Chapitre 2. Etude de l’humidification par recirculation cathodique
2.2.1. Architectures du banc système étudié
Dans l’optique de la réduction du volume du système et de sa complexité, un banc
système a été développé au CEA permettant de tester plusieurs architectures, que ce
soit du côté air ou du côté de l’hydrogène. Ce système a été construit de manière
analogue à un système automobile et est donc autonome. Son objectif est d’étudier
l’impact de plusieurs architectures sur les performances de la pile et sa durabilité. C’est
un système d’une puissance maximale de 5 kW composé d’une pile de 70 cellules.
Cette pile se divise en deux parties égales de 35 cellules chacune. Les caractéristiques
principales du système sont présentées dans le Tableau 2-1.
Les cellules sont constituées de plaques bipolaires au design serpentin appelé « F »
dont le design est présenté sur la Figure 2-2. Les plaques sont fabriquées dans un acier
embouti avec un revêtement carboné. Côté cathode, le circuit air est un serpentin à 3
passes alors que le circuit de l’hydrogène en comporte 5. L’air et l’hydrogène sont
alimentés en contre-flux alors que le réfrigérant est alimenté perpendiculairement aux
écoulements des gaz réactifs. Son circuit est complémentaire aux 2 circuits air et
hydrogène comme représenté sur la Figure 2-2. Les AMEs utilisés pour les différents
tests sont des AME commerciaux ou ont été fabriqués au CEA LITEN. Dans tous les
cas, la surface active est de 220 cm² et leur provenance sera spécifiée pour chaque
test.
Figure 2-2 : Configuration fluidique du design "F" pour l'hydrogène (rouge), le réfrigérant (bleu), et l'air (vert)
L’architecture du système utilisé tout au long de l’étude est représentée sur la Figure
2-3. Côté air, deux architectures sont possibles. Toutes les deux sont axées sur
l’humidification. La première, la plus simple consiste à utiliser un humidificateur passif
modèle FC-150 de Permapure® pour humidifier l’air d’entrée pile. La vanne V1 est
orientée de façon à autoriser un flux entre le compresseur 1 et l’humidificateur passif,
V2 est ouverte et V3 fermée. La seconde architecture propose la recirculation de l’air.
Ainsi l’humidification est assurée par le recyclage de l’eau produite en phase vapeur par
la pile. Dans cette configuration, la vanne V1 est orientée de façon à court-circuiter
l’humidificateur passif pour entrer directement dans la pile. La vanne V3 est ouverte et
la mise en service du compresseur 2 permet de recirculer une partie du flux de sortie
de la pile. La vanne V2 est fermée afin d’isoler l’humidificateur.
En jouant sur l’orientation des vannes du circuit air, il est ainsi possible de fonctionner
soit en humidification passive soit en recirculation. Ce système permet de travailler à
une pression maximale de 1.5 bar (compression de l’air sec) avec un débit d’entrée de
20 Nm
3/h. Sur la boucle de recirculation, le faible taux de compression de 1.12 ne
permet que de compenser les pertes de charges de la pile et du circuit air entre 130 et
160 mbar pour les pressions appliquées dans le Tableau 2-1. Le débit maximal de
recirculation est de 20 Nm
3/h.
Figure 2-3 : Architecture fluidique complète du banc Prospac 2
Du côté anodique, l’architecture permet trois stratégies de fonctionnement. La première
stratégie est un fonctionnement en Dead-End Anode (DEA) dit « classique ». Les
vannes V5 et V6 sont ouvertes en permanence alors que V7 est fermée et ne s’ouvre
que par intermittence pour permettre les purges.
La seconde stratégie est un DEA dit « série ». Dans ce cas, l’une des deux vannes
d’entrée de la pile est maintenue ouverte pendant que l’autre reste fermée. La vanne
V5 reste par exemple ouverte alors que V6 est fermée et V7 également. Le
fonctionnement reste analogue au DEA mais les deux piles sont maintenant alimentées
en série. Cette configuration série peut présenter un avantage concernant
l’humidification anodique qui a déjà été mis en évidence avec des designs de piles
proches [108,110,112].
La troisième stratégie joue sur l’injection alternative de l’hydrogène d’un demi-stack à
l’autre, c’est le Ping-Pong. La séquence d’ouverture et fermeture des vannes est celle
évoquée dans la section 1.2.3.2. La vanne V7 reste fermée comme pour le DEA. En
revanche, les vannes V5 et V6 s’ouvrent et se ferment alternativement pour alimenter
la pile soit par le demi-stack de gauche soit par le demi-stack de droite. Le
fonctionnement particulier de cette architecture ainsi que la configuration particulière du
stack seront expliqués en détail, analysés et comparés au fonctionnement DEA et à la
recirculation dans le Chapitre 3.
La boucle de réfrigération permet l’évacuation des calories excédentaires fournies par
la pile en fonctionnement. Elle est constituée d’une pompe qui fait circuler de l’eau
déionisée à travers la pile, un réchauffeur sur la ligne hydrogène et un radiateur. De
façon similaire aux systèmes automobiles, ce radiateur est muni de ventilateurs
permettant l’évacuation de la chaleur. En règle générale, les ventilateurs sont contrôlés
en tout ou rien, ce qui engendre de fortes variations de température. Pour pallier ce
problème sur les systèmes de la Nexo ou la Mirai, plusieurs boucles supplémentaires
permettent de court-circuiter le radiateur et d’ajuster la quantité de fluide refroidi dans le
circuit chaud pour contrôler plus finement la température dans la boucle principale
alimentant la pile. En revanche, dans le présent système, cette boucle est très simplifiée.
De ce fait, pour éviter les variations fortes de température, des ventilateurs à puissances
variables ont été implantés. Le débit de refroidissement est ainsi maintenu constant à
15 L/min pour évacuer une puissance maximale de 6 kW et permet de réguler la
température de sortie de la pile avec une tolérance de ±1°C.
Finalement, l’architecture particulière de ce système le rend très flexible puisqu’il est
possible de le faire fonctionner dans de nombreuses configurations : côté air en
humidification passive ou en recirculation et côté hydrogène en DEA classique ou série,
ou encore en alternant les deux entrées hydrogène. Cette flexibilité permet d’étudier
plusieurs combinaisons d’architectures et leur impact sur la pile.
Concernant, la configuration du stack, la Figure 2-4 présente les flux d’alimentation en
air et en caloporteur. L’alimentation en air du stack se fait en circulation simple, en mode
passant, comme en Figure 2-4-a. L’injection et l’échappement se font du côté de la
cellule numérotée 70. De la même façon, l’alimentation en fluide réfrigérant est une
circulation simple passante, montrée en Figure 2-4-b, localisée à l’opposé du flux d’air.
L’entrée et la sortie sont donc du côté de la cellule numérotée 1.
Figure 2-4 : Configuration de a) l'alimentation en air et b) du liquide de refroidissement Tableau 2-1 : Caractéristiques du banc Prospac 2