Influence des débits et pressions sur la puissance maximale d’une PàC

Influence des débits et pressions sur la puissance maximale d’une PàC

Les générateurs piles à combustibles (PàC), comme nous avons pu le voir au chapitre I, ont des performances qui dépendent fortement des conditions de fonctionnement liées à l’environnement dans lequel ils se trouvent. De plus, le pilotage de ces systèmes demeure délicat en raison du grand nombre de paramètres physiques mis en jeu. De ce fait, il n’est pas simple d’établir des relations entre les causes susceptibles d’avoir de l’influence sur le système (facteurs) et les effets mesurables (réponses), ni de découvrir s’il existe des interactions entre les facteurs. Dans ce contexte, la théorie des plans d’expériences permet d’atteindre une meilleure connaissance du comportement du système PàC, face aux différents facteurs qui sont susceptibles de le modifier et cela, par un minimum d’essais et avec un maximum de précision.  Nous présentons dans ce chapitre, en guise de première application de la méthodologie décrite dans le chapitre précédent à la PàC, un premier plan d’expériences destiné à étudier l’influence des débits et des pressions des gaz réactifs, hydrogène et air, sur la puissance et le rendement maximaux d’une pile PEM utilisée en mode régulation de pression.

PRESENTATION DE LA PILE

Les études présentées dans ce chapitre ont été réalisées sur une pile PEM, de puissance nominale 500W, fournie par le constructeur allemand ZSW. Cette pile est équipée de 20 cellules de 100cm², à membranes Gore (Gore MESGA Primea, série 5510). Le stack fonctionne à pression atmosphérique avec des surpressions dans les compartiments anode et cathode autorisées jusqu’à 500mbar. La pile est alimentée en hydrogène sec et en air humidifié (Tableau III- 1). Laboratoire de recherche en Electronique Electrotechnique et Systèmes (L2ES) et l’Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité (INRETS). Des éléments d’information détaillée du banc d’essai et de ses possibilités peuvent être trouvés dans un certain nombre de rapports et de communications, parmi lesquels : [Har01] [His05]. Nous nous contenterons ici d’une description relativement succincte des circuits hydrogène et air, qui nous intéressent au premier chef dans l’étude de l’impact des débits et pressions des réactifs sur la puissance et le rendement de la pile. L’hydrogène est détendu et régulé en débit en amont de la pile, à la sortie du circuit de distribution de la plateforme. La pression et la température sont alors mesurées au plus proche avant son admission dans le stack. A la sortie de pile, la température et la pression sont à nouveau mesurées. Une vanne de contre-pression située en aval de la pile (déverseur) permet la régulation de la pression mesurée en amont du stack. Enfin, le débit de sortie est mesuré après le passage du gaz dans un condenseur refroidi avec de l’eau de ville. Le synoptique du circuit de gestion de l’air est assez similaire à celui de l’hydrogène, sauf en ce qui concerne le système d’humidification et de contrôle de l’hygrométrie (Figure III- 1). Dans le cas où de l’air sec est utilisé, le circuit côté cathode est identique à celui de l’hydrogène.

Nous rappelons que l’étude d’un plan factoriel complet consiste à étudier toutes les combinaisons possibles des facteurs pris en considération dans l’expérience. Autrement dit, toutes les combinaisons de toutes les modalités des différents facteurs sont examinées. Le principal inconvénient d’une telle étude réside dans le nombre d’expériences, vite dissuasif lorsque le nombre de facteurs devient important. Cependant, son grand avantage est qu’aucun facteur n’introduit de biais dans le calcul des effets des autres facteurs. système et l’énergie fournie par ce dernier. Dans le cas de la PàC, l’énergie apportée peut être considérée, pour simplifier, comme étant l’énergie chimique contenue dans le gaz hydrogène entrant dans la pile (dans ce cas, l’énergie apportée lors du pré conditionnement des gaz réactifs ou pour le circuit de maintien en température de la pile n’est, par exemple, pas pris en compte). L’énergie fournie par la pile est la somme des énergies thermique et électrique délivrées. L’énergie électrique est facile à quantifier. Le produit du courant de pile (Istack) par la tension mesurée aux bornes du stack (Ustack) permet en effet de calculer la puissance électrique (Pel).