La problématique du groupe de compression

Dans le domaine de l’automobile, les sources d’énergie (classiques ou non) sont sollicitées sur des plages de fonctionnement très larges puisque leur réponse dynamique est directement corrélée aux performances du véhicule. La pile à combustible possède ainsi un atout majeur, car elle est capable de fournir la puissance demandée presque instantanément, tant qu’elle est alimentée avec des réactifs en quantité suffisante. De ce fait, c’est le groupe de compression qui va limiter la dynamique du stack et imposer celle du module de puissance pour une grand part.

Mode de fonctionnement

Il est possible de contourner ce problème en faisant fontionner le stack avec des stœchiomé-tries de réactifs variables. Dans ce cas, le système d’air fournit un débit constant et maximal au stack quel que soit le point de fonctionnement : cette stratégie de pilotage permet de ga-rantir à tout instant une bonne réponse dynamique du stack mais engendre en contrepartie une surconsommation énergétique non négligeable pour le groupe de compression.

L’autre stratégie - retenue par Renault - consiste à faire fonctionner le stack avec des stœ-chiométries de réactifs constantes. Cette fois, le système d’air fournit un débit variable lié au point de fonctionnement : cette solution permet d’optimiser la consommation énergétique du groupe de compression mais nécessite une commande performante d’un point de vue dynamique et robuste vis-à-vis des variations (changement de point de fonctionnement, perturbations...), afin de répondre au mieux à la demande de puissance.

En outre, le groupe de compression doit fonctionner en mode pressurisé, c’est-à-dire être capable de fournir le débit d’air à pression variable, en compensant les pertes de charge du module de puissance. Pour répondre à ce double objectif, une turbine va récupérer l’énergie des gaz d’échappement et va ainsi, en régime établi, maintenir la pressurisation du système et laisser le groupe de compression compenser seulement les pertes de charge.

Les axes de recherche pour la réduction de la consommation énergétique du groupe de com-pression concernent le choix des technologies de compresseur et de turbocompresseur d’une part, la stratégie de commande mise en place d’autre part.

1.3 Présentation du véhicule à pile à combustible étudié

Choix d’une architecture à double étage

Parmi les différentes technologies de compresseurs, le choix se fait généralement en fonction de la qualité de l’air recherchée, de la pression de refoulement à atteindre et des besoins en air qui déterminent une capacité de production. Premièrement, les procédés mis en œuvre dans les applications pile à combustible sont incompatibles avec des particules d’huile en suspension dans l’air comprimé puisque celles-ci sont néfastes pour la membrane et réduisent la durée de vie du stack. Deuxièmement, le groupe de compression doit être dimensionné pour les gammes de puissance et de débit spécifiées pour notre application : les compresseurs à haute vitesse (>10 000 tr/min) comme les compresseurs à vis semblent bien adaptés en termes de rendement (bon rendement volumétrique grâce à l’étanchéité). En outre, les compresseurs rotatifs, comme les turbocompresseurs, nécessitent peu d’entretien.

C’est pourquoi le groupe de compression défini pour l’alimentation en air du module de puissance comprend un premier étage de compression, constitué d’un compresseur volumétrique motorisé Opcon (technologie double-vis non lubrifiée, cf. Annexe C) dont les principales carac-téristiques et la cartographie expérimentale (cf. figure 1.28) sont présentées ci-dessous :

¦ Débit maximal : 0,090 kg/s ;

¦ Niveau de pression de refoulement : < 3 bar absolus ; ¦ Température maximale en sortie : 180◦C ;

¦ Vitesse de rotation maximale : 12 000 tr/min ; ¦ Temps de réponse en vitesse : environ 0,1 s ;

¦ Poids (compresseur + moteur + contrôleur) : 15 kg ; ¦ Bruit à vide assez élevé (pas de donnée chiffrée).

Fig. 1.28 – Cartographie 3D du compresseur OPCON réalisée sur le banc d’essai Supélec Des études prospectives ont été menées sur le second étage de compression, constitué d’un turbocompresseur valorisant grâce à sa turbine les gaz d’échappement chauds issus du brûleur. Un refroidisseur d’air placé en série entre les deux étages de compression permet d’abaisser la température du flux et ainsi d’améliorer les performances du second étage de compression. Mais

les contraintes liées à l’application sont nombreuses et il est apparu difficile de répondre à toutes avec un même composant :

¦ les températures en entrée turbine sont relativement faibles (300◦C contre 800◦C pour les turbocompresseurs usuels de moteurs thermiques). Cette spécification de 300◦C résulte d’un compromis : une température élevée favorise le fonctionnement de la turbine, mais est énergétiquement coûteuse en carburant dans le brûleur ;

¦ le module de puissance est une perte de charge et non une source de débit-pression, contrai-rement au comportement des moteurs thermiques suralimentés ;

¦ les turbocompresseurs usuels sont régulés à l’aide d’une waste-gate19: or, toute la puissance du flux d’échappement doit ici être valorisée pour préserver le rendement ;

¦ la pression demandée en entrée turbine a une plage très étendue et un profil atypique : une turbine à géométrie variable doit être envisagée ;

¦ le système d’air pour pile à combustible doit être non lubrifié ;

¦ pour la commande du système d’air, il semble préférable d’avoir un turbocompresseur mo-torisé. Or, les turbocompresseurs tournent à des vitesses pouvant atteindre plus de 100 000 tours par minute, ce qui complique le développement du moteur.

Le turbocompresseur nécessaire à l’architecture présentée en figure 1.26 a été dimensionné (construction des cartographies du turbocompresseur respectant nos spécifications, cf. figure 1.29). La première figure représente le champ d’utilisation d’une roue de compresseur (rendement en fonction du débit massique et du taux de compression) : les deux courbes correspondent au profil souhaité (courbe noire) d’une part, au même profil obtenu par simulation (courbe verte) d’autre part. La roue du compresseur est donc bien adaptée et peut fournir le couple débit - taux de compression souhaité. D é b it m a s s iq u e c o rr ig é T a u x d e c o m p re s s io n

Fig. 1.29 – Cartographies d’un turbocompresseur à géométrie fixe

Il ressort en revanche de la seconde figure que le profil de pression imposé par le module de puissance en entrée de la turbine (courbe rouge) est très différent du champ d’utilisation d’une turbine à géométrie fixe : il faut donc adapter la turbine au point de fonctionnement voulu, et la turbine du turbocompresseur de technologie turbomachine (communément utilisée pour les moteurs thermiques) doit être à géométrie variable.

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