Principe de fonctionnement du système global GAPPAC®

Le projet GAPPAC© a été programmé et financé par l’Agence National de la Recherche (ANR) sur le Programme d’Action sur l’Hydrogène (ANR PAN-H, 2006).

L’objectif global de ce projet est de créer un groupe auxiliaire de puissance à pile à combustible générique pour des applications de transports (terrestre, aérien, maritime, fluvial), afin de réduire les consommations, émissions de CO2, et émissions sonores pendant les phases de veilles des véhicules militaires et les phases au sol des avions (Projet GAPPAC, 2009). A l’origine, un groupe auxiliaire de puissance, dit « GAP », désigne un turbogénérateur auxiliaire destiné à produire de l’électricité à bord des avions pour l’alimentation au sol des différents systèmes de bord (auxiliaires, pressions pneumatiques et hydrauliques, climatisation), lorsque les moteurs sont à l’arrêt, afin d'économiser le carburant. Ce groupe auxiliaire est un turbomoteur situé dans le fuselage de l’aéronef, souvent dans la partie arrière appelée l’empennage. Il permet, en outre, d’assurer le démarrage des turboréacteurs au sol, et même de servir de générateur électrique de secours (au sol et en vol), lorsque tous les turboréacteurs sont inopérants.

L’enjeu du projet GAPPAC est la réalisation d’un démonstrateur préfigurant le développement d’un produit industriel et commercial sur le marché (en particulier européen) en pleine croissance de l’électricité à bord. Les principales innovations concernent le reformage multi- combustible couplé avec une PEMFC HT (Proton Exchange Membrane fuel Cell, Haute Tolérance), l’application de trigénération, la pressurisation du système, les capteurs en ligne de monoxyde de carbone et de sulfure de dihydrogène pour le contrôle de la qualité du reformat, et le fonctionnement en atmosphère polluée (ANR PAN-H, 2006).

Ce projet de recherche de quatre ans a débuté en décembre 2006 et s’est poursuivi jusqu’en février 2010, avec une coordination effectuée par NEXTER Systems, groupe industriel de l’armement français. De nombreux partenaires industriels, tels que NEXTER, N-GHY et AIRBUS France, ainsi que des partenaires de recherche institutionnels comme ARMINES, FC-LABS, INRETS, LMFA et l'IFFI, ont été présents pour apporter leur savoir-faire et mener à bien l’ensemble du projet.

33 Le projet a été entrepris en collaboration avec les différents acteurs potentiellement impliqués dans une future industrialisation, NEXTER représentant le secteur militaire, AIRBUS le secteur de l’aéronautique, et l’INRETS les applications routières. Voici une brève description des différents systèmes énergétiques impliqués :

Figure 2.1: Principe de fonctionnement global GAPPAC®

A l’origine du projet, une production de puissance de 25 kW d’électricité par la pile à combustible est prévue. Le dégagement thermique de l’ensemble reformeur / pile à combustible est d’environ 33 kW thermique, dont 10 à 24 kWdisponibles pour la climatisation. Cette énergie thermique disponible peut être utilisée en fonction des besoins pour le conditionnement d’air, permettant ainsi une évolution attractive vers la trigénération. L’application de rafraichissement, vers 30°C pour les situations extrêmes, place l’adsorption en position favorable.

2.1.1 Le reformeur

Différents moyens d’alimentation d’une pile à hydrogène existent : soit l’alimentation en hydrogène se fait directement par un réservoir de stockage (production externe), soit l’hydrogène est produit directement au niveau du système pile par reformage en fonction des besoins. Ainsi, la possibilité d’éviter le stockage de l’hydrogène par un système de reformage embarqué à bord permet d’éviter les contraintes de volume, de stockage, de sécurité et d’approvisionnement. Le reformage multi-combustible permet de faciliter l’approvisionnement

Chapitre 2 : Conception de la pompe à chaleur à adsorption

34 en carburant ou biocarburant à travers le monde. Dans notre cas, le reformage externe est utilisé pour produire un gaz riche en hydrogène à partir d’un composé hydrocarboné (gazole) d’air et d’eau. Le vaporeformage d’hydrocarbures s’écrit de la forme générale suivante :

G+ 2kA→ m _A + 2kn A+ kA

Avec le gazole (C21H44) aux conditions stœchiométriques, nous obtenons : A'DD+ 42A→ 64 A+ 21A

Dans le cas d’un reformage externe, le combustible doit être purifié (présence de soufre), et la teneur en monoxyde de carbone du gaz arrivant à la pile doit être contrôlée pour un bon fonctionnement, d’où l’intérêt de développer des capteurs (non disponibles sur le marché) précis pour ce type d’application. Les travaux réalisés par ARMINES ont conduit à la mise au point d’un type de fonctionnement permettant de détecter de fortes teneur en CO (jusqu’à 4000 ppm), de manière réversible, et sans dégradation apparente de la pile (ANR PAN-H, 2006).

2.1.2 La pile à combustible à hydrogène

Figure 2.2 : Principe de fonctionnement d’une pile à combustible

Ce procédé permet la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique. Le principe de fonctionnement est décrit en figure 2.2. La pile est constituée de deux électrodes alimentées par une source d’hydrogène et une source d’oxygène (l’air) séparées par un électrolyte. A l’anode, l’hydrogène est oxydé selon la réaction suivante :

35 L’électrolyte de la PEMFC est une membrane polymère imperméable à l’hydrogène, ne laissant passer que les protons. Ainsi, les protons traversent la membrane et se combinent avec les ions oxygènes issus de la réduction de l’oxygène par les électrons du côté de la cathode. La réaction est la suivante :

4p_{+ 4e}(₊

A → 2A

Par conséquent, les électrons sont acheminés par le circuit externe en produisant un travail électrique. Cette réaction est exothermique, il y a donc dégagement de chaleur.

A+1_{2 A} → A0 + qere7 + .sℎ

Une pile à combustible PEMFC classique (également appelée PEFC : Polymère Electrolyte Fuel Cell) est de nos jours très utilisée pour des applications mobiles et stationnaires de moyennes puissances. Elle fait partie de la famille des piles à combustible basse température. Son principal inconvénient provient du besoin impératif d’utiliser de l’hydrogène de haute pureté. Il a été remarqué que la présence de contaminants comme le soufre ou le monoxyde de carbone créait des dégradations. De plus, sa température de fonctionnement étant de 50 à 80°C, l’évacuation de la chaleur à faible différence de température (avec l’ambiance) est plus difficile. La PEMFC HT utilisée pour le GAPPAC présente l’avantage de fonctionner à une température plus élevée, d'environ 180°C. Son refroidissement est donc plus aisé et, surtout, sa tolérance aux impuretés est plus grande.

2.1.3 Le système de climatisation du prototype

La possibilité de produire du froid à partir des sources chaudes de la pile à combustible permet d’envisager une application vers la trigénération, et ainsi d'améliorer les performances globales de la machine (Figure 2.1). Ce module de froid par adsorption est entièrement développé par l’IFFI et testé au laboratoire. L’objectif est d’évaluer les possibilités ainsi que les limites de la valorisation des rejets thermiques d’une pile à combustible embarquée sous contrainte de volume et de masse limités. Cette partie sera développée dans la suite de ce mémoire.