Filtration de gaz 158

L’hydrogène utilisé dans les piles à combustible de type PEM est en général de haute pureté. Celui-ci peut être produit de différentes façons, que ce soit par électrolyse, la réaction inverse de celle de la pile ou par différents procédés chimiques comme par exemple, le reformage. Or, il n’est pur que quand il est obtenu par électrolyse. Lorsqu’il est obtenu par reformage, il doit être purifié pour obtenir un niveau de pureté suffisant. Ainsi, l’hydrogène produit par l’industrie peut être mélangé à différents gaz et ces gaz peuvent avoir un impact sur les performances de la pile. Il est donc important d’être capable de purifier au maximum cet hydrogène. C’est dans cette optique que cette pompe parait être intéressante puisqu’elle permet théoriquement le pompage exclusif de l’hydrogène.

Avant de s’intéresser aux applications de cette filtration, vérifions la capacité de la pompe à l’effectuer. Pour ce faire nous considérons différents gaz, l’azote dont l’influence a été étudié dans les applications pile et d’autres gaz pouvant être mélangés à l’hydrogène lors de sa production par voie thermochimique, le méthane et le CO2. L’influence du CO sera discutée mais au vue de sa dangerosité,

elle n’a pas été étudiée expérimentalement. Commençons par étudier le cas de l’azote.

VI.2.3.1 Azote

L’azote peut apparaitre dans le compartiment anodique de la pile du fait de son passage depuis le compartiment cathodique. L’influence de l’azote sur les performances de la pompe a été testée pour plusieurs concentrations. La figure suivante présente les résultats obtenus.

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Figure 7 : Influence du pourcentage d’azote dans les gaz anodiques en amont de la pompe sur les performances de la pompe électrochimique

La pompe a été utilisée jusqu'à obtenir des taux d’azote en aval du compartiment cathodique supérieur à 90%. Comme on pouvait s’y attendre les performances de la pompe se dégradent au fur et à mesure que le taux d’azote augmente. Cela peut s’expliquer par la réduction de la pression partielle d’hydrogène, phénomène qui est de plus amplifié lorsque l’on considère les gaz à proximité des zones réactionnelles où l’hydrogène est oxydé. Néanmoins nous pouvons voir que pour des taux d’azote inférieurs à 20%, les performances de la pompe ne sont que faiblement impactées.

Lors de ces essais la composition des gaz de sortie a été étudiée, après extraction de l’eau par condensation.

Dans tous les cas étudiés, il n’est pas possible de constater la présence d’azote dans les gaz cathodiques ni de réduction du taux d’hydrogène. L’analyse des gaz se faisant par chromatographie, l’étalonnage de l’appareil nous permet de dire que la quantité de gaz autre que l’hydrogène dans les gaz pompés est inférieure à 0.5%. Cela montre bien la capacité de pompage exclusif d’hydrogène de la pompe étudiée. Les débits de gaz ne sont pas altérés par la présence d’azote, quel que soit le taux d’azote dans les gaz anodiques, la quantité d’hydrogène pompé est inchangée.

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Enfin, il faut noter que même pour des faibles taux d’azote (< 10 %) nous n’avons pas pu faire fonctionner cette pompe en mode purges périodiques, les performances se dégradaient trop rapidement.

De plus, au cours des essais nous avons pu mettre en évidence un débit d’eau constant quel que soit la composition du mélange de gaz dans le compartiment anodique. A 100A, le débit est de 80 ml/h. C’est donc la quantité minimale d’eau à apporter à la pompe.

D’autres gaz ont été testés et notamment le méthane et le dioxyde de carbone.

VI.2.3.2 Méthane et dioxyde de carbone

Le méthane et le dioxyde de carbone sont des gaz qui peuvent être présents dans l’hydrogène issu de reformage. Leur influence sur le comportement de la pompe a donc été testée. Les figures suivantes présentent les résultats de ces essais.

Figure 8 : Influence du pourcentage de méthane dans les gaz anodiques en amont de la pompe sur les performances de la pompe électrochimique

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Figure 9 : Influence du pourcentage du dioxyde de carbone dans les gaz anodiques en amont de la pompe sur les performances de la pompe électrochimique

Dans les deux cas, nous pouvons constater des allures de courbes semblables et très proches de celles obtenues avec des mélanges comprenant de l’azote. Cela peut s’expliquer par le fait que même si les caractéristiques des trois gaz sont différentes, ils n’interviennent pas au sein de la réaction électrochimique permettant le pompage de l’hydrogène. Le seul impact qu’ils ont est celui de la baisse de pression partielle d’hydrogène à mesure que la leur augmente. Ces résultats ont déjà été observés.

Là encore, il n’y a aucune trace de méthane ou de dioxyde de carbone dans le gaz de sortie cathodique et le débit de la pompe n’est pas impacté par leur présence dans les gaz anodiques.

Intéressons nous maintenant à l’effet du monoxyde de carbone sur les performances de la pile.

VI.2.3.3 Monoxyde de carbone

A la différence des autres gaz testés précédemment, le monoxyde de carbone peut intervenir sur les réactions électrochimiques qui ont lieu sur les électrodes de la pompe. En effet, nous pouvons voir dans la littérature que les performances de la pile sont fortement dégradées par la présence de CO.

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Néanmoins, elle montre que la pile peut fonctionner en présence de CO. On peut donc supposer que la pompe sera également capable de fonctionner en présence de CO mais qu’elle aura des performances bien moindres que pour les autres mélanges testés.

Etudions maintenant l’impact possible des couches de diffusion de la pompe sur ces performances.