Critères qualitatifs de comparaison entre systèmes aérobie et anaérobie

La section précédente a été consacrée à une comparaison quantitative des systèmes aérobie et anaérobie en se basant sur les masses et volumes de ces systèmes pour différentes conditions d'utilisation. Dans cette section, une comparaison basée sur des réflexions qualitatives est proposée. En effet, outre les aspects de masse et d'encombrement des systèmes, certains critères peuvent être décisifs dans le cadre d'applications aéronautiques.

Lorsque la question de l'industrialisation, ou plus simplement de la démocratisation d'un système se pose, la fiabilité et la durée de vie de ce système constituent bien souvent des paramètres majeurs. Les systèmes anaérobies, par définition, n'ont pas besoin de compresseur d'air.

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De plus, il est possible, grâce à un simple système de recirculation des gaz non consommés par la réaction, de s'affranchir d'un humidificateur. Le fait de s'affranchir de ces deux auxiliaires diminue la complexité du système PEMFC. Par ailleurs, l'absence de compresseur augmente la fiabilité et la durée de vie du système puisqu'il est composé d'un moins grand nombre d'éléments et qu'il n'y a pas de machine tournante.

Contrairement aux systèmes aérobies, les systèmes anaérobies ne sont pas sensibles aux pollutions de l'air ambiant, un second avantage de poids. En effet, bien que l'air ambiant soit composé d'environ 21 % d'oxygène et 79 % d'azote, celui-ci comporte tout de même des gaz tels que des oxydes de carbone (CO, CO2) et des oxydes d'azote (NOx) à faible concentration. Suivant les régions géographiques, l'air peut également contenir des ions corrosifs (comme les brouillards salins en zones côtières) ou encore des particules provenant des MCI (Moteurs à Combustion Interne), de l'industrie, ou bien encore des cendres et gaz volcaniques (H2S, SO2). Ces différentes pollutions peuvent avoir des effets néfastes (mais parfois réversibles) sur le cœur réactionnel de la PàC (oxydation des sites catalytiques, adsorption sur les sites catalytiques, diminution du potentiel de la PàC) ou encore corroder les matériaux des plaques bipolaires [16–18]. Les effets de ce type de pollution sur le vieillissement de la PàC et sur sa réponse en tension sont quantifiables, bien que cela ne soit pas abordé dans ces travaux.

Enfin, le temps de réponse des systèmes PEMFC aérobies est étroitement lié à l'inertie du compresseur d'air. Leur temps de réponse est en général de l'ordre de la seconde. N’ayant pas recours à un compresseur, les systèmes anaérobies ont pour avantage d’avoir un temps de réponse bien plus faible. Un système anaérobie peut en effet passer d'une densité de courant nulle à sa densité de courant maximale en suivant une rampe de courant infinie (instantanée).

III.4.

Dans cette section, le choix de l'oxydant entre air ambiant et oxygène pur a été étudié et discuté. Ces deux options sont très différentes dans la mesure où les systèmes PEMFC associés sont eux-mêmes très différents. Dans un premier temps, la comparaison a été basée sur l'évaluation quantitative de la masse et du volume associés à ces deux types de systèmes, aérobie et anaérobie. Pour réaliser cette étude quantitative, les performances de deux systèmes PEMFC ont été considérées. Pour le système aérobie, des mesures expérimentales sur un système de 1 kW (Bahia, Hélion) ont été réalisées à différentes altitudes et différents facteurs stœchiométriques de cathode. Ces mesures ont par la suite été utilisées pour caler un modèle numérique. Le modèle numérique ainsi obtenu a permis d'extrapoler les performances du système aérobie pour de plus hautes altitudes et avec un compresseur d'air différent, plus adapté aux applications aéronautiques. Le

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système PEMFC anaérobie a également été modélisé numériquement (grâce à un calage du modèle avec des mesures expérimentales). Ces deux modèles numériques ont permis de quantifier les masses et volumes de ces deux systèmes PEMFC pour qu'ils répondent à divers profils de vol.

L'étude de la masse et du volume des systèmes mis en compétition révèle que le choix de l'oxydant entre air ambiant et oxygène pur n'est pas trivial. En effet, le système le plus léger et le plus compact n'est pas le même selon les profils de vol, leur durée et l'altitude de croisière. Pour les vols de courte durée, le système anaérobie semble être le plus optimal. De plus, plus l'altitude de croisière est importante, plus le système anaérobie est compétitif en durée de vol. A contrario, le système aérobie est plus avantageux pour des vols de longue durée et à basse altitude (jusqu’à 2 000 m environ). Il serait néanmoins intéressant de travailler sur plusieurs thématiques qui pourraient modifier certains aspects des conclusions ci-dessus : l'augmentation du taux de compression (au-delà de 2) des compresseurs d'air, afin d'accroître la densité de puissance des systèmes aérobies, la compacité et la légèreté des compresseurs d'air ou encore le stockage d'oxygène pur à plus haute pression (supérieure à 200.105 Pa).

Quelques considérations qualitatives qui peuvent avoir une forte influence sur le choix entre système aérobie et anaérobie ont également été présentées : la fiabilité, la durée de vie, la complexité et le temps de réponse des systèmes. Ces considérations qualitatives orientent le choix de l'oxydant vers l'oxygène pur.

En conclusion, il apparait indispensable de bien définir le cahier des charges du système à intégrer ainsi que le type de profil de vol qui est recherché. Les paramètres durée et altitude de vol ont une influence forte dans le choix du type de système PEMFC. Bien qu'ils n'aient pas été considérés jusque-là dans le cadre de l'application de propulsion d'avions légers, les systèmes anaérobies ont un réel créneau d'application comme l'a montré cette étude.