Soutenance mémoire
DOMAINES D’APPLICATIONS DES PILES A COMBUSTIBLE
Enjeux économiques et environnementaux
Le développement de nos sources de production d’énergie s’est déroulé principalement dans un souci d’efficacité en oubliant souvent les conséquences sur l’environnement. Depuis peu, des mesures internationales ont été prises afin de réduire les rejets de gaz à effet de serre, comme le 𝐶𝑂2 (dioxyde de carbone). L’une des mesures les plus importantes concerne les accords de Kyoto en 1997, qui engage les pays signataires à réduire leurs émanations de gaz à effet de serre à des niveaux inférieurs à 5,2 % comparativement à ceux de 1990 et ce, entre les années 2008 et 2012. Dans les décennies à venir, nous devrons répondre à une de mande d’énergie en hausse alors que les réserves en ressources fossiles sont limitées et qu’il est nécessaire de réduire les émissions de gaz à effet de serre, de 𝐶𝑂2 en particulier. La solution serait donc de remplacer petit à petit les carburants actuels par l’hydrogène. Lors de sa combustion avec de l’air dans un MCI, l’hydrogène rejette de l’eau avec des oxydes nitreux (𝑁𝑂𝑥) compte-tenu de la présence d’azote dans l’air mais le 𝐶𝑂2 n’est pas formé. Une alternative au MCI est la pile à combustible. Une PAC fonctionnant à l’hydrogène convertit directement l’énergie chimique du combustible en électricité et chaleur en ne produisant que de l’eau. Il s’agit de la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau.
La filière d’Hydrogène
L’hydrogène (H) est l’élément le plus abondant dans l’univers. Il compose 75% de la masse de toute la matière dans les étoiles et les galaxies. Un atome d’hydrogène a seulement un proton et unélectron.Cependant l’hydrogène comme gaz (𝐻2) n’existe pas naturellement sur terre et se présentesous formes composées. Combiné avec l’oxygène, c’est l’eau (𝐻2𝑂). Combiné avec le carbone, il forme les composés organiques tels que le méthane (𝐶𝐻4), le charbon ou le pétrole. La plupart de l’énergie que nous utilisons aujourd’hui vient des carburants fossiles. Seulement sept pour cent viennent des sources d’énergie renouvelable. Dans une optique de raréfaction des carburants fossiles, l’hydrogène apparaît comme un vecteur énergétique prometteur. Puisque le gaz d’hydrogène n’existe pas naturellement sur terre, il faut le produire. Il y a plusieurs manières de faire cela. Si l’hydrogène est produit à partir de l’électrolyse de l’eau, l’électrolyseur étant alimenté à partir d’une source d’énergie renouvelable (panneau solaire, éolienne ou turbine hydroélectrique), il n’y aura pas d’émissions de dioxyde de carbone. Le développement des piles à combustible conduira à différents modes de production liés aux méthodes locales de production énergétique. En raison de l’abondance de gaz naturel, de la disponibilité du méthanol et du propane, et du manque d’une infrastructure de production et de distribution de l’hydrogène, on prévoit que les carburants hydrocarbures seront les carburants dominants pour les applications stationnaires de piles à combustible. Tant que ces carburants sont disponibles à faible coût, le reformage hydrocarbure est la méthode la plus simple et la plus efficace pour produire de l’hydrogène.
