par Siemens Westinghouse.

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

Quatrième modèle

Nous allons commencer par affiner le modèle développé dans les séances S61 et S62, en considérant que l’hydrogène est remplacé par un mélange de méthane et d’eau en quantité suffisante pour assurer la conversion totale du méthane.

Nous introduirons quelques améliorations au modèle précédent :

• les paramètres de l’équation éléctrique, du taux d’utilisation du combustible et de la puissance de refroidissement seront modifiables
• un test sera réalisé pour s’assurer qu’il y a suffisamment d’oxygène dans l’air comburant pour assurer la bonne marche de la pile à combustible

Ce modèle est présenté en huit étapes, les autres explications étant présentées dans les séances S61 et S62 :

• les trois premières étapes établissent les réactions chimiques qui prennent place à l’anode et à la cathode de la pile et déterminent les énergies mises en jeu
• les trois suivantes montrent les résultats obtenus sur les différents écrans du composant pile
• la septième donne la composition des gaz en entrée et sortie de pile, pour le paramétrage retenu
• la dernière présente les modifications induites dans l’implémentation informatique de la classe externe

Dans Thermoptim, les classes représentant la pile s’appellent SOFCCH4inlet et SOFCCH4outlet.

Une note de présentation de ce modèle et l’ensemble des fichiers de travail correspondant à cet exemple peuvent être téléchargés à partir des liens ci-dessous.

L’ensemble des fichiers de travail correspondant à ce modèle peut être téléchargé à partir du lien ci-dessous.

• Lien vers le quatrième modèle

Réactions côté anode

• reformage du méthane

  
• τ taux d’utilisation du combustible

• partie utilisée :

  

• partie non utilisée :

  

• composition de sortie d’anode :

  

Réactions côté cathode

• l’air est appauvri de la quantité d’oxygène consommée (2 τ)

• air entrant :

  

• air appauvri sortant :

  

Énergies mises en jeu

• enthalpie libérée : τ ΔH₀
• électricité : ε τ ΔH₀
• chaleur pour le vapocraquage : ΔH_v
• thermocoupleur et échauffement des gaz : τ (1 - ε) ΔH₀ - ΔH_v

Synoptique de la pile SOFC

Écran du mélangeur amont

Écran du composant pile SOFC

Composition des gaz

• combustible d’entrée humidifié, débit 10 g/s, PCI : 22 562 kJ/kg (α = 1,083)

  

• combustible de sortie humidifié, débit 25,6 g/s, PCI : 1 477 kJ/kg

  

• air appauvri en O₂, débit 64,4 g/s

  

Modifications de la classe

Module industriel

Influence de la pression

Cinquième modèle

Nous allons maintenant compléter le modèle pour que l’eau d’humidification puisse être fournie par recyclage d’une fraction des gaz en sortie d’anode.

Il faut pour cela modifier légèrement la structure du mélangeur d’entrée, qui doit être capable d’identifier la branche du combustible grâce à la présence de méthane. Il faut charger dans des variables les fractions molaires des différents composants présents dans le gaz en sortie d’anode.

Il faut par ailleurs prendre en compte l’influence de la pression sur les performances de la pile.

L’ensemble des fichiers de travail correspondant à ce modèle peut être téléchargé à partir du lien ci-dessous.

• Lien vers le cinquième modèle

Schéma avec recyclage des gaz

Écran du mélangeur amont

• influence de P : E = E₀ + E₁ exp(E₂ P)

  

Écran du composant pile SOFC

Composition des gaz

• combustible d’entrée humidifié, débit 41 g/s, PCI : 13 056 kJ/kg

  

• combustible de sortie humidifié, débit 77,5 g/s, PCI : 1 142 kJ/kg

  

• air appauvri en O₂, débit 123,5 g/s

  

Modifications de la classe externe

• calcul des compositions

  

• calcul de la tension de circuit ouvert

  

Modélisation de la pile Siemens Westinghouse

Dans cet exercice, dont la solution n’est pas fournie, nous vous proposons de repartir du cinquième modèle pour modéliser aussi finement que possible le système proposé par Siemens et Westinghouse et présenté dans une des étapes précédentes.

Vous commencerez par déterminer un jeu de paramètres du modèle électrique représentant aussi bien que possible les performances des cellules dont les courbes de polarisation ont été données dans cette séance, en tenant compte de l’influence de la pression.

Vous représenterez ensuite l’ensemble des échanges thermiques qui prennent place dans le module SOFC de Siemens et Westinghouse, en jouant sur les débits de méthane, d’air et de gaz recyclés pour obtenir les meilleures performances. L’oxydation finale sera représentée par une chambre de combustion réalisant la combustion complète du gaz en sortie d’anode non recyclé.

En fonction des explications disponibles, vous déterminerez l’opportunité de tenir ou non compte du refroidissement de la pile, sachant que vous disposez d’un paramètre dans l’écran du mélangeur d’entrée pour ce faire.

L’énoncé de l’exercice peut être téléchargé à partir du lien ci-dessous.

• Énoncé de l’exercice

Récapitulatif

Au cours de cette séance, nous avons commencé par développer un modèle de pile SOFC alimenté en méthane préalablement humidifié, et nous en avons présenté les résultats.

Nous avons ensuite donné quelques précisions sur les solutions technologiques adoptées par Siemens Westinghouse, ce qui nous a amené à affiner un peu plus notre modèle en adoptant une approche plus réaliste, où l’eau d’humidification est fournie par recyclage d’une fraction des gaz en sortie d’anode.

Pour pouvoir tenir compte de l’influence de la pression sur les performances de la pile, nous avons légèrement modifié le modèle électrique présenté dans la séance S62.

Nous avons enfin proposé un exercice d’approfondissement (voire un mini-projet) dont l’objectif est de modéliser finement le système de Siemens Westinghouse présenté.