Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Modèles de piles à combustible SOFC

Remarque

Une pile à combustible réalise une réaction électrochimique inverse de l'électrolyse : de l'hydrogène et de l'oxygène réagissent avec production d'électricité et d'eau et dégagement de chaleur, selon la réaction :

H2 + 1/2 O2 --> H2O

On voit ainsi que si le combustible utilisé est de l'hydrogène pur, la pile à combustible a pour seul sous-produit de l'eau : c'est un générateur particulièrement propre.

Le cœur de la pile est composé de deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte.

Dans certaines piles, comme les piles à oxydes solides (Solid Oxyde Fuel Cell ou SOFC en anglais), ce sont les ions oxydes O2- qui migrent de la cathode vers l'anode où l'eau est produite, et dans d'autres, comme les piles à membrane échangeuse de protons (Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou PEMFC en anglais), ce sont des cations H3O+ (protons H+ hydratés) qui migrent de l'anode vers la cathode.

Une pile à combustible de type SOFC utilise un oxyde solide (ZrO2) dopé avec de faibles quantités d'oxyde de Calcium et d'oxydes d'ytrium. Son avantage principal est de pouvoir consommer du monoxyde de carbone. Fonctionnant à haute température (600 à 1000 °C), elle peut aussi être intégrée dans des cycles combinés avec des turbines à gaz.

Modélisation d'une pile à combustible de type SOFC

Pour modéliser une telle pile, plusieurs modèles de complexité croissante peuvent être réalisés. Nous proposons ici 5 niveaux complémentaires, qui sont présentés dans les séances Diapason S61 à S64.

  • premier modèle simple : on suppose d'une part que le combustible est de l'hydrogène pur H2, et d'autre part que sont connus le taux d'utilisation de l'hydrogène tau et son rendement énergétique epsilon

  • second modèle : on suppose que le taux d'utilisation de l'hydrogène tau et son rendement énergétique epsilon sont déterminés à partir d'un modèle électrique

  • troisième modèle : on suppose que la pile à combustible est refroidie par de l'eau

  • quatrième modèle : on considère que l'hydrogène est remplacé par un mélange de méthane CH4 et d'eau en quantité suffisante pour assurer la conversion totale du méthane

  • cinquième modèle : l'eau d'humidification puisse être fournie par recyclage d'une fraction des gaz en sortie d'anode.

  • sixième modèle : le méthane CH4 fait l'objet d'un reformage en trois étapes :

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