pile à combustible
4.1.2 Système pile à combustible avec reformeur embarqué
Les questions de la production, du transport et de la distribution de l’hydrogène - qui demandent plus de précautions que pour les carburants classiques - restant posées, l’intégration d’un reformeur à bord du véhicule semble être une solution viable pour une industrialisation dans les dix prochaines années. Il est en effet peu probable qu’un réseau suffisamment dense de stations-service à hydrogène soit mis en place d’ici là. Ce constat a amené Renault - comme Toyota en 1997 avec son premier prototype FCHV avec reformeur de méthanol - à explorer la voie du reformage embarqué, parallèlement aux études de Nissan sur l’hydrogène direct. Cette fois, l’hydrogène n’est plus stocké dans un réservoir à haute pression, mais produit dans le véhicule même, à l’aide d’un reformeur : il s’agit d’une centrale chimique qui permet de transformer un combustible (éthanol, gaz naturel, essence, gazole, biocarburants, carburants de synthèse) en un mélange gazeux riche en hydrogène (reformât), [5].
Cette solution introduit certes un système supplémentaire, assez complexe de surcroît, et entraîne une légère dégradation du bilan environnemental du véhicule : la transformation de l’hydrocarbure en hydrogène s’accompagne d’émissions deCO2et de polluants, à des niveaux relativement faibles. Mais elle présente des avantages non négligeables : propriété multicarburant (voir [6]), acceptabilité du client pour des carburants liquides, utilisation de l’infrastructure de distribution existante, pas de rejet de parti-cules, autonomie supérieure à 600 kilomètres...
4.1 Revue des principales architectures du groupe motopropulseur avec pile à combustible
Les principaux constructeurs (General Motors, DaimlerChrysler ou Toyota) ont abandonné officiel-lement la solution du reformage, au motif qu’avec un reformeur, le véhicule à pile à combustible n’est plus une voiture "zéro pollution" (Zero Emission Vehicle, ZEV). En effet, en terme de rendement glo-bal, il est reconnu qu’il est plus avantageux de produire de l’hydrogène en grande quantité, de manière centralisée, plutôt qu’à petite dose dans une application automobile.
Au final, si la technologie du reformage est déjà répandue dans l’industrie chimique et semble pro-metteuse pour l’automobile, elle doit encore satisfaire un certain nombre de conditions préalables et impératives pour rendre les voitures à pile à combustible utilisables à court terme avec les stations-service actuelles : masse, compacité, rendement, gestion des transitoires (temps nécessaire pour produire la quantité d’hydrogène requise en cas d’accélération), pureté de l’hydrogène (notamment la faible te-neur en monoxyde de carbone : produit du reformeur et poison pour la pile), contrôle, température de fonctionnement, temps de démarrage, durée de vie, coût...
FIG. 4.7 – Système pile à combustible avec reformeur embarqué
Dans le cas où un reformeur est utilisé, la pile est alimentée par un carburant riche en hydrogène. Suite à des réactions chimiques, l’hydrogène est libéré sous forme atomique. Les divers procédés chimiques mis en jeu nécessitent des conditions particulières de température, de pression et de stoechiométrie. Afin d’assurer ces conditions la pile est entourée de plusieurs auxiliaires :
– Le reformeur qui convertit le carburant en gaz riche en hydrogène.
– Le système d’air qui régule le niveau de pression et alimente la pile en comburant – Le circuit de refroidissement qui régule les températures et améliore le bilan d’eau L’ensemble de la pile et de ses auxiliaires est appelé groupe moto-pulseur (4.8)
Refomeur Syst`eme d’air eau Circuit de refroidessement FC Carburant DC/DC Batterie Chaine de Traction Roue
FIG. 4.8 – Schéma simplifié du groupe motopropulseur.
Les piles à combustible sont principalement élaborées à partir d’un empilement de cellules élémen-taires. Chaque cellule représente un générateur électrochimique comme le montre la figure 3.1 . Elle est branchée en série avec ses voisines, et leur alimentation en réactifs se fait en parallèle. Cet empilement se répète dans une seule direction pour la technologie PEM contrairement à la technologie SOFC qui voit ses cellules se répéter dans les trois directions de l’espace (cas de la technologie tubulaire). Chaque cellule est composée alors d’une plaque bipolaire, d’électrodes sur lesquels est déposé le catalyseur et d’un électrolyte (figure 4.9). La cellule se voit traversée par des conduites d’acheminement de combus-tible (Hydrogène) et de comburant (Air). Quant au refroidissement des cellules, il est assuré grâce aux plaques bipolaires. En effet, les plaques distributrices représentent les frontières entre deux cellules élé-mentaires. Elles interviennent dans :
– la séparation des réactifs entre deux cellules ;
– la distribution des gaz à l’aide de canaux ou par l’intermédiaire de poreux ; – l’évacuation l’eau produite et des gaz non consommés ;
– les liaisons électriques entre les cellules ; elles jouent le rôle de conducteur électronique entre l’anode productrice d’électrons et la cathode consommatrice ;
– le refroidissement de la pile à combustible.
La description des phénomènes peut être réalisée sur la plus petite géométrie correspondant à un en-semble d’élément répétitif (cellule élémentaire). Pour simplifier les notations, nous décrivons unique-ment la géométrie d’une cellule unité sachant que l’extension au stack (groupe de cellule) peut se faire avec peu de difficultés.
4.1 Revue des principales architectures du groupe motopropulseur avec pile à combustible
FIG. 4.9 – Représentation d’une cellule élémentaire.
FIG. 4.10 – Photo d’une des piles à combustible du projet RESPIRE
La pile à combustible transforme l’énergie chimique en énergie électrique. Cette transformation se fait grâce à deux réactions : la réaction d’oxydation de l’hydrogène et la réaction de réduction de l’oxy-gène. Les produits de réaction sont, pour toutes les technologies, de l’eau. Dans le cas d’une pile PEMFC, on peut écrire les réactions à l’anode et à la cathode :
H2 −→ 2H++ 2e− réaction à l’anode
1
2O2+ 2H
++ 2e− −→ H2O réaction à la cathode
La réaction globale s’écrit :
1
2O2+H2 −→ H2O+Electricité+Chaleur
Il faut noter que tout en produisant de l’énergie électrique et des produits de réaction, les réactions qui ont lieu dans la pile à combustible produisent également de la chaleur. La quantité de chaleur dégagée par les réactions chimiques doit être évacuée afin d’assurer le bon fonctionnement de la pile, d’augmenter sa durée de vie et d’améliorer le rendement global du système pile à combustible.
L’eau constitue un réactif principal de la procédure de reformage de l’hydrogène. Pour fournir la quantité d’eau nécessaire, des condenseurs et des séparateurs sont répartis le long de la circulation des gaz dans le groupe motopropulseur.
Pour des raisons de durée de vie, les technologies actuelles de piles imposent que les températures des gaz à l’entrée de la pile soient asservies sur la température de la pile (10◦de tolérance).
La figure 4.11 illustre comment l’énergie chimique fournie à la pile se répartit entre puissance électrique utile et chaleur. Vcell 0 j E0 Eocv