Impact de la recirculation sur les performances du système à 70°C

La diminution des performances du stack pour l’architecture de recirculation a

également un impact sur l’efficacité du système. L’efficacité du système 𝜂

définie

dans le Chapitre 1 permet de comparer les performances des deux configurations (avec

recirculation et en humidification passive).

La consommation électrique de la pompe à eau, des électrovannes ou des capteurs est

supposée négligeable par rapport à la consommation des compresseurs, de sorte que

seuls ces derniers soient pris en compte pour les calculs (𝑃

= 𝑃

). Par souci de

simplicité, les compresseurs sont considérés comme idéaux afin de s’exempter des

spécifications de composants réels. La puissance consommée pour la compression est

calculée selon la définition du Chapitre 1 section 1.3.2.

La Figure 2-13 présente l'efficacité du système obtenue avec les deux architectures

(humidification classique et recirculation) pour deux densités de courant différentes.

Dans le cas de la recirculation, le taux de recirculation varie entre 0.19 et 0.48 à 0.3

A/cm² et de 0.13 à 0.32 à 0.5 A/cm².

Figure 2-13: Efficacité du système avec et sans recirculation, en prenant en compte uniquement les compresseurs comme auxiliaires pour les calculs d'efficacité du système. Tension de cellule mesurée à 70°C, 1.2 bar, pour l'humidification passive (cercles rouges) à SRsyst=2, et pour le mode de recirculation (triangles noirs) SRsyst = 1.4 à 1.8, taux de recirculation variables

Des mesures de tension des cellules en mode recirculation ont été extraites du plan

d’expériences aux conditions de température et de pression de 70°C, 1.2 bar avec des

taux de recirculation et des stœchiométries systèmes variables. Les efficacité système

en recirculation sont comparées aux résultats obtenus pour une humidification passive

dans des conditions similaires à 70°C, 1.2 bar et 𝑆𝑅

=2.

Un écart minimum de 3.7 points sur l'efficacité du système est observé à une densité de

courant de 0.3 A/cm² avec un 𝑅=0.48 et 𝑆𝑅

=1.8, tandis qu'un écart de 10.1 points

est observé à une densité de courant de 0.5 A/cm² avec 𝑅=0.32 et 𝑆𝑅

=1.6. Les

meilleures performances sont obtenues avec un taux de recirculation élevé en raison

de la température de fonctionnement. En effet, une température élevée de 70°C

nécessite une teneur en eau plus élevée à l'entrée de la pile et donc un 𝑅 plus élevé.

L'analyse de sensibilité a un fonctionnement à plus basse température à 60 et 65°C

sera présenté dans la section 2.4.4 suivante, où l'humidité relative pouvait être

légèrement diminuée sans affecter les performances et la stabilité de la cellule.

La diminution d'efficacité de la recirculation par rapport au mode passif peut être

expliquée à l'aide de la dilution de l'oxygène, de la diminution de l'humidité relative à

l'entrée de la cathode et à la puissance du compresseur. En premier lieu, la dilution de

l'oxygène à l'entrée de la pile induit une chute de tension due à la diminution de l'activité

de l'oxygène dans la couche catalytique de la cellule.

Ensuite, une humidification faible des gaz à l'entrée de la cathode lors de la diminution

du taux de recirculation a un effet néfaste sur les performances du stack, du fait d’une

mauvaise hydratation de la membrane. Enfin, la puissance théorique consommée par

le compresseur 2 pour compenser les pertes de charge de la pile et de la boucle d’air

peut représenter de 4% à 20% de la consommation totale d’énergie. La puissance de

la pile et l'efficacité du système sont donc inférieures à celles obtenues en mode

d'humidification passive.

Pour visualiser l'impact de la puissance de compression pendant le fonctionnement, la

consommation des deux compresseurs est modélisée sur la base du modèle

isentropique écrit dans l'équation (1-19) pour le compresseur 1 (compression d'air frais).

La Figure 2-14 présente la puissance totale consommée par la compression de l'air en

fonction à la fois du taux de recirculation et de la stœchiométrie du système. On observe

sur la Figure 2-14-a que la consommation d’énergie pour la compression idéale de

recirculation est très faible par rapport à celle pour l'air frais en particulier pour les faibles

taux de recirculation (i.e. 𝑅 est inférieur à 0.35).

Figure 2-14 : Puissance théorique consommée en watts à la fois par le compresseur d'air frais et par la pompe de recirculation en fonction du taux de recirculation et de la stœchiométrie du système côté cathode pour une densité de courant simulée de 0.3 A/cm², 1.35 bar, 65°C a) stack réel du banc b) stack virtuel avec réduction de 33% des pertes de charge de la cathode

En effet, le taux de compression de la pompe de recirculation étant faible par rapport au

premier compresseur, la consommation en énergie des auxiliaires n’est pas très

éloignée du cas de référence sans recirculation. En outre, pour éviter une forte

augmentation du débit d’entrée cathode si le débit de recirculation augmente, celui d’air

frais doit diminuer. Autrement dit, pour limiter l’augmentation de 𝑆𝑅

, alors 𝑆𝑅

doit diminuer. Donc, la consommation du compresseur 1 diminue. Par ailleurs, pour

obtenir une consommation des compresseurs en configuration recirculation équivalente

à un cas sans recirculation, il faut une baisse de la stœchiométrie système.

Par exemple, un cas sans recirculation à un 𝑆𝑅

de 2 a une consommation électrique

équivalente à un cas de recirculation à 𝑆𝑅

=1.75 et 𝑅=0.5.

Une augmentation du taux de recirculation augmente la puissance parasite consommée

par le composant de recirculation. L'un des principaux facteurs influençant cette

consommation est la valeur des pertes de charge le long de la ligne de recirculation.

Par conséquent, une simulation avec des pertes de charge de pile réduites a été

effectuée pour observer les avantages en termes de consommation totale d’énergie. La

Figure 2-14-b présente la puissance consommée avec des pertes de charge de pile

réduites d'un tiers. On observe que la puissance consommée est inférieure à celle du

cas précédent, la réduction étant plus prononcée lorsque le taux de recirculation est

élevé. Par exemple, à 𝑆𝑅

=1.8 et 𝑅=0.6, la consommation totale est de 123 W dans

le premier cas et n’est plus que de 110 W dans le second, ce qui permet un gain de

puissance consommée de 10%.

Ce dernier résultat met en évidence le fait que les pertes de charge dans la boucle d'air

doivent être minimisées. La recirculation induit un débit d’air plus élevé côté cathode et

donc des pertes de charge plus importantes dans la pile à combustible. Une optimisation

de la conception de la cellule réduisant les pertes de charge dans la pile pourrait réduire

considérablement la consommation d'énergie du compresseur 2, avec un impact moins

marqué sur l'efficacité du système.