1.2 La pile à combustible PEMFC, une solution énergétique embarquée alternative
1.2.4 Système PEMFC et adaptations nécessaires pour une application au domaine aéronautique
1.2.4.1 Éléments d’un système PEMFC
De manière générale, une pile à combustible PEMFC est entourée d’un certain nombre d’auxiliaires pour optimiser son fonctionnement. Ceux-ci peuvent être classés en fonc-tions comme suit (Figure1.10) :
– Gestion de l’air (humidificateur, compresseur, stockage)
– Gestion de l’hydrogène (humidificateur, détendeur, stockage éventuel, gestion des purges)
– Gestion thermique (échangeur, pompe)
– Gestion électrique (convertisseur, interface avec une hybridation éventuelle) – Supervision et commande de l’ensemble, diagnostic.
L’ensemble formé par la pile à combustible et ses auxiliaires est nommé «système pile à combustible». Les rôles des auxiliaires sont multiples [25]. Le Tableau1.2 permet de donner un exemple des rôles associés aux principaux auxiliaires que l’on peut rencontrer dans un système pile à combustible. Le rendement de l’ensemble du système, qui prend en compte le rendement de chacun des auxiliaires, se situe entre 40 et 55% (alors que le rendement du cœur de pile seul peut atteindre plus de 60%). Cela est dû principalement au compresseur d’air, qui représente à lui-seul environ 80% de la consommation élec-trique des auxiliaires [17]. Comme mentionné dans la section1.1.4, ces auxiliaires doivent être judicieusement dimensionnés. Un optimum doit être trouvé entre contraintes d’in-tégration à bord d’un avion de ligne et bon fonctionnement de la pile à combustible.
Les différentes fonctions présentées ci-dessus interagissent avec la pile à combustible et engendrent des perturbations pour celles-ci. D’une part, les différents auxiliaires pos-sèdent tous une dynamique propre. Ils peuvent engendrer des retards de réponse dans
Chapitre 1 - 1.2. La pile à combustible PEMFC, une solution énergétique embarquée alternative la régulation des conditions d’entrée de la pile, surtout en cas de variations rapides de la consigne de courant spécifiques au domaine des transports. C’est le cas en particu-lier pour le compresseur et la pompe du circuit de refroidissement, car le changement de vitesse de rotation des moteurs n’est pas instantané. D’autre part, le système pile à combustible est un système hautement non linéaire, c’est-à-dire que la relation qui lie la tension de la pile au courant échangé n’est pas linéaire. Cela complexifie donc la régula-tion du système complet. Ces effets impliquent que les condirégula-tions locales du cœur de pile (température, pression, humidité relative, etc.) varient sans cesse et ne sont pas toujours idéales pour le fonctionnement de la pile.
FIGURE1.10 – Différentes fonctions de gestion des fluides et de l’énergie dans une pile à combustible, constituant le système PEMFC.
Ainsi, de par le seul fait d’intégrer la pile dans le système et son environnement, on crée des conditions plus ou moins favorables pour le bon fonctionnement de celle-ci. Cela peut donc impacter la durabilité du système complet, ce qui sera détaillé dans la section1.4.
Ch apit re 1 -1. 2. L a p ile à co m bu st ibl e P E M F C ,une solu tio n éner gétiqu e embar qu ée alter n at iv e
Fonction Composant Rôle
Gestion de l’air
Humidificateur Augmenter l’humidité de l’air entrant pour assurer une meilleure conductivité ionique du ionomère.
Compresseur Réguler, en débit et en pression, l’air (ou O2pur) dans la pile pour délivrer le courant demandé.
Vanne Contrôler la pression cathodique.
Gestion de l’hydrogène
Humidificateur Augmenter l’humidité de l’hydrogène entrant pour assurer une meilleureconductivité ionique du ionomère. Détendeur Réguler, en débit et en pression, l’hydrogène dans la pile pour délivrer le
courant demandé.
Vanne Contrôler la pression anodique, soit par purge, soit par un système de recirculation.
Gestion thermique Pompe
Assurer la circulation du liquide de refroidissement suivant le régime de contrôlée afin de ne pas dérégler la gestion de l’eau.
Radiateur /
échangeur Dissiper la chaleur.
Gestion électrique
Convertisseur DC/DC
Garantir une tension stable sur le bus continu de sortie de pile, car celle-ci est dépendante du courant.
