Présentation des systèmes Pile à Combustible hybridés

Les Piles à combustible 

Principe de fonctionnement d’une cellule PàC

Pour commencer, il est important de rappeler qu’une PàC est un convertisseur d’énergie, et non un générateur ou une source d’énergie. La PàC convertit l’énergie chimique interne d’un combustible en énergie électrique et thermique. Cette conversion est réalisée grâce à une réaction dite électrochimique d’oxydoréduction. Cette réaction consiste en l’oxydation d’un combustible d’une part (à l’anode) et en la réduction d’un comburant d’autre part (à la cathode). Ces deux réactions sont favorisées par un catalyseur, en général du platine. Les deux réactifs sont séparés par un électrolyte à travers lequel les ions produits par la réaction circulent. Les ions circulent de l’anode vers la cathode lorsqu’il s’agit d’un électrolyte acide, et inversement avec un électrolyte alcalin. L’oxydation du combustible à l’anode produit des électrons qui rejoignent le comburant situé à la cathode via un circuit électrique externe à la PàC, permettant la récupération de l’énergie convertie. L’électrolyte est pris en sandwich entre deux électrodes (anode et cathode) faites d’un matériau poreux et conducteur (par exemple un tissu de carbone, support du catalyseur), le tout étant luimême entouré de deux plaques bipolaires en matériau conducteur (souvent du graphite). Les plaques bipolaires servent entre autres à l’acheminement des gaz réactifs, le combustible à l’anode (le plus souvent de l’hydrogène) et le comburant à la cathode (de l’oxygène pur ou ambiant). Pour cela, des micro-canaux sont gravés dans les plaques. Ces gaz diffusent ensuite à travers le milieu poreux des électrodes avant d’atteindre le catalyseur et l’électrolyte. Les espèces chimiques produites lors de la réaction sont évacuées par les canaux de la plaque bipolaire (à l’anode ou à la cathode selon le type de PàC).

L’hydrogène et l’oxygène réagissent pour former de l’eau, de l’électricité et de la chaleur, la réaction étant exothermique et la résistance interne produisant un effet Joule. Si le comburant n’est pas de l’oxygène pur, les autres espèces chimiques qu’il contient sont rejetées, pour la plupart sans réagir (excepté le CO2 pour les MCFC – piles à combustible à carbonate fondu – ou les AFC – piles à combustible alcalines – qui peut réagir avec l’électrolyte).

Les PEMFC 

Le travail présenté dans ce manuscrit se consacre exclusivement aux PEMFC. Les PEMFC et plus particulièrement les PEMFC basse température sont les PàC les plus répandues dans les applications mobiles de type transport, notamment grâce à leur densité de courant élevée, leur bon rendement, leur durée de vie accrue, leur temps de démarrage rapide (dû à leur basse température de fonctionnement), leur coût raisonnable et leur fabrication relativement aisée.

La cellule 

Les Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Protons (PEMFC pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell) sont un type particulier de PàC dotée d’une membrane électrolyte solide acide en polymère (souvent du Nafion® , polymère perfluoré sulfoné) permettant le transfert de protons de l’anode vers la cathode. La cellule d’une PEMFC est constituée, comme expliqué précédemment, de deux plaques bipolaires entourant un Assemblage Membrane Électrode (AME ou MEA pour Membrane Electrode Assembly) .

Les plaques bipolaires
Les plaques bipolaires ont un triple rôle : assurer le contact électrique entre deux cellules, la circulation des gaz et la circulation du fluide de refroidissement. Les plaques bipolaires sont faites de graphite le plus souvent (conducteur électrique). Du côté intérieur de la cellule (du côté de l’AME), des micro-canaux sont gravés permettant l’acheminement des gaz vers l’AME. Le dessin de ces micro-canaux varie d’une pile à une autre et doit être optimisé afin d’assurer une bonne répartition des gaz dans l’AME et des pertes de charge minimales. Ces canaux sont également la voie de sortie de l’eau produite par la réaction électrochimique (essentiellement à la cathode). Des écoulements diphasiques (à deux phases, liquide et gaz) complexes y ont donc lieu. Une évacuation performante de l’eau produite est nécessaire afin de ne pas générer de bouchon liquide dans les canaux, ce qui pourrait gêner le bon acheminement des gaz vers l’AME. Sur l’autre face de ces plaques (du côté extérieur de la cellule) des canaux permettent la circulation d’un fluide de refroidissement (air, eau désionisée, ou autre liquide non conducteur). Les plaques bipolaires jouent donc un rôle important dans la cellule d’une PàC. Par ailleurs, elles constituent l’essentiel de la masse et du volume d’une cellule, et donc du stack (empilement des cellules élémentaires). Elles doivent donc être conçues les plus fines et les plus légères possibles. L’augmentation de la densité de puissances volumique et massique des PàC fait partie des enjeux majeurs de leur intégration aux moyen de transports comme les automobiles, les bus, les sous-marins et les avions [1,2].

