Piles à combustible et hydrogène : de nouvelles perspectives

Les régulateurs de débit et de pression jouent des rôles essentiels dans les démarches d’optimisation des applications de piles à combustible. Aujourd’hui, à l’heure de la transition énergétique et des engagements vers la réduction des émissions de CO2, la pile à combustible, associée au vecteur d’énergie hydrogène, revient au premier plan dans les domaines de la production d’énergie et des transports. Cette application fait l’objet de nombreuses recherches pour accroître la durée de vie des piles et surtout améliorer leurs performances et leur rentabilité.

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• Piles à combustible et hydrogène : de nouvelles perspectives
• Un vecteur d’énergie optimal des piles à combustible
• Piles à combustion PEM et SOFC : des solutions prometteuses
• Régulateurs de débit massique MC-Series Alicat Scientific pour contrôler la température d’une pile à combustible SOFC
• Déverseurs de pression Equilibar® Research Series pour optimiser les applications piles à combustible automobiles

Une pile à combustible, c’est quoi ? 

Le concept de pile à combustible est connu depuis le début du 19ème siècle. Les progrès de la science et de la technologie ont considérablement accru ses performances au cours de la deuxième moitié du 20ème siècle et lui ont ouvert de nouvelles perspectives industrielles.

Les piles à combustible présentent de multiples avantages : compacité, lancement quasi immédiat, faible niveau sonore, rendement supérieur à 50%…

Une pile à combustible est un appareil électrochimique qui produit de l’électricité sans combustion.
Ce dispositif de conversion d’énergie combine le combustible et l’air pour produire l’énergie électrique. De par la nature de sa réaction électrochimique, une pile à combustible peut être plus de deux fois plus efficace qu’un moteur à combustion interne.

Hydrogène : le défi de produire un vecteur énergétique propre

Les enjeux de développement du vecteur d’énergie hydrogène résident à la fois dans des coûts de production et d’investissement élevés et dans les défis environnementaux liés à la transition énergétique. 

L’hydrogène est principalement un vecteur énergétique et rarement une énergie en tant que telle. Une autre source d’énergie est nécessaire à sa production. Pour des raisons économiques, il est encore issu à 95 % de la transformation d’énergies fossiles (méthanol, produits pétroliers, gaz naturel), dont pour près de la moitié à partir du gaz naturel.

La production d’hydrogène « vert », un moyen de tendre vers la neutralité carbone, est au coeur des défis environnementaux et industriels.

Lire l’article sur Tout savoir sur l’hydrogène publié par IFP Energies nouvelles.

Un levier en faveur de la neutralité carbone 

La filière hydrogène est séduisante pour le développement d’applications variées : applications stationnaires ou de mobilité électrique, notamment pour l’industrie automobile, petits générateurs portables…
On lui promet un avenir brillant mais des défis restent à relever. Ils résident dans les coûts de production et d’investissement, dans la maîtrise des risques associée à l’utilisation de l’hydrogène (inflammabilité et explosivité), dans le manque d’infrastructures de ravitaillement et de compétitivité face à l’énergie thermique.

La filière trouve aujourd’hui des perspectives de développement dans l’ambition zéro carbone :

• A l’échelle européenne, 30 industriels de l’énergie se sont récemment associés au sein de “HyDeal Ambition”, préfigurant la future filière européenne d’hydrogène totalement vert à 1,5 €/kg. Voir le Dossier de presse sur le site de GRT-GAZ

• Les pouvoirs publics apportent un soutien croissant pour la production d’hydrogène « vert » produit à partir de l’électrolyse de l’eau. En France, 7 milliards d’euros sont consacrés au soutien de la filière « Hydrogène décarbonné » à l’horizon 2030, dont 2 milliards dans le cadre du plan de relance. 

Le vecteur d’énergie optimal des piles à combustible 

Les avantages des piles à combustible à hydrogène s’inscrivent à la fois dans des perspectives de rendement électrique et énergétique élevé et de réduction des émissions de CO2.

Comment fonctionne une pile à combustible à Hydrogène ?

Une pile à combustible à hydrogène produit de l’électricité, de l’eau et de la chaleur directement à partir d’hydrogène et d’oxygène. L’hydrogène, combiné à l’oxygène (de l’air), produit de l’énergie électrique. Ce processus de conversion est inoffensif pour l’environnement : les sous-produits émis sont de l’eau et de la chaleur. Les piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques comme des batteries. Par contre, elles n’ont pas besoin d’être rechargées et fonctionnent tant qu’elles sont alimentées en carburant. Sur le plan environnemental et rejets, l’hydrogène est le vecteur d’énergie optimal pour les piles à combustible. 

Piles à combustion PEM et SOFC : des solutions prometteuses

De nombreux systèmes de piles à combustion ont été développés. La nature de leur électrolyte, (composé qui permet le passage du courant électrique par déplacement d’électrons) et de leurs matériaux de coeur les distinguent en plusieurs familles.

