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Développement et essais de piles à combustible par régulation de débit massique

29 mars 2022 Jos Abbing

Pour un avenir énergétique

Les piles à combustible jouent un rôle important dans la transition énergétique en transformant l’hydrogène, qui est une source d’énergie renouvelable, en électricité. Ces piles à combustible dépendantes des paramètres fluidiques, le contrôle des débits massiques est un facteur clé pour le développement et les essais de ces équipements. 

Dans cet article, je vais vous décrire comment la régulation de débit massique contribue à ce développement avec une attention particulière sur la technologie de mesure thermique à by-pass pour les gaz de faible densité. 
 

les énergies renouvelables - l'hydrogène

Développement de piles à combustible

La conception d’une nouvelle pile à combustible dépend de nombreux paramètres, et pour la tester correctement, vous devez connaître les propriétés des gaz employés et maitriser les paramètres d’utilisation. Une leçon importante que j’ai retenue d’un devoir scolaire difficile, c’est que la qualité du résultat d’un essai n’est jamais supérieure à celle de la précision de vos données de départ.

Les laboratoires d’essai de piles à combustible, les universités et les fabricants de bancs de test de piles à combustible qui utilisent nos technologies de régulation et de mesure des débits bénéficient de cette expérience fondamentale. 
 

Pourquoi la mesure et la régulation de débit massique sont-elles importantes ?

Pour ceux et celles d'entre vous qui ne connaissent pas les piles à combustible, commençons par quelques notions de base. Par exemple, les piles à combustible de type PEM (membrane échangeuse de protons), dépendent de l’exécution d’un processus électrochimique. Elles ne peuvent par conséquent fournir du courant électrique que lorsqu’elles reçoivent les fluides suivants :

  • L’anode a besoin d’une alimentation optimale en hydrogène humide
  • La cathode a besoin d’une alimentation optimale en oxygène ou en air humide.
 Ceci est réalisé avec une « stœchiométrie » optimale, facteur clé de l’efficacité d’une pile à combustible.

Lisez notre article pour en savoir plus sur le rôle de la régulation de débit dans la production d'hydrogène.

Explications concernant la pile a combustible à hydrogène
(PEM) Pile à combustible à membrane échangeuse de protons
Test d'étanchéité de stacks de pile à combustible
Test d'étanchéité de stacks de pile à combustible


L’efficacité des piles à combustible dépend de la composition et de la quantité d’hydrogène et d’air humidifiés, de leur débit, des conditions de pression et de la différence de pression entre les membranes. Les conditions idéales pour des performances optimales dépendent également de facteurs externes tels que la charge électrique requise, la température ambiante et celle des fluides. 

Autre facteur en jeu, la conception de la pile à combustible elle-même et ses caractéristiques tels que l’épaisseur de la membrane, le type d’électrolyte, la superficie de l’électrode active et l’efficacité des couches de diffusion de gaz. 

La régulation de débit massique lors des essais de piles à combustible

Le schéma de principe ci-dessous décrit le positionnement des régulateurs de débit massique sur le banc d’essai. Pour rester simple : Les débitmètres et les transmetteurs de pression exécutent les principales tâches liées à la mesure et au contrôle des fluides, des gaz et de la pression. Les interdépendances et les interactions des fluides sont clairement identifiables. 

L’unité d’évaporateur (CEM) représentée est utilisée pour un faible débit et de faibles niveaux d’humidification. Pour des débits supérieurs, nous conseillons les systèmes en cascade.
L'unité d’évaporateur (CEM) représentée est utilisée pour un faible débit et de faibles niveaux d’humidification. Pour des débits supérieurs, nous conseillons les systèmes en cascade.

Les raisons d’utiliser la régulation de débit massique

La qualité du résultat d'un essai est à l'image de l'ensemble des incertitudes réunies 

Veuillez noter que les régulations et les mesures des fluides interagissent toujours simultanément. Sachant cela, vous pouvez comprendre qu’elles ont une influence majeure lors des essais fonctionnels et de contrainte autant pour les piles simples que pour les piles à combustible. Bien des essais de piles à combustible sont concernés par cette problématique, par exemple lorsqu’il s’agit d’établir les caractéristiques ou de valider les indicateurs de performance (conformément à la série de normes IEC 62882 ou à d’autres normes). La précision de la régulation des flux d’entrée obtenue peut avoir un impact considérable et permanent sur l’incertitude des résultats finaux. 
 

Régulateurs de débit massique pour les « débits élevés »
Régulateurs de débit massique pour les « débits élevés » ; pour essais et études de puissance, ou à intégrer dans un produit fini

Les dispositifs faisant appel à une technologie de mesure de débit massique thermique à by-pass représentent le meilleur choix pour contrôler les conditions de débit, de pression et de densité liées à votre pile à combustible. Un régulateur de débit massique basé sur ce principe offre la régulation des fluides la plus souple, précise et reproductible et, notamment :

  • Des contrôles fiables avec une régulation PID rapide intégré (vanne directe) 
  • Une mesure instantanée de la masse (pas de conversion volume avec P+T en masse) 
  • Une précision accrue du système de régulation et de mesure des fluides
  • Plus de flexibilité sur l’alimentation en gaz et le mélange de H2/N2/H2O, O2/H2O et autres gaz
  • Un contrôle indépendant de la vitesse et de la pression du débit de l’anode et de la cathode
  • Une meilleure prise en charge du changement de profil ou de caractéristiques pour le changement de charge, le cycle de durabilité, la polarisation, la purge, etc.

De la petite unité à la cellule de grande dimension (Débit élevé)

Bronkhorst peut fournir des instruments pour des configurations de piles simples jusqu’à des piles de plusieurs centaines de kilowatts. Nos produits (par exemple la débitmètre IN-FLOW "High-Flow" F-117DI) sont employés dans le cadre d’essais, d’évaluation de puissance,  ou à usage commercial, nécessitant une large flexibilité et une plus grande durabilité. 

Nous proposons des instruments de régulation de débit massique pour les applications OEM, applications de laboratoire et installations industrielles. Découvrez notre série IN-FLOW "High-FLOW". En cas d’utilisation de plusieurs combustibles gazeux, les débitmètres sont équipées de la fonction multi-fluides intégrée. 

Vous souhaitez en savoir davantage sur notre gamme de produits dans le domaine des énergies renouvelables ?

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