Maquette pédagogique de pile à combustible

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1 Maquette pédagogique de pile à combustible Jérome Bernard*, Jean-Paul Bécar**, Laurent Vermeiren* Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis Institut Universitaire de Technologie Département GEII Le Mont-Houy Valenciennes Cedex 9 *LAMIH UMR CNRS 8530, **LAMAV-CGAO,FR-CNRS 956 {jerome.bernard, jpbecar, laurent.vermeiren}@univ-valenciennes.fr Sections de rattachement : 6, 61 Secteur : Secondaire RÉSUMÉ. L article traite d une maquette pédagogique de pile à combustible. La maquette offre pour un faible coût la découverte de deux vecteurs énergétiques que sont l hydrogène et l énergie solaire photovoltaïque. Elle présente en outre un système énergétique global de la production à la consommation et s inscrit dans le cursus d étudiants d un Institut Universitaire de Technologie de la spécialité Génie Electrique et de l Informatique Industrielle. La partie production est réalisée par des cellules photovoltaïques dédiées à une électrolyse de l eau. L hydrogène et l oxygène ainsi produits alimentent une pile à combustible qui débite sur une charge. Le modèle de pile est du type à membrane échangeuse de protons. Et c est sa courbe de polarisation qui a fait l objet d une étude expérimentale pour pouvoir être comparée à celle du constructeur. Si la maquette offre une première découverte des énergies nouvelles, elle permettra d approfondir par la pratique les connaissances des étudiants dans le domaine de l électrochimie. MOTS-CLÉS : cellules photovoltaïques, électrolyseur, modélisation mathématique, énergies nouvelles, hydrogène, oxygène, pile à combustible 1. Introduction Le papier présente une maquette pédagogique de pile à combustible. Destinée aux étudiants d un Institut Universitaire de Technologie, elle réalise à faible coût la découverte de deux vecteurs énergétiques que sont l énergie solaire photovoltaïque et l hydrogène. Des cellules photovoltaïques alimentent un électrolyseur qui produit et stocke l hydrogène et l oxygène. L hydrogène est enfin utilisé pour produire de l énergie électrique grâce à une pile à combustible à membrane échangeuse de protons. 1

2 C est un système énergétique global qui est illustré ici. De plus, le fonctionnement de ce système met en évidence l idée majeure et historique de la pile à combustible vue comme un électrolyseur inversé. La section, après un bref historique des piles à combustible décrit leur fonctionnement et leurs domaines d applications actuels. L accent est mis sur les piles à membrane échangeuse de protons ainsi que sur les équations chimiques associées. La section 3 propose un usage de la maquette d un système énergétique global. Des mesures de performance de la pile à combustible comme la courbe de polarisation sont comparées aux données du constructeur. Dans la section 4 les conclusions sont présentées et des perspectives sont proposées.. La pile à combustible Une pile à combustible est un convertisseur électrochimique d énergie. Cette section propose un bref historique des pile à combustible (PAC), quelques applications et le fonctionnement de la pile à membrane échangeuse de protons (Proton Exchange Membrane ou Polymer Electrolyte Membrane ou PEM).1. Historique Sir William Grove, juriste anglais et chercheur amateur en chimie, décrit en 1839 le fonctionnement de la pile à combustible où de l eau et de l électricité sont produites à partir d oxygène et d hydrogène. Un peu plus tard, le docteur Francis Bacon parvient à réalise en 1959 une pile à combustible de 5kW. Cette source autonome d énergie a trouvé son utilisation dans le domaine spatial. La capsule Gemini utilise dès 1964 convertisseur d énergie (Burke, 003). L eau de la réaction chimique était consommée par les astronautes. C est après la première crise pétrolière que les gouvernements, les industries et les laboratoires ont cherché une alternative aux énergies fossiles pour tenter de s assurer une indépendance énergétique notamment dans le domaine du transport. Les premiers véhicules prototypes basés sur la pile à combustible apparaissent dans les années 90. De nos jours, de nombreux efforts sont en cours pour réduire les coûts, augmenter la fiabilité et améliorer la compacité des piles à combustible... Technologies et applications Il existe différents types de pile à combustible selon la nature des matériaux utilisés dans la construction (en particulier la nature de l électrolyte) et des conditions de fonctionnement (en particulier la température nominale). Les piles peuvent se ranger en deux familles : celles dites «à hautes températures» (de 650 à 1050 C) et celles dites à «basses températures» (de 60 à 0 C). Les différentes technologies ont chacune des rendements et des plages de puissances qui leurs sont propres (CEA 004).