Parmi les solutions les plus prometteuses : 

• La pile à hydrogène « PEM » (Proton Exchange Membrane)

Elle transforme l’énergie chimique, libérée par la réaction entre de l’hydrogène et de l’oxygène, en énergie électrique, formant ainsi des molécules d’eau. Pour que cette pile fonctionne, la membrane qui compose l’électrolyte, doit conduire les protons hydrogène sans conduire les électrons. Cette membrane est le cœur de la pile à combustible. Il est nécessaire de la préserver pour permettre le bon fonctionnement de la pile. Le contrôle de la température de fonctionnement de la pile, de la pression des gaz ainsi que l’hydratation de la membrane permettent d’augmenter sa conductivité ionique.
Les véhicules à hydrogène et les générateurs électriques utilisent ce type de piles.

• La pile à oxyde solide « SOFC » (Solid Oxyde Fuel Cell)

Elle est constituée d’électrodes en couches de céramiques poreuses et d’un électrolyte imperméable au gaz, isolant électrique, composé le plus souvent de matériaux polymères contenant des métaux nobles (zircone, yttrium, scandium). Ces matériaux, à forte empreinte environnementale, déterminent sa performance mais sont un frein à la compétitivité de ses coûts de fabrication. Les recherches portent sur l’optimisation de la nature des matériaux constituant les électrodes mais également sur l’abaissement de la température de fonctionnement. En effet, les piles SOFC fonctionnent à haute température, entre 700°C et 1200°C avec un temps de démarrage important. C’est pourquoi le contrôle de la vitesse d’élévation de la température et l’utilisation de régulateurs de débit massique adaptés et précis permettent de préserver les piles à combustion SOFC pendant le cycle de démarrage. 
Grâce à son bon rendement, la pile à combustion SOFC est plutôt utilisée en stationnaire dans l’industrie, notamment en cogénération. Elle a l’avantage de permettre la réformation des gaz et la valorisation de la chaleur. 

En savoir plus sur les différents types de piles à combustible sur le site de l’Afhypac

Régulateurs de débit massique MC-Series Alicat Scientific pour contrôler la température d’une pile à combustible SOFC

Les systèmes de piles à combustible intègrent des dispositifs de contrôle du débit massique destinés à réguler soit : 

• le débit de gaz combustible dans le reformeur (dispositif permettant de convertir le combustible en hydrogène et CO2).
• Le débit d’hydrogène et d’air ou d’oxygène directement dans l’assemblage (dans le cas des systèmes directement alimentés à l’hydrogène). 

Maîtriser la phase de préchauffage par le contrôle de débit

Les piles à combustion SOFC fonctionnent autour de 1 000°C et nécessitent un préchauffage avant le début de la production d’électricité. Elle sont particulièrement vulnérables aux fissures créées par un chauffage irrégulier ou une vitesse de chauffage trop élevée au démarrage. Il est courant que des dysfonctionnements dans les équipements auxiliaires entraînent des dommages importants et irréversibles.

Le contrôle de la vitesse d’élévation de la température est donc un facteur critique pour éviter d’endommager la pile à combustible lors du passage de la température ambiante à la température de fonctionnement. Les contrôleurs de débit massique Alicat Scientific fournissent un contrôle très rapide et très précis. Ils permettent de protéger les piles SOFC des dommages transitoires thermiques pendant le cycle de démarrage.

Précision et vitesse des régulateurs de débit massique MC-Series (Alicat Scientific)

Les régulateurs de débit Alicat Scientific MC-Series fournissent une régulation optimale de la température. Leur efficacité s’illustre dans des test réalisés sur les piles à combustible SOFC.

• Lorsqu’ils sont pilotés par des signaux de point de consigne RS-232, les contrôleurs Alicat peuvent être incrémentés par une valeur allant jusqu’à 1/64 000 du débit à pleine échelle. Cela permet de procéder à des ajustements minutieux de la quantité de carburant brûlé par unité de temps. En surveillant directement la température du module, l’ordinateur de contrôle peut maintenir le profil température / temps fluide et maintenir la bonne voie. 
• La bande passante très élevée inhérente à tous les contrôleurs Alicat permet de répondre rapidement aux transitoires de pression d’alimentation en gaz combustible. Les contrôleurs de débit massique Alicat lisent le débit et ajustent la vanne de régulation environ 1000 fois par seconde. De cette manière, les transitoires de pression de carburant (tels que ceux que l’on pourrait rencontrer lorsque le reformeur est initialement chargé) sont rapidement compensés. La réponse typique à des changements progressifs du débit est plus rapide que 50 millisecondes.

Voir les spécifications techniques : en français – en anglais

Déverseurs de pression Equilibar® Research Series pour optimiser les applications piles à combustible automobiles

Au cours de tests de recherche sur des piles à hydrogène, le déverseur de pression Equilibar® Research Series a fait ses preuves. Grâce à un contrôle très précis, il permet d’optimiser les conditions de procédé.