Système de
stockage Stocker l’énergie électrique produite selon les besoins et la stratégie opératoire. TABLEAU1.2 – Principaux auxiliaires du système PEMFC et description de leurs rôles
Chapitre 1 - 1.2. La pile à combustible PEMFC, une solution énergétique embarquée alternative
1.2.4.2 Adaptations de l’utilisation du système PEMFC pour l’aéronautique
Avant tout, il convient ici d’insister sur le fait que la pile à combustible n’est pas consi-dérée dans cette étude comme une solution potentielle pour la propulsion d’un avion de ligne, mais bien comme un générateur pouvant fournir de l’électricité en vol et lors des phases au sol. En effet, les gammes de puissance demandées pour la propulsion concer-nant des vols commerciaux moyens et longs courrier (plus de 10 MW pour un Airbus A320) ne sont pas encore compatibles avec une propulsion électrique. Seuls des petits avions sans voyageurs font actuellement l’objet d’études sur la propulsion par ce biais (cf. section1.3).
Pour qu’une pile à combustible de type PEMFC soit effectivement pertinente pour as-surer une alimentation en électricité dans un avion, la multifonctionnalité de celle-ci doit être exploitée au maximum [13, 17, 26]. En effet, les contraintes de poids et de volume liées au système entourant la pile à combustible pénalisent le gain en matière de rende-ment de la conversion en électricité pure. Néanmoins, l’amélioration du renderende-ment total de la conversion peut se faire par la valorisation des sous-produits issus de la réaction chimique (chaleur, eau, mais aussi air appauvri en O2) [13]. Ces différents sous-produits peuvent permettre de remplir d’autres fonctions à bord de l’avion, augmentant la com-pétitivité de cette solution par rapport à d’autres choix technologiques :
– Valorisation de l’eau
Un système pile à combustible de 100 kW utilisé dans un avion de ligne a une capa-cité de production d’eau entre 40 et 50 L/h [17,27]. Cette eau peut être utilisée di-rectement pour alimenter les sanitaires de l’avion. De plus, sous réserve d’un traite-ment préalable (ajout de sels minéraux et filtrage), cette eau pourrait être aussi utili-sée comme eau potable pour la consommation des voyageurs (bouilloires/machines à café). Ce traitement étant toutefois plus complexe à mettre en œuvre que pour une utilisation directe dans les sanitaires, il n’est en général pas considéré dans une vi-sion à court-terme. Dans tous les cas, la valorisation de l’eau permettrait ainsi de réduire la quantité d’eau embarquée sur un avion et la taille des réservoirs pour la stocker car l’eau produite à bord serait directement consommée au cours du vol. Cela engendrerait alors un gain sur le poids total transporté ainsi que sur la quantité de kérosène consommée [13,21]. A titre d’illustration, certains vols longs-courrier embarquent actuellement des réserves d’eau allant jusqu’à 1700 L afin de couvrir les besoins des passagers pendant un aller et un retour car les normes d’hygiène pour l’eau dans les aéroports visités varient selon les pays [26]. L’eau produite par la pile pourrait donc éviter le transport de cette masse supplémentaire.
– Valorisation de la chaleur
La valorisation de la chaleur produite peut quant à elle être obtenue en l’utilisant pour le préchauffage des fours ou de l’eau chaude (bouilloires/machines à café). Une autre valorisation de la chaleur pourrait consister à utiliser cette énergie ther-mique pour le dégivrage des ailes de l’avion.
– Valorisation de l’air appauvri en O2
L’air appauvri en O2récupéré en sortie de pile (cathode) peut être utilisé pour réa-liser l’inertage du carburant de l’avion. L’inertage est un procédé qui permet d’aug-menter le seuil d’inflammabilité du Jet-A pour des raisons de sécurité. A l’heure ac-tuelle cet inertage est effectué par l’ajout d’un gaz supplémentaire (azote) dans le réservoir de kérosène. Utiliser l’air appauvri en O2en sortie de la pile permettrait de diminuer la masse d’azote embarquée à bord de l’avion ainsi que celle du système de stockage de l’azote [27].
Chapitre 1 - 1.3. État de l’art des systèmes de PEMFC embarqués pour une application aéronautique
Qu’il y ait valorisation ou non des sous-produits de la pile à combustible, l’utilisation d’une telle technologie permettrait également de réduire considérablement le bruit lié aux avions lors de leurs déplacements au sol. En effet, l’utilisation de l’APU au sol (mode taxi) génère un bruit important, alors que celui généré par la pile est négligeable. Rempla-cer l’APU par un système pile à combustible pour assurer sa fonction au sol représenterait donc un gain au niveau du bruit émis.
Après avoir passé en revue le contexte aéronautique et présenté plus en détail la pile à combustible PEMFC, la partie suivante permet de dresser un état de l’art des systèmes PEMFC embarqués pour une application aéronautique.