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L'intégration des piles à
combustible dans les transports terrestres
impose :
 de
nous appuyer sur les constructeurs de piles,
d’étudier
le système pile
d’étudier
l’implantation et la gestion de l’énergie
à bord, ainsi que la sécurité
dans des étapes progressives (hybrides)
d’étudier
l’impact de l’évolution
des transports en flux, sécurité,
confort, autonomie.
Ce
programme est lié à la politique
énergétique mondiale : pollution,
normes, indépendance énergétique,
développement énergétique
mondial
Schéma
de principe de la pile
Il existe 2 grandes
familles de piles à combustible : les basses
températures (AFC, PAFC, PEMFC et DMFC) ainsi
que les hautes températures (SOFC et MCFC).
Si les piles AFC et PAFC sont technologiquement
mâtures, leur avenir dans le transport semble
limité à causes de quelques inconvénients
majeurs. Aujourd'hui, ce sont les PEMFC qui
représentent le plus gros effort de recherche.
En effet, cette technologie sera certainement
la première à remplacer des moteurs à combustion
interne dans des véhicules de série. Cependant,
les piles PEMFC nécessitent une alimentation
en hydrogène très pur qui laisse supposer
qu'elles seront remplacées par d'autres technologies
à long terme. Le futur de la famille basse
température devrait passer par les piles DMFC
qui permettront l'utilisation directe du méthanol.
Les piles hautes températures, et notamment
les SOFC, assureront sans doute la relève
des piles basse température. Elles permettent
de simplifier le reformage externe et éventuellement
de reformer divers carburants en interne.
De plus, leur rendement global est très élevé
si un système de récupération de chaleur est
mis en place. Actuellement, des problèmes
techniques subsistent à cause des températures
élevées de fonctionnement. En ce qui concerne
la recherche sur ce type de piles, elle est
aujourd'hui beaucoup moins importante que
celle sur les PEMFC. Cependant, la situation
semble évoluer avec le lancement de nouveaux
programmes de recherche sur les piles SOFC.
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Systèmes pile à combustible
Les ressources naturelles en hydrocarbures
fossiles ne sont pas renouvelables, même
si le débat quant au délai
d’épuisement des gisements exploitables
n’est pas clôt. De plus, les
effets néfastes des émissions
polluantes liées au transport, tant
au niveau local que global, ne sont plus
à démontrer. Les piles à
combustibles sont une des voies prometteuses
de source d’énergie propre,
utilisant des ressources renouvelables.
Les plus grands constructeurs automobile
s’intéressent à cette
solution, ils ont d’ores et déjà
présenté un ou plusieurs démonstrateurs.
Cependant, malgré quelques effets
d’annonce, cette technologie est encore
loin d’être mature à l’échelle
industrielle et la commercialisation en
grande série de ce type de véhicules
reste pour l’instant un objectif à
long terme.
Les piles à membrane électrolyte
polymère (PEMFC) sont pour le moment
les mieux adaptées pour alimenter
la motorisation des véhicules, du
fait de leur basse température de
fonctionnement (de l’ordre de 80°C).
Le cœur du générateur
à pile à combustible, alimenté
en hydrogène à l’anode,
en oxygène de l’air à
la cathode, est le siège de réactions
d’oxydoréduction. Il convertit
directement l’énergie chimique
en énergie électrique. Les
progrès effectués ces dernières
années amènent à des
performances remarquables et à des
rendements de conversion de l’ordre
de 60%, très supérieurs à
ceux des moteurs à combustion interne.
Cependant, le cœur du générateur
nécessite la présence de nombreux
auxiliaires, les circuits d’amenée
des gaz dans les compartiments anodiques
et cathodiques, un système d’humidification
des gaz, un circuit de refroidissement de
la pile car la réaction est exothermique.
La part de ces auxiliaires est loin d’être
négligeable ; tant en terme de volume,
de l’ordre des deux tiers du volume
total, qu’en terme de consommation
énergétique. Le rendement
global du système s’en trouve
grandement grevé, tombant autour
de 40%.
Il
s’agit donc d’un dispositif complexe
où les éléments interagissent
entre eux. Les objectifs sont d’étudier
les différents composants du système,
de les modéliser et de les interconnecter
en vue d’une gestion et d’une
optimisation globales du système
pour une application donnée dans
les transports.
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| Le
programme de recherche peut se décliner
en un certain nombre d’actions
qui ne peuvent être considérées
comme indépendantes. |
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Valider les modèles
de piles, d’auxiliaires et de
chaîne de traction et optimiser
la gestion globale de l’énergie.
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Maîtriser
les dispositifs d’humidification
et de refroidissement de la pile en
liaison avec les injections de carburant
et de comburant.
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Mettre au point
la commande pour obtenir la dynamique
adéquate pour une application
transport avec ou sans dispositif
de stockage de l’énergie
électrique.
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Simuler et valider
le comportement du véhicule
suivant un profil donné d’utilisation
puis proposer des choix technologiques.
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Pouvoir tester différents composants
et étudier le comportement global
en vue de la définition d’un
cahier des charges. |
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Faire des essais de longue durée
sur les piles pour estimer la fiabilité
et étudier le comportement lors
de fonctionnements dégradés. |
| Les
retombées scientifiques escomptées
sont les suivantes : |
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Disposer d’une
modélisation de système
pile (pile, auxiliaires, convertisseur,
stockage, motorisation) validée
et exploitable par les différents
partenaires.
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Connaître
le comportement dynamique du système
pile en fonction des composants technologiques
utilisés et mettre au point
des lois de commande
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Obtenir un bilan
énergétique global du
système et le placer par rapport
aux techniques conventionnelles
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Disposer d’un
bilan des rejets et émissions
polluantes (cas avec reformeur) pour
les différentes phases d’un
profil de transport.
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Les objectifs
technologiques sont les suivants :
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Maîtriser
le système pile tant au niveau
de ses composants que de la gestion
globale de l’énergie et
du pilotage.
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Pouvoir définir
un cahier des charges des différents
composants pour des applications transports.
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Servir de soutien
aux industriels dans leurs études
et tests sur les différents
éléments de la chaîne
et plus particulièrement pour
la génération de puissance.
La plate-forme d’essais de pile
à combustible sert de support
pour tous ces études. Elle
apporte une sécurité
de fonctionnement, un équipement
fixe adapté à des systèmes
de puissance pouvant atteindre 20à
kW et un personnel compétent.
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Publication
L2ES pour l'Institut des Transports Terrestres
de Franche-Comté
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