Pile à combustible

Programme

Programme asynchrone à suivre avant le cours en synchrone/présentiel

• INTRODUCTION À L’HYDROGÈNE & HYDROGÈNE DANS LE CONTEXTE DE LA MOBILITÉ

  • L'hydrogène demain.
  • Production d'hydrogène.
  • Contexte de la mobilité de l'hydrogène.
  • Comment fonctionne une pile à combustible : généralités.
  • Le rendement global d'une pile à combustible.
  • Étude de cas à préparer : calcul les émissions de CO2 du puits à la roue (Well to Wheel) d’un véhicule H2 PAC avec différents types de production d’énergie à la source pour produire le H2 (Eolienne, Charbon, nucléaire, procédé de vaporeformage : Steam Methane Reforming, SMR)

Programme en synchrone/présentiel

• FONDAMENTAUX DE LA THERMODYNAMIQUE - Durée : 0.5 Jour

  • Rappels sur les fondamentaux de la thermodynamique appliquée à l’électrochimie, en particulier aux piles à combustible.

• ARCHITECTURE CELLULE - Durée : 0.5 Jour

  • Introduction : de la cellule au stack.
  • Fonctionnement d’une pile à combustible et généralités.
  • Pourquoi le choix de la technologie PEM pour les applications de transport ?
  • Composants clés de la cellule et matériaux utilisés.
  • Fonction des couches constitutives de la cellule (couche diffusive, couche catalytique, membrane, plaque bipolaire).
  • Le stack ou l’empilement de cellules : répondre à un cahier des charges en tension et puissance.
  • Électrochimie à l’échelle de la cellule.
  • Thermodynamique et équation de Nernst.
  • Les pertes de potentiel : les pertes par activation et par transport diffusif.
  • Les pertes ohmiques à la membrane et la gestion de l’eau.
  • Rendement électrique de cellule.
  • Un modèle semi-empirique de PEMFC.
  • Une autre approche de la modélisation PEMFC : la spectroscopie d’impédance (SIE).

• ARCHITECTURE SYSTÈME - Durée : 1 Jour

  • Architecture Système.
  • Les auxiliaires de la PAC : le Balance of Plant (BoP).
  • La boucle d’air : e-compresseur, humidificateur, filtre à air, vannes et muffler.
  • La boucle de H₂ : détendeur, injecteur, éjecteur, pompe de recirculation et vannes de purge.
  • La boucle de refroidissement : radiateur, filtre dé-ionisant, pompe et préchauffeur de LDR.
  • Intégration véhicule : contrainte système.
  • Architecture d’un FCEV et gestion d’énergie : Full Power, Mid Power, Range Extender.
  • Contrôle système et vieillissement.
  • Calibration des boucles d’air et H₂.
  • Les principaux phénomènes de vieillissement dans une PEMFC.
  • Stratégies de contrôle optimales pour prévenir le vieillissement.
  • Étude de cas : simulation PAC (sur Excel) et calibration de compresseur d’air.
  • Utilisation d’un modèle semi-empirique de PEMFC pour prédire la courbe de polarisation à différentes pressions et stœchiométrie cathode.
  • Calibration optimale de la boucle d’air basée sur le choix d’un compresseur d’air parmi deux candidats.

• CONTRÔLE / VISION SYSTÈME UTILISATION CLIENT - Durée : 0.5 Jour

  • Situations de vie.
  • Contrôle système et vieillissement.

• GESTION THERMIQUE - Durée : 0.5 Jour

  • Rappel des fondamentaux :
  • Rappels sur les modes de transfert thermique (conduction, convection, rayonnement).
  • Cas particuliers : contact thermique et matériaux d’interface thermique (TIM), changement de phase. Principes, lois, exemples pratiques.
  • Réactions électrochimiques et thermodynamique électrochimique : applications des 1er et 2nd principes de thermodynamique, de la notion enthalpie libre et de l’équation de Nernst.
  • Courbe de polarisation, identification des pertes thermiques et leurs enjeux, rendement électrique, rendement système.
  • Exigences thermiques :
  • Sources et puits thermiques, bilan thermique.
  • Exigences thermiques par ambiances froides : situations de vie et modes de défaillances, solutions.
  • Exigences thermiques en besoin de refroidissement : interprétation du bilan thermique et énergétique, conditions optimales de fonctionnement, vieillissement, qualification des différents enjeux sur les différents systèmes thermiques.
  • Conséquences : choix du mode de gestion thermique, fluide caloporteur, dimensionnement du système de refroidissement, impacts adaptation véhicule : façade aérothermique, entrées/extractions d’air, architecture fonctionnelle boucles fluidiques.
  • Étude de cas : comparaison exigences thermiques GMP => systèmes thermiques véhicule pour 4 stratégies GMP : ICE / BEV / FCEV selon 2 modes de fonctionnement. Rendement global GMP, puissances de refroidissement, spécification coefficients d’échange thermique.

• ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE - Durée : 0.25 Jour

  • Architectures électriques des systèmes hybrides pile à combustible-batterie et de la chaine de conversion électromécanique :
  • Bus DC ou AC.
  • Degrés de liberté pour le contrôle et nombre de convertisseurs utilisés.
  • Topologies des convertisseurs couramment utilisés :
  • Convertisseur DC-AC (onduleur).
  • Convertisseurs DC-DC : non-isolés ou isolés, non-réversibles ou réversibles.
  • Contrôle de la gestion d’énergie : partage fréquentiel de la puissance entre une source d’énergie (ex : pile à combustible) et une source de puissance (ex : batterie).

• MODÉLISATION ET SIMULATION SYSTÈME HYBRIDE À PILE À COMBUSTIBLE + BATTERIE (travaux dirigés) - Durée : 0.75 Jour

  • Considération d’un profil de mission urbain mixte d’un véhicule.
  • Dimensionnement (évaluation de la masse au 1er ordre) d’une pile à combustible seule pour fournir toute la puissance lors de la mission.
  • Analyse du profil de mission : potentiel d’hybridation de puissance (PHP), potentiel d’hybridation en énergie (PHE).
  • Considération d’un système énergétique hybride associant pile à combustible et composant de stockage
  • Dimensionnement d’un composant de stockage (type batterie) en adoptant un contrôle d’énergie basé sur un partage fréquentiel de la puissance.
  • Redimensionnement de la pile à combustible - Conclusion.

• REMPLISSAGE -SURALIMENTATION - Durée : 0.5 Jour

  • Transformation de l’énergie mécanique en pression.
  • Terminologie, fonctionnement.
  • Triangle de vitesses, Equation d’Euler.
  • Puissance d’entraînement du compresseur.
  • Rendement de l’étage compresseur.
  • Caractérisation des performances du compresseur.
  • Contraintes applicables à la suralimentation de la pile à combustible.
  • Technologie de suralimentation en air.
  • Conception Produit – Architecture.
  • Conception Produit – Système de paliers à air.
  • Performance.
  • Besoins en air de la Pile à Combustible.
  • Optimisation du rendement du compresseur électrique.
  • Limites physiques.

• TRAVAUX PRATIQUES PILE À COMBUSTIBLE EN LABORATOIRE - Durée : 0.5 Jour

  • Travaux pratiques réalisés sur des petites piles à combustible à l’échelle laboratoire (technologie PEMFC) afin d’appréhender les notions de courbes de polarisation, de bilans de masse, de compréhension des principales limites.
  • Modes Pile à combustible, et modes hydrolyse.

• ACV - Durée : 0.5 Jour

  • Introduction à l’analyse de cycle de vie comme outil à l’écoconception. Principes génériques et appliqués aux piles à combustible.