Domaines d’applications des piles à combustible
:La PAC peut être utilisée dans quasiment toutes les applications où de l’énergie électrique est demandée. Nous distinguons principalement trois familles d’applications [9] : Les applications de transport dans lesquelles les piles sont utilisées pour l’entraînementou la fourniture d’électricité pour les appareils de bord dans des systèmes mobilesembaqués (automobile, ferroviaire, aéronautique, spatiale, sous-marine).Les applications stationnaires où les piles fournissent de l’énergie électrique et thermiquedans des réseaux ou dans des installations décentralisées.Les applications portables qui couvrent un grand champ d’appareils électriques(ordinateurs et téléphones portables, caméscopes,
Les applications transports
Le transport est le domaine d’application à l’origine du développement de la pile à combustibledepuis le début des années 90. Parmi les différentes piles étudiées, à l’heure actuelle, celle à membranepolymère protonique PEMFC est sans doute la mieux adaptée aux applications automobiles et la plusprometteuse grâce à sa faible température de fonctionnement, sa simplicité de fabrication, sa meilleure réactivité et son bon rendement Actuellement, cette technologie est bien maîtrisée. De nombreux prototypes ont vu le jour depuis 1993. Malgré l’existence de plusieurs prototypes présentés avec de l’hydrogène stocké à bord (sous forme liquide, gazeuse ou dans un hydrure métallique), le combustible qui sera très probablement utilisé dans une première phase est un combustible hydrogéné (méthanol, hydrocarbure) alimentant un reformeur embarqué, et ce pour des raisons de sécurité, de réglementation et de logistique de distribution.Au cours de la période 2009-2015, les constructeurs prévoient de vendre à prix bas pour ouvrir lemarché et emmagasiner de l’expérience, comme l’a annoncé le directeur de la recherche de Daimler,« le prix d’un tel véhicule sera aux environs de celui d’un diesel hydride ». La commercialisation dubus Mercedes-Benz Citaro par le constructeur Mercedes-Benz propulsée à l’hydrogène est prévue en2015 (cf. Figure. I.8) [12, 13]. Mais jusqu’à maintenant, c’est Honda qui a pu mettre en évidence l’utilisation à grande échelle dece type de véhicule avec sa très innovante Berline FCX Clarity (Figure. I.8), qui n’émet pas de CO2en roulant grâce à la pile à combustible (élue voiture verte de l’année 2009 au niveau mondial). Dansles trois ans à venir, Honda compte vendre environ 200 unités de ce modèle, au Japon et aux EtatsUnis [14].La technologie des PEMFC appliquée pour le transport ne deviendrait financièrement rentablequ’à partir de 2020. A l’horizon de 2035 ce sera le marché mondial qui sera visé, avec une production annuelle supérieure à 50 millions de véhicules, soit 10 % du marché global. Plusieurs prototypes de bus ont été construits à partir 1993. L’allemand DaimlerChrysler a présenté en 1997 un prototype de bus ‘Nebus’ de Mercedes-Benz. Fin 2003, il a lancé la livraison de 30 pré série Citaro dans 10 villes d’Européennes. En Juillet 2008, Beijing a lancé pour les jeux Olympiques trois autobus à pile à combustible et qui vont rester fonctionnels le long d’une ligne fixe comme démonstration publique des véhicules à énergie verte
|
Table des matières Table des matières RESUME : ABSTRACT NOMENCLATURE ABREVIATION INTRODUCTION GENERALE Chapitre I : Contexte énergétique et technologique I.1 INTRODUCTION I.2 ENJEUX ECONOMIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX I.3 LES PILES A COMBUSTIBLE : ETAT DE L’ART I.3.2 BREF HISTORIQUE [1, 2,3] I.3.2 LA FILIERE D’HYDROGENE I.3.3 LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES DES PACS I.3.3.1 Les piles à oxyde solide (SOFC) I.3.3.2 les piles à sel (carbonate) fondu (MCFC) : I.3.3.3. Les piles alcalines (AFC) : I.3.3.4. Les piles à électrolyte acide : I.3.3.5. La pile à acide phosphorique (PAFC) : I.3.3.6. La pile E P S (PEMFC) : I.3.4. DOMAINES D’APPLICATIONS DES PILES A COMBUSTIBLE I.3.4. 1 .Les applications transports I.3.4.2. Les applications stationnaires : I.3.4.3.Les applications portables : I.4 LA PILE PEMFC (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL) I.4 .1. GENERALITES SUR LA PEMFC I.4 .2.PRINCIPE : I.4 .3.ARCHITECTURE DE LA PEMFC 1.4.3.1. Les électrodes (anode et cathode) I.4 .3. 2. L’électrolyte (membrane) : I.4 .3. 3. Les plaques bipolaires ([30], [31]) I.4 .3. 4. Les couches de diffusion : I.5 AVANTAGES ET INCONVENIENTS I.5.1. LES AVANTAGES : I.5.2.LES INCONVENIENTS : I.6 TRAVAUX DE THESE I.7 .CONCLUSION Chapitre II : Caractérisation des phénomènes ayant lieu dans le catalyseur d’une PEMFC II.1 INTRODUCTION II.2 DESCRIPTION DES PHENOMENES AYANT LIEU DANS LE CATALYSEUR D’UNE PEMFC II.2.1 Transport d’eau : II.2.2 Phénomènes ohmiques : Transport des protons II.2.3 Phénomènes électrochimiques II.2.4 Phénomènes fluidiques II.2.5 La diffusion des gaz : II.2.6 Phénomènes de perméation des gaz II.2.7 Phénomènes thermiques II.2.8 La courbe de polarisation II.3 OBJECTIFS STRATEGIQUES II.4 CONCLUSION Chapitre III : Modélisation numérique et simulation III.1 INTRODUCTION
Télécharger le rapport complet
