Sous système air

1.1 1.2 1.3 Tension de la cellule (V) Pertes totales U rev=1.23 V

Figure 1.5  Courbe de polarisation typique d'une cellule PEM.

Si la prise en compte des phénomènes de surtension d'activation et de pertes ohmiques est explicite dans ces équations, les pertes par diusion sont liés à des phénomènes de transport, qui impactent les pressions partielles des gaz.

Les équations (1.6) et (1.7) mettent ainsi en avant le lien entre les conditions opé-ratoires et la tension de la cellule. Les diérentes pressions partielles des gaz et la tem-pérature contribuent directement à la réponse en tension de la cellule ou du stack, au même titre que le courant délivré. La Figure 1.6 illustre ainsi la variabilité de la tension pour des pressions et st÷chiométries diérentes. On peut remarquer dans le cas d'une st÷chiométrie variable que cela inuence directement la densité de courant maximale, ce qui impacte la puissance maximale de la pile. La Figure 1.7 montre ainsi l'évolution de la densité de puissance de la pile en fonction de la densité de courant pour des pressions diérentes. On remarque ainsi qu'une pression élevée permet d'augmenter la puissance fournie par la pile, au détriment cependant de la consommation des auxiliaires et du compresseur en particulier. L'existence de plusieurs jeux de conditions opératoires pour une même puissance peut aussi améliorer le temps de réponse du système, en exploi-tant les dynamiques de chacune des conditions opératoires. Le choix de l'architecture des diérents sous-systèmes ainsi que de leurs auxiliaires joue donc un rôle essentiel pour les performances du système par leur inuence sur le domaine de conditions opératoires accessibles ainsi que la dynamique des diérentes conditions opératoires.

1.2.2 Sous système air

Le rôle du sous système air est de réguler le débit, la pression et de conditionner l'hygrométrie de l'air. En particulier, le débit d'air doit être régulé en fonction du courant

1. L'hydrogène et la mobilité 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Densité de courant (A cm^-2) 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Tension cellule (V) 1.1 bar 1.3 bar 1.5 bar 1.7 bar 1.9 bar 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Densité de courant (A cm^-2) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tension cellule (V) 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Figure 1.6  Évolution de la courbe de polarisation en fonction de la pression (à gauche) et de la st÷chiométrie oxygène (à droite).

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Densité de courant (A cm^-2) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Densité de puissance (W cm -2) 1 bar 1,5 bar 2 bar 2,5 bar 3 bar

Figure 1.7  Évolution de la densité de puissance de la pile en fonction de la densité de courant pour des pressions diérentes.

délivré par la pile et de la st÷chiométrie choisie selon l'équation : ˙n_air,in = n_cell ¹

X_O2,atm^StO2

I

4F (1.8)

avec

n_cell le nombre de cellules du stack,

1.2. Les systèmes pile à combustible PEM

St_O2 la st÷chiométrie de l'oxygène.

La st÷chiométrie (oxygène ou hydrogène) correspond à la quantité de gaz injectée par rapport à la quantité de gaz consommée par la réaction. On peut l'écrire, par exemple pour l'oxygène :

St_O2 = ^nO2,in

n_O2,cons (1.9)

Pour une application automobile qui demande une puissance de l'ordre de la dizaine de kW , l'aspiration naturelle n'est pas susante pour assurer le débit nécessaire au fonctionnement à fort courant. Le recours à un compresseur est alors indispensable. Étant donné la complexité et le coût pour réaliser un compresseur qui soit capable de fonctionner à fort débit avec un taux de compression allant jusqu'à 3 : 1, une vanne de contre-pression en sortie de stack est normalement utilisée pour réguler la pression. Le compresseur est alors choisi pour son taux de compression au débit maximal envisagé. Les pertes de charge au sein de la ligne, les caractéristiques intrinsèques du compresseur et la vitesse de propagation de l'air qui induit un retard rendent complexe le pilotage de la pression et du débit. Une approche découplant ces deux variables est impérative pour atteindre les objectifs de temps de réponse évoqués précédemment [29].

L'humidication de l'air est nécessaire pour hydrater la membrane et ainsi

augmen-ter les performances de la pile, la résistance ohmique de la membrane Rm se réduisant

avec son hydratation par exemple (équation (1.5)). L'eau générée par la pile n'est pas susante pour hydrater la membrane, surtout en entrée de cathode si de l'air sec est injecté. L'utilisation d'un humidicateur est donc nécessaire, qu'il soit passif ou actif. Le système passif est un échangeur à membrane entre l'air sec entrant dans la pile et l'air humide en sortant. Cela permet d'homogénéiser l'hydratation de la cathode tout en maximisant l'utilisation de l'eau produite. Ce système a l'avantage de ne pas consommer d'électricité même si l'humidité de l'air entrant est dicilement contrôlable puisque ces humidicateurs passifs sont souvent dimensionnés pour un point de fonctionnement pré-cis [16]. L'usage d'humidicateurs actifs permet de contrôler l'humidité de manière plus précise, au prix d'une consommation électrique et d'une complexication de l'auxiliaire [56].

An de découpler le débit d'air entrant de la st÷chiométrie en oxygène et du courant, une boucle de recirculation de l'air sortant vers l'air entrant peut être mise en place. Cette solution s'appelle EGR pour Exhaust Gas Recirculation. L'air sortant, appauvri en oxygène et chargé en humidité, est mélangé à l'air entrant sec. Le taux de mélange,

1. L'hydrogène et la mobilité

ou taux de recirculation, permet alors de contrôler l'humidité sans avoir recours à un humidicateur, qui est en général volumineux [52]. De plus, la st÷chiométrie en oxygène peut être ajustée indépendamment du débit d'air. Il est ainsi possible d'agir sur la tension cellule par le biais de la pression partielle d'oxygène [44]. Il est à noter que la recirculation nécessite une pompe pour élever la pression de sortie à la pression d'entrée de pile. Cette architecture est représenté en Figure 1.8.

Figure 1.8  Exemple d'architecture avec recirculation cathodique, aussi appelé EGR.