Circuit de refroidissement 60

La pile produit de la chaleur en même temps que de l’électricité. Celle-ci doit être évacuée afin de limiter l’élévation de la température dans le stack. La production de chaleur se faisant au cœur de la pile, le refroidissement doit aussi avoir lieu dans la pile. Pour ce faire les plaques bipolaires qui permettent la conduction électrique et l’approvisionnement des réactifs vers les sites réactionnels, comportent des canaux permettant le passage d’un fluide caloporteur pour évacuer la chaleur. Pour ce faire, selon la puissance à dissiper, deux solutions existent soit un refroidissement convectif à l’air soit un refroidissement avec un liquide caloporteur [9][10].

Dans le cas d’un refroidissement à l’air, il existe plusieurs solutions allant de la convection naturelle pour les piles de faible puissance au refroidissement par refroidissement convectif à air pour les piles de puissance plus importante. Cette solution est simple mais son usage est limité par l’augmentation progressive des densités de puissance de pile qui font que le refroidissement à l’air n’est plus suffisant pour évacuer la chaleur produite.

Pour les piles de plus forte puissance, il est nécessaire de passer par un caloporteur liquide afin d’avoir de meilleurs échanges thermiques. Pour la température de fonctionnement des piles à combustibles PEM (70°C) de l’eau deionisée est utilisée.

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Figure 7 : Architecture du circuit de refroidissement à eau déionisée

Le vase d’expansion permet la dilatation de l’eau, le déioniseur permet d’assurer que l’eau reste deionisée et donc non conductrice. Enfin le radiateur permet le refroidissement du caloporteur.

Il est important dans cette solution que l’eau soit non conductrice d’électricité. Cela pourrait mettre la pile en court-circuit. Un contrôle régulier de la conductivité de l’eau est donc nécessaire. C’est cette solution qui a été retenue pour la pile testée par la suite.

Quelle que soit la solution choisie, elle aura un impact direct sur le design du stack et notamment sur celui des plaques bipolaires.

III.5 Le stack

Le stack est le lieu des réactions électrochimiques ; les éléments le composant ont été présentés dans le chapitre 1. Il est logique que les caractéristiques de la membrane, des électrodes et des couches de diffusions soient choisies en fonction de la puissance électrique que l’on souhaite produire. Mais le stack est également composé de plaques bipolaires et ce sont elles qui sont directement impactées par les choix de composants du système pile à combustible. En effet, elles sont directement intégrées aux trois circuits d’air, d’hydrogène et de refroidissement. Leur design doit être fait en prenant en compte les contraintes apportées par ces éléments.

En effet, les plaques bipolaires voient intervenir en leur sein l’écoulement de trois éléments : l’air, l’hydrogène et le fluide de refroidissement. Le design des différents circuits d’écoulement dans la

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plaque est important. Les circuits de réactifs doivent permettre un approvisionnement optimal de réactifs sur la couche de diffusion tout en permettant l’évacuation de l’eau produite. Le circuit de refroidissement doit assurer un écoulement suffisant en tout point de la pile et éviter les points de stagnation ou la chaleur ne serait pas évacuée. Les caractéristiques de ces trois fluides étant différentes, les canaux sont adaptés en conséquence et le plus souvent les circuits sont différents [11].

La figure suivante présente les trois types de canaux d’écoulement dans une plaque bipolaire commerciale [12].

Figure 8 : Les différents canaux (hydrogène à gauche, refroidissement au centre et air à droite) d'une plaque bipolaire commerciale

La nature des plaques bipolaires est importante parce qu’en plus de permettre l’approvisionnement en réactifs, elles doivent également permettre la mise en série électrique des différentes cellules de la pile. Pour ce faire, les plaques bipolaires peuvent être de différentes natures, soit métalliques soit à base de graphite. Les plaques bipolaires métalliques ont l’avantage d’être facilement réalisables par emboutissage mais elles sont plus lourdes que celles en graphite et moins rigides, il y a un risque d’écrasement des canaux et donc de mauvais écoulement au sein de la pile. Dans le cas de plaques en graphite ou en composite à base de graphite, celles-ci demandent des usinages plus complexes (fraisage) mais elles sont plus légères et plus rigides. De plus à cause des contraintes d’usinage, les plaques en graphites ou en matériaux composites sont plus épaisses. Ce qui a pour effet de rendre le stack plus long, donc plus volumineux.

Enfin le dernier élément qui intervient dans la conception du stack est celui des distributeurs qui permettent l’approvisionnement des différentes cellules du stack de manière identique que ce soit en liquide de refroidissement ou en réactifs. En effet nous avons discuté dans le chapitre 2 (cf II.3.3) le

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fait que si les conditions n’étaient pas identiques dans toutes les cellules, cela pouvait entrainer un vieillissement prématuré du stack. Pour éviter cela, la littérature recommande d’avoir recours à des distributeurs de grande section afin de limiter la perte de charge en leur sein et donc d’obtenir une distribution de pression identique dans toutes les cellules. Le distributeur doit être d’autant plus large que la pile est longue pour limiter les pertes de charge. A même débit, la vitesse des écoulements à la surface du distributeur est faible et donc les pertes de charge le sont également.

Ainsi plus on voudra une pile puissante, donc une pile avec de nombreuses cellules, plus les distributeurs devront être larges et donc plus les plaques bipolaires seront grandes.

Là encore, l’étude du sous-système stack nous montre que le design de celui-ci est issu d’un compromis entre les aspects encombrement, la facilité d’usinage et le coût.

Enfin, intéressons-nous aux différents éléments du système de commande.