La pile à combustible à membrane électrolyte polymérique (PEMFC)

La pile à oxyde solide(SOFC)

Le principe de fonctionnement des SOFCS est basé sur le mécanisme suivant : l’oxygène est dissocié à la cathode en O2-, puis l’anion migre à travers l’électrolyte conducteur ionique à haute température et va se combiner à l’anode avec l’hydrogène, ou le monoxyde de carbone, pour former de l’eau et libérer des électrons. Les réactions mises en jeu sont les suivantes : A l’anode: 2H2 +2O2- 2H2O + 4e- (I-12) A la cathode: O2 + 4e- 2O2- (I-13) La caractéristique principale des SOFCS réside donc dans leur température de fonctionnement (600 à 1 000°C) nécessaire à l’obtention d’une conductivité ionique suffisante de l’électrolyte céramique. Cette température présente un double avantage. Elle permet d’abord l’utilisation directe d’hydrocarbures, qui pourront être facilement reformés se passant de catalyseur à base de métaux nobles. Elle produit d’autre part une chaleur élevée facilement exploitable en cogénération, le rendement pouvant atteindre ainsi 80%. Mais elle présente également un inconvénient, la mise en température est longue et complique tout utilisation à cycles courts et répétitifs (comme dans le cas de transport). Pour ces raisons, la technologie se prête particulièrement bien à la production d’électricité décentralisée et à la cogénération (domaines couvrant des puissances allant de 1KW à quelques dizaines de MW). Grâce à son fort rendement et sa capacité potentielle à fonctionner directement avec des hydrocarbures liquides, elle trouvera également un débouché dans la propulsion navale. La mise au point de ce type de pile, de par sa haute température de fonctionnement et la résolution des problèmes thermomécaniques de tenue de matériaux est assez complexe. Une des particularités de la SOFC et son électrolyte solide, habituellement du zirconium(Zr2) dopé d’une mole de 8 à 10% d’ytterbium (Y3+), lequel joue le rôle de conducteur pour l’anion oxygène (O2-). Les SOFCS peuvent être de conceptions planes, monolithique et tubulaires, et utiliser de l’acier inoxydable, de l’acier austénitique, des matériaux céramiques selon les températures de fonctionnement et l’électrolyte désiré.

Modélisation de la pile SOFC

Le but de ce chapitre est de présenter le modèle adopté pour rendre compte des phénomènes physiques au sein de la pile. La première partie du chapitre est dédiée aux principes de modélisation appliqués concernant les domaines chimique, thermique et électrique. La deuxième partie concerne l’application de la modélisation à la pile SOFC. Les modélisations chimique et thermique de la pile à combustible sont basées, sur leur analogie formelle avec le domaine électrique. La température est similaire à la tension et le flux de chaleur est similaire au courant. Deux sources de chaleur au sein de la cellule sont considérées : les sources de chaleur endothermiques ou exothermiques produites par les réactions chimiques et les sources de chaleur d’origine ohmique. Par ailleurs, la pression est similaire à la tension et le débit est similaire au courant. L’application de cette analogie offre la possibilité de représenter des lois physiques au sein d’un système avec des circuits électriques. L’utilisation d’une telle représentation permet l’utilisation de différents techniques du domaine électrique : mise en série ou en parallèle des modèles chimiques et thermiques, réalisation des régulations de grandeurs chimiques ou thermiques à l’aide des méthodes utilisées dans l’automatique (ex : compensation des pôles), facilité et flexibilité d’intégration de modèles développés dans un modèle global (couplage de pile ou pile associée au convertisseur). La modélisation électrique traduit les phénomènes électrochimiques de chaque pile. Le modèle électrique de la SOFC est basé sur la tension réversible de Nernst et les différentes chutes de tension.

Application à la modélisation de la SOFC : Le modèle général de la pile SOFC est composé de trois sous-modèles : thermique, chimique et électrique. La figure ci-dessous montre l’interaction des différents modèles. Le modèle électrique sert à calculer la tension de la pile. Il est basé sur l’équation de Nernst et le calcul des différentes surtensions. Basé sur une analogie électrique chimique, le modèle chimique sert à calculer les débits de gaz dans l’anode et la cathode et les pressions partielles des gaz au niveau des électrodes en rendant compte des pertes de charges dans les couches de diffusion. Le modèle thermique s’appuie sur une analogie électrique. Seule une cellule SOFC a été modélisée et on considère que le comportement thermique d’une cellule est similaire à celle d’un stack. Les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement sont pris en compte. En raison de dynamiques très différentes, la modélisation se fait en deux étapes, la première étape est la modélisation thermique dont la dynamique est Les températures calculées (anode cathode, électrolyte…) sont introduites comme entrée des modèles fluidique et électrique. La deuxième étape consiste à calculer les débits et les pressions partielles dont les constantes de temps sont plus rapides. Enfin la tension de la pile est calculée par une expression quasi-statique [8].

