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Etude d'un système énergétique à  pile combustible destiné à  une application résidentielle

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par Salem et Amel MEDDAH et MENASRIA
Université de Bechar Algérie - Ingénieur d'état 2006
  

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Nous adressons nos sincères remerciements à notre promoteur Mr Maàmar Khaled qui a fait tous ce qui a pu pour nous aider.

Nous remercions également les enseignants qui nous ont aidé avec des explications Intéressantes comme :

Mr. Bekri Abdelkader.

Mr. Benachaiba Chellali.

Mr. Aissaoui.

Nous tenons à remercier encore tous les enseignants du centre universitaire de Bechar qui ont participe à notre formation.

Finalement nous adressons nos salutations à toute la promotion du 5eme année Electrotechnique 2006

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SOMMAIRE

Introduction Générale 1

1)-Generalites sur les piles à combustible

1.1)- Introduction 3

1.2)-Historique 3

1.3)- Principe de fonctionnement 5

1.4)- Constitution d'une pile à combustible 7

1.4.1)-L'électrolyte 8

1.4.2)-Les électrodes 8

1.4.3)-catalyseur 9

1.4.4)-Les plaques bipolaires 10

1.4.5)-Le reformeur 11

1.5)-Caractéristique électrique 12

1.5.1)-Tension de Nernst 12

1 .5.2)-Polarisation d'activation 14

1 .5.3)-Polarisation ohmique 14

1 .5.4)- Polarisation de concentration 14

1.6)-Différents types des piles 15

1 .6.1)-La pile alcaline (AFC) 16

1 .6.2)- Piles à membrane électrolyte polymérique (PEMFC) 17

1 .6.3)- La pile à acide phosphorique (PAFC) 18

1 .6.4)- La pile à méthanol direct (DMFC) 19

1 .6.5)- La pile à oxyde solide (SOFC) 20

1 .6.6)- La pile à carbonates fondus (MCFC) 21

1.7)-Les applications des piles à combustible 22

1.8)-Architecture du système pile à combustible 25

1.9)-Les avantages et les inconvénients des piles à combustibles 25

1.9.1)-Les avantages 25

1.9.2)-Les inconvénients 26

1.10)- Conclusion 26

2)-Modélisation statique de la pile à combustible PEMFC

2.1)-Introduction 27

2.2)-Modélisation de la PEMFC 27

2.2.1)- Modèle de tension 28

2.3)-Dimensionnement du stack Pile à Combustible 33

2.3.1)-Détermination du nombre de cellules 33

2.3.2)-Détermination de la surface des cellules 34

2.4)-Caractéristique statique de la pile destinée à l'application 35

2.4.1)-Caractéristique Tension/ courant et pression 35

2.4.2)-Caractéristique puissance / courant et pression 36

2.4.3)-Caractéristique Tension/courant et Température 37

2.4.4)-Caractéristique puissance / courant et puissance 37

2.5)-Conclusion 38

3)-Modélisation dynamique de la pile à combustible [PEMFC]

3.1)- Introduction 40

3.2)-Modélisation dynamique de la pile à combustible 40

3.2.1)-Les hypothèses du modèle du coeur de la pile 40

3.2.1)-Expression de la tension du `stack' 41

3.2.2)-Calcul des pression partielles 41

3.2.3)-Résultat de la simulation et analyse 46

Fonctionnement à débit molaire constant 46

Fonctionnement à courant constant 48

3.3)-modélisation du système à pile à combustible 50

3.3.1)-Modélisation du reformeur 50

3.3.2)-Modélisation des convertisseurs 51

3.3.3)-Analyse du Contrôle de la puissance Actif et Réactif 53

3.4)-Résultat et analyse de la simulation du système à pile à combustible 55

3.5)-Conclusion 63

Conclusion Générale 65

Introduction générale :

L'hydrogène constitue un vecteur énergétique idéal pour remplacer à long terme les énergies fossiles, d'autant qu'il est l'élément le plus abondant de notre univers et qu'il est non toxique car sa combustion ne rejette que de l'eau.

La pile à combustible est l'élément électrochimique qui permet de convertir l'énergie de l'hydrogène (H2) en électricité, en utilisant un procédé électrochimique contrôlé (au lieu d'une réaction thermique de combustion, dont le travail mécanique engendré est ensuite converti en électricité).

Les piles à combustible sont présentées comme l'énergie de demain, en parallèle avec l'hydrogène. Pourtant, elles ne sont pas une technologie nouvelle, puisque leur principe de fonctionnement a été découvert en 1839...

Il y a plusieurs facteurs qui poussent les pays industrialisés à prendre le chemin des piles à combustible.

L'un des facteurs déterminants de cette évolution vient des problèmes climatiques et de la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre (notamment le CO2). On recherche des moyens de production d'énergie moins polluants. On note ici l'empressement de l'union européenne qui à décidé de réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 8 pourcents par rapport à 1990 d'ici 2008, mais ils ne réalise que 2.9 pourcents à la fin de l'année 2002, Les piles à combustibles tiennent la solution de ce problème par ces applications dans Le domaine transport.

Un autre facteur clé vient des réserves limitées en énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) : les statistiques les plus pessimistes prévoient une pénurie certaine vers 2050 pour les produits pétroliers donc c'est le moment de penser à l'après pétrole. On ajoute que L'utilisation de ces sources d'énergie engendre des effets secondaires indésirables : émission de gaz à effet de serre dans le cas des hydrocarbures, et production de déchets difficiles à traiter dans le cas du nucléaire.

Dernier point enfin, les coupures d'électricité en Italie, à Londres, aux Etats- Unis et même en Algérie en 2003 mettent en relief les faiblesses du réseau électrique et de la production centralisée et mettent en valeur un moyen de production plus délocalisé.

Ce travail est consacré à l'étude d'un système énergétique à pile à

combustible destiné à une application résidentielle.

Le premier chapitre présente l'état de l'art des piles à combustible : son histoire, son principe de fonctionnement, sa construction, ses types, ses applications, ses avantages et ses inconvénients.

Le deuxième chapitre sera consacre à la modélisation statique de la pile à combustible PEMFC. L'objectif de cette partie est de présenter les caractéristiques de la pile destinée à notre application (application résidentielle), pour pouvoir réaliser des simulations globales sur de longs horizons de temps.

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Dans le troisième chapitre nous présenterons un modèle dynamique de la pile à combustible PEMFC, avec l'intégration du modèle du reformeur ainsi que le modèle de l'onduleur. Le but est de mettre au plant un modèle globale pour la simulation ainsi que la mise en place de la structure de commande des convertisseurs statiques qui composent la chaîne.

1.1. Introduction :

Une pile à combustible est un générateur qui convertit directement l'énergie interne d'un combustible en énergie électrique, en utilisant un procédé électrochimique contrôlé (au lieu d'une réaction thermique de combustion, dont le travail mécanique engendré est ensuite converti en électricité). Les rendements théoriques attendus sont très élevés, et les sous produits très peu polluants. Ces arguments, généralement admis par l'ensemble de la communauté scientifique, en font une alternative très probable au moteur thermique (essence, diesel), pour la plupart de ses applications. Elle met en jeu, sans les mélanger un combustible (hydrogène, méthanol, monoxyde de carbone ...) et un comburant (généralement de l'oxygène pris dans l'air).

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