L’Assemblage Membrane Électrode
L’AME est le cœur réactionnel de la PàC, là où les réactions électrochimiques ont lieu. L’AME est constitué, de l’extérieur vers l’intérieur, de deux couches de diffusion des gaz (GDL pour Gas Diffusion Layer), de deux couches catalytiques (anode et cathode) et de la membrane échangeuse de protons. Les GDL permettent la diffusion des gaz vers la couche catalytique de façon homogène. Les GDL sont en général des tissus de carbone constituant ainsi un milieu poreux et fibreux.

Enfin, la membrane, au centre de l’AME, assure le transfert des protons de l’anode vers la cathode. Elle est imperméable aux électrons. La membrane doit également être la plus imperméable possible aux gaz présents (hydrogène et oxygène, mais aussi azote et dioxyde de carbone). L’imperméabilité à l’hydrogène n’est pas évidente en raison de sa faible masse volumique et de sa forte diffusivité. La membrane Nafion® (élaborée par Dupont de Nemours) se compose d’un squelette de PTFE (Téflon) qui sert de support à des chaînes perfluorosulfonées. La conduction protonique se fait par électro-osmose en présence d’eau, grâce à une différence de potentiel entre anode et cathode. L’hydratation de la membrane est donc un paramètre important qui influence fortement le fonctionnement de la pile. De plus, la membrane peut se détériorer si son hydratation n’est pas suffisante pendant le fonctionnement de la pile, conduisant éventuellement à des fuites de gaz. La membrane est un élément fragile de la cellule, composé de polymère et d’une épaisseur de quelques dizaines de µm tout au plus. Il est donc important que les deux gaz réactifs soient à des pressions les plus proches possibles. Une trop grande différence de pressions à travers la membrane pourrait la déchirer. Enfin, la membrane étant un composé polymère, sa température est également un paramètre important. Ce polymère peut être détérioré si sa température excède une certaine limite, de l’ordre de 80 °C. En cas de détérioration de la membrane, sa conductance protonique peut être diminuée et dans les cas les plus graves, la membrane peut se déchirer, entrainant des fuites de réactifs. Il existe cependant des membranes non fluorées capable de tenir des températures plus élevées (environ 100 °C) et équipant des PEMFC haute température.

Le stack 

Le stack est le nom donné à un empilement de cellules élémentaires. Les cellules sont positionnées les unes à côté des autres, maintenues fermement en contact par un système de vis de serrage. D’un point de vue électrique, les cellules sont donc connectées en série (Figure 4). Ainsi, la tension aux bornes du stack est la somme des tensions de chaque cellule. A chaque extrémité du stack, des plaques collectrices de courant, souvent en cuivre, permettent la connexion du stack à la charge. Du point de vue de l’alimentation en gaz, les cellules sont connectées en parallèle, afin que chaque cellule reçoive le flux de gaz nécessaire à la réaction. De même, les cellules sont en parallèle du point de vue du circuit de refroidissement. Les gaz et l’eau du circuit de refroidissement sont acheminés vers chaque cellule grâce à des collecteurs, conduites représentées en pointillés sur la Figure 4. L’eau de refroidissement et les gaz inutilisés sont évacués de la même façon, grâce à des collecteurs (les collecteurs de sortie des gaz ne sont pas représentés sur la Figure 4). La conception des canaux de gaz dans les cellules et des collecteurs est primordiale car elle détermine la qualité des écoulements qui y ont lieu. A la cathode, l’eau produite est évacuée par les canaux et les collecteurs. Lorsque l’eau produite n’est pas correctement évacuée, celle-ci forme des bouchons liquides, obstruant le passage des gaz vers l’AME et diminuant les performances du stack. Il est donc nécessaire de dimensionner au mieux ces canaux et collecteurs afin d’éviter ces situations d’engorgement. Les écoulements diphasiques (à deux phases, ici gaz et liquide) qui ont lieu dans les PàC font l’objet de nombreuses études et dépendent de nombreux paramètres. Entre autres, les dimensions des canaux, les vitesses des gaz et les tensions superficielles de surface entre l’eau et les matériaux poreux des couches de diffusion des gaz [4–7].

