2.3 Dimensionnement du stack Pile à Combustible
:
Le dimensionnement du stack consiste à
déterminer le nombre et la surface des cellules qui composent un stack
de pile à combustible. Ce dimensionnement doit tenir compte la puissance
nominale de la pile et la densité de courant que nous souhaitons
avoir.
2.3.1 Détermination du nombre de cellules :
La puissance électrique brute de l'empilement se calcule
par la relation suivante :
Ppile = N0.VFC.J.A
(2.12)
Ppile : Puissance électrique brute du stack
(W)
N0 : Nombre de cellules de l'empilement
VFc : Tension par cellule (V)
J : Densité de courant (A/m2)
A : Surface active des cellules (m2).
VFc et J : sont liées par la
caractéristique tension/courant de la pile, il reste donc trois
variables indépendantes à ajuster de façon à
obtenir la puissance souhaitée. Les contraintes liées à
l'application vont nous permettre de faire les choix nécessaires.
Il est intéressant d'avoir la tension Ustack =
N0.VFC la plus élevée et donc
le courant I=J.A le plus faible
possible car cela limite les pertes joule dans la cellule.
Pour satisfaire cette contrainte, il est possible :
· D'augmenter le nombre de cellules jusqu'à la
limite technologique actuelle.
· D'augmenter la tension par cellule, en diminuant la
densité de courant donc en augmentant la surface de cellule. Ce choix va
en outre dans le sens d'un bon rendement de pile.
Comme le montre la Figure (2.3), il est intéressant
d'avoir des densités de puissance élevées (pour
réduire l'encombrement et le coût/kW de la pile). Cela passe par
une faible surface de cellule, donc des densités de courant
élevées. Cette contrainte s'oppose à l'objectif d'avoir
une tension par cellule élevée. Une trop forte densité de
courant conduit de plus, à un rendement faible et donc à une
puissance thermique à évacuer élevée, ce qui posera
des problèmes pour le système. Une limite raisonnable pour la
densité de courant est de 0.6 A/cm2 ce qui correspond
à une tension de VFc=0.64V (Figure (2.2)), mais il
s'agit d'une valeur arbitraire qu'il faudrait valider par une étude
technico-économique.
Dans notre application La pile à combustible est
connectée à un système de production d'énergie
électrique pour une résidence dont la tension est de 240V. Ce qui
donne un nombre de cellules de :
N FC (2.13)
V 240
= = 340
U 0 . 7
2.3.2 Détermination de la surface des cellules :
Il est maintenant possible de déterminer les autres
paramètres de l'empilement :
A max
I
= . (2.15)
J
Dans notre application on va considérer que la puissance
utile maximale est de 40kW.
Ipac_max : Courant maximal correspondant à
Putile_max.
Donc :
40000
Imax = = A par mesure de sécurité nous
considérons que Imax=200 A
167
240
Se qui donnera A=333 cm2
| 