Simulation de la pile SOFC

La simulation et les modèles mathématiques sont certainement utiles pour le développement de divers dispositifs de production d’électricité, cependant, ils sont encore plus importants s’agissant du développement de cellules de carburant. Ceci est dû à la complexité des cellules et des systèmes basés sur eux, et à la difficulté de la caractérisation expérimentale de leur fonctionnement interne. Cette complexité peut être expliquée par le fait que dans la cellule de carburant, les réactions électrochimiques sont étroitement couplées, et également par le fait que la conduction électrique, la conduction ionique, et le transfert thermique ont lieu simultanément. C’est pourquoi une étude complète des cellules a besoin d’une approche multidisciplinaire. La simulation de ces cellules nous permet de focaliser les recherches expérimentales à améliorer l’exactitude des interpolations et les extrapolations des résultats. En outre, les modèles mathématiques peuvent servir d’outils valables à la conception et à l’optimisation des systèmes de cellules de carburants. Des simulations sont effectuées sur des divers systèmes en utilisant divers logiciels. Nous nous intéressons dans ce chapitre au procédé de simulation effectué sur le système de la pile SOFC en utilisant MATLAB /SIMULINK. Le but de cette simulation est d’estimer la cellule de carburant nécessaire à la production d’une tension correspondant à une charge donnée et l’évolution de la puissance et des différentes pressions en fonction de la densité du courant.

Résultats de simulation sous MATLAB : La figure III-1 montre une courbe de polarisation de la pile à combustible SOFC. On constate que la caractéristique débute avec une tension à vide à courant nul. Le courant de la pile commence à augmenter, une baisse soudaine de la tension est observée. Cette baisse de tension de cellules est due à la perte de tension d’activation et aux parasites qui sont causés par la vitesse de la réaction électrochimique. A faible densité de courant, les pertes d’activation non-linéaire contribuent à l’évolution descendante de la courbe V(i). En valeur absolue, les pertes d’activation demeurent les plus importantes. On constate une diminution presque linéaire de la tension de cellules et une augmentation du courant au delà de certaines valeurs, cette diminution est le résultat de la perte ohmique causée par les résistances électriques des composants de la pile. Ces pertes sont directement proportionnelles à la densité de courant qui deviennent ensuite prépondérantes dans l’évolution de la tension et cela sur une large gamme de densité de courant. Enfin, aux hautes densités de courant, les pertes dues à la concentration expliquent l’augmentation de la chute de tension de sortie Vcell jusqu’à atteindre la valeur nulle correspondant à une densité de courant limite ilimit. Ces pertes de concentration résultent de la limitation de la diffusion des protons à travers la membrane. Ces pertes sont dues aux pertes électrochimiques existant dans la pile à combustible.

Les besoins de production d’énergie électrique sont de plus en plus nécessaires, C’est ainsi que durant ces dernière années, l’utilisation des énergies renouvelables comme le photovoltaïque et l’éolien est en forte croissance. Mais ces systèmes doivent être hybridés avec d’autre sources d’énergie comme l’hydrogène qui peut être produit par électrolyse, puis stocké et enfin réutilisé par une pile à combustible pour produire de l’énergie électrique verte. La production d’hydrogène par des moyens autonomes comme le couplage aux énergies renouvelables ou le reformage apporte des réponses propres, fiables et plus économique à cette nouvelle technologie. Le principal objectif de notre mémoire était d’étudier et de modéliser une nouvelle source d’énergie renouvelable et propre qui est la pile à combustible. Bien cette dernière présente des capacités à même de provoquer une évolution dans le domaine énergétique, il reste néanmoins de nombreux problèmes à résoudre avant d’envisager son développement et sa commercialisation à grande échelle. Dans le cadre de notre travail, un outil de modélisation à été mis en oeuvre pour les piles SOFC grâce à l’analogie entre les domaines électrique, thermique et chimique, cette manière de procéder constitue un outil simple, évolutif et efficace. Grâce à cette modélisation, une simulation a été effectuée à température constante dans le but d’obtenir les différentes caractéristiques et l’influence des paramètres étudiés sur les performances de la pile à combustible SOFC. Bien que plusieurs voies de recherche sur les piles à combustible n’en soient qu’à un stade préliminaire, il est nécessaire de conduire des études de sûreté dès les premières phases de conception.