3 Les piles à basses températures sont destinées aux applications mobiles. Elles concernent les appareils électroniques portables et le domaine des transports. Les piles à hautes températures sont généralement destinées aux applications stationnaires. Elles interviennent dans la production décentralisée d énergie électrique pour les habitats collectifs ou individuels. Dans ces dernières, la chaleur produite par les piles de hautes températures peut être récupérée par des procédés de cogénération ce qui augment le rendement global du système PAC (CEA 004). La pile à combustible étudiée ici est de type à membrane échangeuse de protons - Proton Exchange Membrane- dont le principe de fonctionnement est décrit dans la section suivante. Cette technologie est notamment utilisée dans le domaine des transports (Bernard, 007), du fait de sa densité de puissance importante (de 1 à 3 kg/kw) et de sa température nominale adéquate (entre 60 C et 90 C). Plusieurs dizaines de véhicules prototypes électriques alimentés par une pile à combustible existent dans le monde et ont démontré leur fiabilité et leur efficacité comme par exemple, la Hy-Light de Michelin (Büchi et al., 007), ou le prototype PAC-Car II (Santin et al., 007) de l ETH Zürich qui détient le record du monde de consommation énergétique..3. La pile à membrane polymère La pile à combustible d électrolyte à membrane polymère convertit l hydrogène et oxygène en énergie électrique. Cette réaction d oxydoréduction correspond à l électrolyse de l eau inversée : +! Oxydation à l anode : H " H + e [1] Réduction à la cathode : O + H + + e! " H O [] Réaction globale H + 1 O! H O + chaleur [3] L électricité est produite par les électrons libérés par la molécule d hydrogène [1]. Les protons d hydrogène H + traversent la membrane séparant l anode de la cathode et se recombinent à la cathode avec les électrons et les atomes d oxygène. Idéalement, les seuls produits secondaires de la réaction sont de l eau et de la chaleur. Le schéma de principe d une cellule élémentaire de pile à combustible est présenté en figure 1. La membrane est le cœur de la cellule élémentaire : il s agit d un électrolyte en polymère qui est perméable aux protons d hydrogène et imperméable aux gaz. Pour garantir la perméabilité aux protons, la membrane doit être en permanence humidifiée. 3

4 Hydrogène H H non consommé e! H " H + + e! Anode Membrane H + H + + e! + 1 O " H O + chaleur Cathode Oxygène O H O et O non consommé Figure 1. Schéma d une cellule de pile à combustible à membrane polymère. C est sur cette base théorique que les expérimentations seront conduites. Il s agit ici de découvrir un circuit énergétique global, non polluant et faisant appel à l énergie solaire. Les détails sont précisés dans la section suivante. 3. Expérimentations Cette section présente un circuit énergétique global au moyen d une maquette pédagogique du commerce. La caractéristique essentielle de la pile à combustible qu est sa courbe de polarisation donnée par le constructeur est contrôlée lors de séances de travaux pratiques. Un système énergétique global se compose de 3 parties : la production, le stockage et l utilisation de l énergie. Ici (fig.) la production d énergie est assurée par des cellules photovoltaïques qui convertissent le rayonnement lumineux en énergie électrique. Elle attaque un électrolyseur opérant sur molécules d eau et stockant l hydrogène et l oxygène ainsi fabriqués. Ces deux gaz servent enfin à alimenter une pile à combustible qui débite sur une charge. Figure. Maquette d un circuit énergétique global 4