Le système

Le système PEMFC est composé du stack et de tous ses auxiliaires qui permettent son fonctionnement. Les auxiliaires sont nombreux et varient selon les systèmes, et selon qu’ils soient aérobies ou anaérobies. Une liste non exhaustive des auxiliaires est présentée dans le Tableau 1. Le plus souvent, les auxiliaires du stack sont alimentés par une batterie lors du démarrage, puis une fois le système démarré, ils sont alimentés par le stack lui-même. Il est donc important de veiller à minimiser la consommation énergétique de ces auxiliaires, afin de maximiser le rendement du système (défini dans la partie suivante). De plus, la masse et le volume total du  système dépendent fortement de ces auxiliaires. Afin de maximiser la densité massique et la densité volumique de puissance, il est nécessaire d’une part de bien choisir ces auxiliaires (légers et peu volumineux) et d’autre part d’optimiser l’architecture du système afin de limiter au maximum les tuyauteries et les volumes morts.

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Table des matières

INTRODUCTION
Bibliographie Introduction
Table des figures CHAPITRE 1
CHAPITRE 1 : Présentation des systèmes Pile à Combustible hybridés
I. Introduction
II. Les Piles à combustible
II.1. Principe de fonctionnement d’une cellule PàC
II.2. Les PEMFC
II.3. Applications aéronautiques et spatiales
II.4. Navigabilité des systèmes PEMFC
II.5. Conclusion
III. Problématique de l’hybridation
III.1. Introduction : Intérêts de l’hybridation
III.2. Propriétés et fonctionnement des batteries
III.3. Architectures d’hybridation
III.4. Conclusion
IV. Conclusion
Bibliographie CHAPITRE 1
Table des figures CHAPITRE 2
CHAPITRE 2 : Étude analytique et expérimentale de la navigabilité aérienne des systèmes Pile à Combustible de type Membrane Echangeuse de Protons
I. Introduction
II. Étude expérimentale en altitude : effets de la pression ambiante
II.1. Essais sur le système NEXA Ballard
II.2. Essais sur le système Bahia Hélion
II.3. Résultats et discussions
II.4. Conclusion
III. Étude analytique et numérique : Influence de l’altitude sur le choix de l’oxydant
III.1. Introduction
III.2. Modélisation des systèmes PàC
III.3. Critères qualitatifs de comparaison entre systèmes aérobie et anaérobie
III.4. Conclusion
IV. Étude expérimentale de la sensibilité aux inclinaisons
IV.1. Introduction
IV.2. Essais sur le système NEXA Ballard
IV.3. Essais sur le système IMHOTEP Hélion
IV.4. Conclusion
V. Conclusion
Bibliographie CHAPITRE 2
Table des figures CHAPITRE 3
CHAPITRE 3 : Essais expérimentaux d’un système hybride direct
I. Introduction
II. Démarche et objectifs
III. Hybridation directe : Banc 4UCLION
III.1. Architecture d’hybridation directe
III.2. Essais expérimentaux : Batteries Li-Ion
III.3. Essais expérimentaux : Système hybride direct
IV. Conclusion
Bibliographie CHAPITRE 3
Table des figures CHAPITRE 4
CHAPITRE 4 : Modélisation d’un système Pile à Combustible hybridée
I. Introduction
II. Modèle numérique de PàC
II.1. Modèle général de la réponse en tension d’une PàC
II.2. Identification des paramètres du modèle
II.3. Conclusion
III. Modèle numérique de batterie Li-Ion
III.1. Modèle numérique et méthode de résolution
III.2. Identification des paramètres du modèle
III.3. Validation du modèle par comparaison aux mesures
III.4. Conclusion
IV. Modèle numérique du système PàC hybridé : réalisation et exploitation
IV.1. Modélisation de l’hybridation
IV.2. Dimensionnement du banc expérimental
IV.3. Validation du modèle de système hybride : comparaison aux mesures
IV.4. Conclusion
V. Conclusion
Bibliographie CHAPITRE 4
CONCLUSION

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