Améliorer l’empreinte environnementale et les coûts des catalyseurs

À l’Université Charles de Prague en République tchèque, la recherche sur les piles à combustible s’efforce de développer des catalyseurs améliorés. L’objectif est de réduire la teneur en métaux nobles pour minimiser directement le coût de l’alimentation électrique et utiliser des matériaux plus respectueux de l’environnement.
Cette recherche fait partie des efforts internationaux vitaux visant à développer des catalyseurs environnementaux améliorés pour les piles à combustible automobiles. 

Des chercheurs de l’Université ont utilisé avec succès un déverseur de pression Equilibar® combiné à un régulateur de pression électronique pilote Proportion-Air pour fournir un contrôle précis de la pression d’anode et de cathode de la pile à combustible dans une large gamme de conditions de test.

La démarche d’optimisation des performances d’une pile à combustible est étroitement liée aux conditions de fonctionnement du procédé en situation réelle, sous un contrôle rigoureux. 

• Pour changer la stœchiométrie (calcul des quantités de matière, réactifs ou produits, qui participent à la réaction chimique) d’un cas à l’autre, les chercheurs font varier les débits cathodiques et anodiques en fonction du courant fourni par la pile à combustible. 

• Une autre restriction pour les applications de piles à combustible automobiles est que les réactifs sont fournis à une pression supérieure à la pression atmosphérique afin d’augmenter les performances. Cette pression élevée exige un déverseur de pression extrêmement performant dans tout programme de recherche ou de test.  

Un régulateur de pression qui répond à des exigences très strictes

Pour obtenir la stabilité requise, les chercheurs de l’Université Charles ont précisé que le régulateur devait répondre à une série d’exigences rigoureuses :

• présenter une stabilité élevée et fonctionner sur une large gamme de débits de l’ordre de dizaines à milliers de millilitres /minute. 
• résister à l’humidité à des températures élevées (généralement près de 100% d’humidité relative à 80°C;
• Être capable de gérer un fonctionnement en phase mixte lorsque de la condensation se produit dans les tuyaux. De nombreux modèles sur le marché sont incapables de traiter les applications biphasiques, qui sont encore compliquées par des passages de liquide entrant dans le régulateur provoquant une hausse soudaine du coefficient de débit requis (Cv) de l’appareil. 
• Maintenir une pression stable sur la pile à combustible dans des conditions de test lorsque le débit de réactif est nul, au cours du contrôle d’étanchéité de l’assemblage de la pile à combustible. 
• Permettre le contrôle électronique du déverseur de pression à l’aide d’un signal analogique. 

Pour répondre à ces exigences, les chercheurs de l’Université Charles se sont tournés vers Equilibar®, fabricant reconnu dans le contrôle de pression de haute précision. Ensemble, les chercheurs et les ingénieurs d’Equilibar ont sélectionné le déverseur de pression EB1LF1 en Inox 316 avec une membrane en PTFE /verre. Ce déverseur fait partie de la série Research d’Equilibar®.

Pourquoi avoir choisi la série Research d’Equilibar® ?

• Compatibilité chimique avec les gaz de procédés, y compris l’hydrogène et l’oxygène purs. 
• Résistance à l’humidité. 
• Capacité à fonctionner à température élevée. 
• Performances stables avec un fonctionnement en phase mixte. 
• Aucune dérive à partir du point de consigne de pression requis sur une large plage de débits. Un régulateur de pression manuel ou un régulateur de pression électronique contrôlé par un ordinateur peut transmettre la pression du dôme de l’EB1LF1. Les chercheurs de l’Université Charles ont choisi d’utiliser un régulateur de pression électronique Proportion Air (modèle QPV1), étalonné de 0-10 VDC soit 0 à 2 bar relatifs. 

Deux régulateurs de débit massique contrôlent le débit d’alimentation à la fois du côté anode (hydrogène) et du côté cathode (oxygène) de l’éprouvette de la pile à combustible. Les déverseurs de pression Equilibar® contrôlent les échappements de l’anode et de la cathode. Les deux instruments partagent une pression pilote commune en provenance du régulateur de pression électronique.

Le même régulateur de pression électronique pilote les deux déverseurs de pression : les chercheurs ont l’assurance que les deux conduites agissent sur le même signal de pression. Cela a permis de simplifier et d’automatiser la procédure de test des piles à combustible. Cette solution est en service depuis sa mise en œuvre à l’automne 2013. Les chercheurs ont acheté deux unités supplémentaires en février 2014.

Pour plus de renseignements, des conseils adaptés à vos besoins, contactez-nous !

Frédéric Buskowa – Directeur
 +33 475548605
 fbuskowa@systemc.pro

Mohamed Boussmen – Technico-commercial
 +33 426783990
 mboussmen@systemc.pro

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