5 C est sur ce schéma que la courbe de polarisation de la pile est établie. Il s en déduit la courbe de puissance. La courbe de polarisation représente la tension de la cellule en fonction du courant débité. Elle dépend de la pression de fonctionnement de l oxygène et de l hydrogène, de la température et du taux d humidité de la membrane. La courbe de puissance exprime la puissance en fonction de l intensité. Pour cette première expérience, l oxygène est distribué par l électrolyseur. La figure 3a comporte la courbe de polarisation de la pile issue de relevés expérimentaux et celle du constructeur. La courbe expérimentale a été relevée en mesurant le courant et la tension pour différentes valeurs de résistance de charge. Le graphique de la figure 3b représente les deux courbes de puissance établies depuis les courbes de polarisation respectives. (a) (b) Figure 3. Courbes de polarisation et de puissance d une pile à combustible Une seconde expérience a mis en évidence le rôle de l oxygène dans la pile. Une première série de mesures a été faite avec l oxygène de l électrolyseur et une deuxième sans alimentation en oxygène sauf celui de l air ambiant. Les résultats sont reproduits sur la figure 4. Figure 4. Courbes de polarisation avec et sans oxygène 5

6 4. Conclusion et perspectives L article est axé sur la pile à combustible à membrane polymère. Une maquette pédagogique d une telle pile offre à un faible coût la découverte d un système énergétique global qui entre le domaine des énergies nouvelles. Une première application de la maquette a été de déterminer expérimentalement sa courbe de polarisation de la pile puis d établir la courbe de puissance. Cette caractéristique essentielle est comparée aux données du constructeur. Les expériences sur la pile ayant pour cadre principal le domaine du génie électrique, offrent une large ouverture au domaine de l électrochimie. Des manipulations comme l électrolyse de l eau, la détermination la constante d Avogadro et des lois de l électrolyse de Faraday, le reformeur d hydrogène à partir de méthanol devraient pouvoir enrichir et élargir la culture scientifique des étudiants. L identification des paramètres d une pile à combustible à l aide de fonctions proposées dans le logiciel Matlab (Saheb_Koussa et al, 007) de même que la modélisation d un générateur photovoltaïque sous l environnement Matlab laisse augurer de nouvelles applications aussi bien théoriques que pratiques. Remerciements Les auteurs remercient chaleureusement l Institut Universitaire de Technologie de Valenciennes qui a mis à la disposition du groupe d étudiants et d enseignants une salle équipée d ordinateurs et de logiciels adéquats. Bibliographie Bernard J., Véhicules hybrides à pile à combustible : dimensionnement et stratégie de commande, thèse de doctorat n 07-37, Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, Décembre 007. Büchi F.N., Paganelli G., Dietrich P., Laurent D., Tsukada A., Varenne P., Delfino A., Kötz R., Freunberger S.A., Magne P.A., Walser D., Olsommer D., Consumption and Efficiency of a Passenger Car with a Hydrogen/Oxygen PEFC based Hybrid Electric Drivetrain, Fuel Cells, Vol.7, pp , 007. Burke K.A., Fuel Cells for Space Science Applications, First International Energy Conversion Engineering Conference, Virginia, 17-1 Aout 003. CEA (Commissariat à l Énergie Atomique), L hydrogène-les nouvelles technologies de l énergie, Clefs CEA, Magazine numéros 50/51, hiver 004/005. Saheb_Koussa D., Haddadi M., Modélisation d un générateur photovoltaïque dans l environnement Matlab, Actes du 4th International Conference on Computer Integrated Manufacturing CIP 007, November 007. Santin J.J., Onder C.H., Bernard J., Isler D., Kobler P., Kolb F., Weidmann N.,Guzzella L., The world s most fuel efficient vehicle Design and development of PAC-Car II, Edition VDF Hochschulverlag AG, ETH Zürich, ISBN ,