Présentation

Cette séance montre comment modéliser une pile à combustible à membrane échangeuse de protons à basse température, dite PEMFC.

Pour plus de compléments sur ce type de pile à combustible, on pourra se référer au liens 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)

Cette séance vient compléter les autres séances sur les piles à combustible dans Thermoptim, auxquelles nous vous suggérons de commencer par vous référer, car de nombreuses explications y sont données, qui ne sont plus reprises ici.

La séance S60 présente des génaralités sur les piles à combustible.

La séance S61 a permis d’étudier une pile à combustible à oxyde solide à haute température, dite SOFC, alimentée en hydrogène pur, en utilisant un modèle très simple à deux paramètres.

Dans la séance S62, le modèle précédent a été progressivement affiné, d’abord par la prise en compte de l’équation de polarisation de la pile, puis en introduisant un refroidissement de la pile.

Dans la séance S63, nous avons vu 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 une pile à combustible PEMFC étudiée ici.

Cette séance est basée sur des développements réalisés par MM. Rudolf Metkemeijer et Charles-Emile Hubert, du Centre Energétique et Procédés à Sophia Antipolis, que nous remercions pour leur contribution.

(Séance réalisée le 10/03/05 par Renaud Gicquel)

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

Modèle électrique

• Calcul de V et P connaissant I et A

  

• J=I/A
• E, Jd, b, Δ
• paramètres

Modèle de pile PEMFC

Ce modèle est présenté en huit étapes :

• les quatre premières étapes montrent les résultats obtenus sur les différents écrans du composant pile à combustible
• la cinquième et la sixième donnent la composition des gaz en entrée et sortie de pile, pour les compartiments anodique et cathodique
• la septième présente succinctement l’implémentation informatique de la classe externe
• la dernière montre un schéma simplifié de la pile couplée au reformeur étudié dans la séance S64

Dans Thermoptim, les classes représentant la pile s’appellent PEMFCentree et PEMFCsortie.

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

• Lien vers le modèle de pile PEMF

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)

  

Étude de la classe externe

Système complet (simplifié)

SYSTEME PILE

Copyright Ch. E. Hubert

Récapitulatif

Au cours de cette séance, nous avons développé un modèle permettant de représenter une pile à combustible PEMFC, et nous en avons présenté les principaux résultats.

Nous avons ensuite utilisé les modèles développés dans la séance S64 pour alimenter en reformat cette pile à combustible.

Comme nous l’avons indiqué, le modèle du système complet que nous avons construit reste très sommaire :

• par exemple, le gaz en sortie d’anode GSA n’est bien évidemment pas rejeté à l’atmosphère, étant donné qu’il contient une quantité importante de combustible : il est recyclé
• il faut par ailleurs, nous l’avons dit, apporter un grand soin à la modélisation de l’humidification des gaz, compte tenu de l’importance qu’elle revêt pour le fonctionnement de la pile
• enfin, l’intégration thermique du système complet peut être réalisée pour minimiser les consommations d’énergie interne et maximiser la puissance thermique utilisable en cogénération.

Si vous désirez poursuivre les développements de modèles commencés dans cette séance, ce sont quelques pistes d’amélioration que vous pourrez suivre.