Bronkhorst
Note d'application

Humidification des gaz de piles à combustible

À l’intérieur de votre voiture, le carburant réagit directement avec l’oxygène de l’air et provoque une combustion qui permet à votre voiture de rouler. C’est le fonctionnement habituel. L’énergie chimique est convertie en énergie mécanique utile. Une solution alternative serait la combustion indirecte, une manière plus propre et plus prometteuse d’utiliser une pile à combustible. L’oxygène et le combustible, comme l’hydrogène, sont introduits de chaque côté de la pile à combustible, pour réagir électriquement à l’intérieur de la pile en formant de l’eau. 

Ainsi, les électrons circulent dans un circuit externe alimentant un moteur électrique. L’énergie chimique du combustible est convertie en énergie électrique.

Les piles à combustibles sont essentiellement constituées d’un empilement de cellules (stack), ces cellules élémentaires sont composées, chacune, de deux électrodes séparées par une membrane électrolytique. Cet électrolyte permet aux espèces ioniques de conduire l’énergie et d’en produire. Dans une pile à combustible à membrane électrolyte polymère, PEMFC, les électrolytes doivent être hydratés pour maintenir une conductivité d’ions (protons) élevée et, par conséquent, une performance optimale. L’humidification des gaz d’une telle pile à combustible est essentielle. C’est un procédé typique réalisé pour les applications automobiles.

Pour les bancs d’essai dans l’industrie automobile, un institut de recherche allemand a demandé au distributeur de Bronkhorst, Wagner Mess- und Regeltechnik, une solution pour fournir aux réactifs hydrogène et oxygène une certaine humidité relative. 

Pile à combustible pour l'industrie automobile

Exigences de l'application

L’institut avait besoin d’une solution pour obtenir un débit de gaz précis ainsi que pour humidifier le débit de gaz de manière contrôlée de chaque côté de la pile à combustible. Puisque le rôle de nombreux paramètres d’entrées tels que le débit de gaz, la teneur en vapeur d’eau et le type de pile à combustible est étudié, une large gamme de débits de gaz est nécessaire - y compris des faibles débits - et le point de fonctionnement doit être modifié rapidement.
 

Caractéristiques importantes

  • Changement rapide du point de fonctionnement
  • Humidification constante possible, même à faible débit
  • Contrôle et mesure précis des milieux
  • Assurance de la qualité des données.
     


Solution adoptée

La solution Bronkhorst consiste essentiellement en un dispositif d’évaporation et de mélange à température contrôlée (système CEM) qui sert à générer un flux contrôlé de vapeur d’eau, lequel est fourni à la pile à combustible. L’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) agissent comme des gaz vecteurs du flux de vapeur d’eau. Dans ce système CEM, les régulateurs de débit massique thermique EL-FLOW Select ou EL-FLOW Prestige régulent les débits d’hydrogène, d’oxygène/air, tandis que les régulateurs de débit liquide mini CORI-FLOW ou LIQUI-FLOW fournissent le débit d’eau. Les flux de ces instruments entrent dans la chambre CEM où le mélange vapeur / gaz est généré.

L’objectif expérimental de ces bancs d’essai de piles à combustible est d’optimiser les différents composants (membrane électrolytique, nombre de stacks) et les conditions de fonctionnement de la pile à combustible. Les flux d’hydrogène, d’oxygène, d’air et d’eau (et leurs ratios) sont des paramètres d’entrée, et les performances de la pile à combustible sous forme de tension et de courant de la pile sont mesurées en tant que paramètres de sortie.
Les questions auxquelles il faut répondre sont notamment les suivantes : que se passe-t-il si l’on ajoute trop d’hydrogène ou d’air, quelle est l’influence du degré d’humidité, quel est le rôle des différents types de membranes ? 
 

Schéma fluidique de l'humidification des gaz de piles à combustible
Schéma fluidique

Les débits de gaz des appareils EL-FLOW Select ou EL-FLOW Prestige sont adaptés à cette utilisation spécifique. Ces débitmètres thermiques pour les gaz conviennent parfaitement car ils sont dotés d’une grande précision tout en exerçant la plus petite pression différentielle possible. En ce qui concerne l’alimentation en vapeur d’eau, nous pouvons générer une très grande stabilité de régulation, qui dépend principalement de la vanne de mélange située dans le CEM
Dans cette application, pour la recherche sur les piles mono-stack, le débit d’eau typique fourni à la pile à combustible est de 100 à 1 000 grammes par heure, avec des quantités correspondantes de gaz vecteur d’oxygène et d’hydrogène, de sorte que l’humidité relative se situe dans une fourchette de 5 à 95 %. En outre, il est techniquement possible de réguler le débit d’eau jusqu’à 1 gramme par heure. 
Dans la pratique, certaines piles à combustible seront finalement utilisées à des pressions élevées, avec une différence de pression la plus faible possible sur la membrane, c’est-à-dire avec une pression égale des deux côtés des électrodes. L’état actuel de la recherche sur les piles mono-stack est tel que, pour certains types de membranes qui seront plus performantes à des pressions plus élevées, la pression mesurée peut atteindre 100 bars. La pression absolue et la différence de pression sont régulées par les instruments IN-PRESS de Bronkhorst. Le système CEM de Bronkhorst est généralement utilisé pour des débits d’eau faibles et précis comme ceux utilisés dans les piles mono-stack, jusqu’à 1 000 g/h. 

En ce qui concerne l’automatisation et la communication, pour les régulateurs de débit massique et les systèmes de vaporisation, il existe plusieurs types de communication intégrés dans les instruments : signal analogique, Profibus, Flowbus ainsi que des protocoles de bus de terrain comme Profinet ou EtherCat. LabVIEW est par ailleurs souvent utilisé dans ces environnements de recherche. Ainsi, tous les paramètres de programmation sont disponibles aisément et facilite la récupération et la qualité des données.

Grâce à son principe d’injection directe, le point de fonctionnement du système de vaporisation CEM peut être modifié instantanément. C’est un grand avantage en comparaison aux bulleurs traditionnels, particulièrement pour les débits de gaz est élevés. 

Nous avons plus de 20 ans d’expérience dans le domaine des piles à combustible. Si vous avez besoin de conseils sur les systèmes d’évaporation pour l’humidification des piles à combustible, demandez-nous conseil. 

Demandez-nous conseil Les applications de l'Hydrogène

Pile à combustible à membrane électrolyte polymère, PEMFC


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