Etude d’une méthode de chauffage rapide de pile à combustible PEM pour une application transport

Sylvie Begot1^{1}, Fabien Harel2^{2}, Valérie Lepiller1^{1}
⋆^{\star} : sylvie.begot@univ-fcomte.fr
1^{1} FEMTO-ST
2^{2} Université Gustave Eiffel
Mots clés : Pile à combustible ; étude expérimentale ; démarrage rapide
Résumé :

Etude d’une méthode de chauffage rapide de pile à combustible PEM pour une application transport

Dans le contexte du réchauffement climatique, les technologies de l’hydrogène-énergie représentent une alternative pour limiter l’empreinte carbone du secteur des transports. Les véhicules électriques à pile à combustible de type PEM semblent être la solution à long terme la plus appropriée pour atteindre les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Toutefois, un certain nombre de problèmes doivent encore être résolus si l’on veut que cette technologie soit largement diffusée. Parmi ces problèmes, la gestion thermique est une question centrale car les systèmes électrochimiques ne peuvent fonctionner de manière optimale que dans une plage de température étroite. Hors de cette plage, leurs performances et leur durée de vie sont fortement affectées. Cependant, dans le cadre d’une application de transport, les cycles de démarrage et d’arrêt et les variations de charge sont présents dans toutes les conditions de température ambiante. Il en résulte des exigences importantes pour le système de gestion thermique.

Le chauffage rapide est intéressant à température nominale pour maintenir les conditions optimales de température en cas de variation de charge. Il est également indispensable dans une application transport lors du démarrage en température négative. Cette variation de température doit être la plus homogène possible à l’intérieur de l’empilement afin d’éviter à la fois des points chauds et des points de gel.

Dans cet article, nous proposons et étudions expérimentalement une méthode originale permettant le chauffage rapide d’une pile à combustible tout en assurant l’homogénéité des températures dans l’empilement. Cette méthode est basée sur la circulation d’un fluide alterné à l’intérieur de l’empilement. Cette circulation est obtenue par la mise en place et le pilotage de 2 vannes 3 voies dans le circuit de refroidissement de la pile. La pile étudiée est une pile commerciale du fabriquant ZSW de 3 cellules. La génération de chaleur dans la pile est obtenue en insérant des films chauffants, ce qui permet l’étude du comportement thermique indépendamment de la réaction électrochimique. Des micro-thermocouples sont insérés dans les canaux de refroidissement afin de visualiser les élévations de température pendant les alternances de circulation du fluide. Un débitmètre à effet Coriolis permet de mesurer le débit.

Les nouvelles stratégies de gestion thermique de la pile sont comparées à 2 stratégies de référence : la première stratégie est l’absence de circulation du fluide caloporteur, et la deuxième est la circulation du fluide de façon unidirectionnelle. Les stratégies sont évaluées en termes d’élévation de température moyenne pendant un temps donné, et d’uniformité de température entre les cellules et entre les parties hautes et basses d’une même cellule.

Les résultats expérimentaux sont présentés, l’accent étant mis sur l’homogénéité thermique entre cellules.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-046

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