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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mouloud Mammeri De Tizi-Ouzou Faculté de Génie Electrique et de l’Informatique Département d’Electrotechnique MEMOIRE de fin d’études En vue de l’Obtention du Diplôme d’Ingénieur d’Etat en Electrotechnique OPTION : Réseaux électriques Thème Promotion 2011-2012 MODELISATION ET SIMULATION D’UNE PILE A COMBUSTIBLE (SOFC) Dirigé par : Mr : BENYAHIA N. Réalisé par : Melle: HAMMOUM Malika Melle: HADDADI Thafsouth Remerciements Nos premiers remerciements iront tout d’abord à notre promoteur Mr : BENYAHIA Nabil d’avoir accepté d’encadrer ce travail, de nous avoir orientées et soutenues, pour sa collaboration effective et ses conseils judicieux et pour toute la rigueur qu’il a apportée. Nous tenons ensuite à remercier tous ceux et toutes celles qui nous ont apporté l’aide de près et de loin. Nos remerciements vont également à tous les enseignants qui ont contribué à notre formation. Que Monsieur le Président et les membres du jury trouvent ici l’expression de notre gratitude et notre respect pour nous avoir fait l’honneur d’examiner ce modeste travail. Nous serons également très heureuses de toute remarque et suggestion qu’ils voudront bien nous soumettre. Dédicaces A nos parents Nous tenons à dédier ce travail à nos parents qui ont contribué par touts les moyens disponibles pour notre réussite. Ils ont consenti beaucoup de sacrifices afin de nous voir grandir et ont veillé à réussir dans notre vie. Aujourd’hui, à notre tour de les remercier en leur dédiant ce modeste travail qui est le fruit de leurs sacrifices. Nous leurs souhaitons prospérité et parfaite santé. A nos frères et sœurs Nous apprécions beaucoup l’affection que vous nous apportez chaque jour. A cette occasion, nous vous manifestons notre meilleur sentiment en vous dédiant le fruit de notre travail. A nos amis Nos dédicaces s’adressent également à tous nos amis(e), à tous ceux qui nous connaissent, et à tous les étudiants de notre promotion. Je tiens personnellement à dédier ce travail à :  Mon cher mari (Hamouche Makhlouf).  Mes beaux frères.  Mes proches. M. HAMMOUM Je tiens à dédier ce travail particulièrement à :  Mon frère.  Mes sœurs.  Mes proches. T. HADDADI Résumé Les énergies renouvelables sont de nos jours aux cœurs de l’actualité et considérées comme une solution pour favoriser l’indépendance énergétique et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Une nouvelle source possible et renouvelable qui apparait comme une technologie prometteuse : est la pile à combustible. La pile à combustible est un système électrochimique qui convertit l’énergie chimique d’une réaction d’oxydoréduction en énergie électrique avec production simultanée d’eau et de chaleur. En fait, il existe plusieurs types de piles à combustible, dans notre thème on s’intéresse à étudier la pile à oxyde solide (SOFC). Dans le cadre de notre travail, un outil de modélisation à été mis en œuvre pour les piles SOFC grâce à l’analogie entre les domaines électrique, thermique et chimique, cette manière de procéder constitue un outil simple, évolutif et efficace. Grâce à cette modélisation, une simulation a été effectuée à température constante dans le but d’obtenir les différentes caractéristiques et l’influence des paramètres étudiés sur les performances de la pile à combustible SOFC. Bien que la pile à combustible présente des capacités à même de provoquer une évolution dans le domaine énergétique, il reste néanmoins de nombreux problèmes à résoudre avant d’envisager son développement et sa commercialisation à grande échelle. Sommaire SOMMAIRE Introduction générale ----------------------------------------------------------------------------------- 1 CHAPITRE I : GENERALITE SUR LES PILES A COMBUSTIBLE I -1-Introduction : --------------------------------------------------------------------------------------------- 3 I -2-Historique des piles à combustible ------------------------------------------------------------------ 3 I-3- Le combustible et son stockage ---------------------------------------------------------------------- 4 I-4-Différents types des piles à combustible ------------------------------------------------------------ 4 I-4-1-La pile Alcaline AFC5 ---------------------------------------------------------------------------------------- 5 I-4-2-La pile à combustible à méthanol direct (DMFC) ------------------------------------------------ 6 I-4-3-La pile à combustible à membrane électrolyte polymérique (PEMFC) ------------------- 7 I-4-4- La pile à acide phosphorique (PAFC) ----------------------------------------------------------------- 7 I-4-5-La pile à carbonate fondus (MCFC) -------------------------------------------------------------------- 8 I-4-6-La pile à oxyde solide(SOFC) ----------------------------------------------------------------------------- 9 I-5-Principe de fonctionnement ------------------------------------------------------------------------- 10 I-6- Les avantages et les inconvénients de la pile à combustible --------------------------------- 11 I-6-1 Les avantages ------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 I-6-2 Les inconvénients ------------------------------------------------------------------------------------------- 11 I-7- Conclusion ----------------------------------------------------------------------------------------------- 11 CHAPITRE II: MODELISATION DE LA PILE (SOFC) II-1-Introduction --------------------------------------------------------------------------------------------- 12 II-2- Application à la modélisation de la SOFC -------------------------------------------------------- 12 II-2-1- Introduction -------------------------------------------------------------------------------------- 12 II-2-2- Modèles des piles SOFC ------------------------------------------------------------------------ 13 II-2-2-1-Modèle chimique de la SOFC ------------------------------------------------------------- 13 II-2-2-2-Modèle thermique ------------------------------------------------------------------------- 19 II-2-2-3-Modèle électrique -------------------------------------------------------------------------- 22 II-3-Calcul des chutes de tension ------------------------------------------------------------------------ 24 II-3-1-Chute de tension due à l’activation ---------------------------------------------------------- 24 Sommaire II-3-2-Chute de tension ohmique --------------------------------------------------------------------- 25 II-3-3-Chute de tension par concentration --------------------------------------------------------- 26 II-4- Caractéristique de la pile SOFC--------------------------------------------------------------------- 26 II-5- Effet de remplissage à double couche ------------------------------------------------------------ 28 II-6- Conclusion ---------------------------------------------------------------------------------------------- 29 CHAPITRE III: SIMULATION DE LA PILE (SOFC) III-1-Introduction -------------------------------------------------------------------------------------------- 30 III-2-Résultats de la simulation sous MATLAB -------------------------------------------------------- 30 III-2-1-Interprétation de la figure III-1 --------------------------------------------------------------- 31 III-2-2-Interprétation de la figure III-2 --------------------------------------------------------------- 33 III-2-3-Interprétation de la figure III-3 --------------------------------------------------------------- 34 III-2-4-Interprétation de la figure III-4…………………………………………………………………………..35 III-3-Conclusion ---------------------------------------------------------------------------------------------- 35 Conclusion générale ------------------------------------------------------------------------------------ 36 Introduction générale Page 1 Le développement des nouvelles énergies est un défi majeur du 21éme siècle pour, d’une part, faire face au réchauffement climatique et d’autre part, avoir des alternatives aux énergies fossiles [1]. La croissante consommation mondiale en énergie primaire ainsi que la raréfaction prévue à moyen terme des combustibles fossiles et leur impact non négligeable sur l’environnement, font de l’hydrogène l’un des vecteurs énergétique idéal pour remplacer à long terme les énergies fossiles [2]. La production mondiale d’énergie repose aujourd’hui essentiellement sur les combustibles fossiles comme le pétrole, le charbon et le gaz naturel. L’augmentation de la population mondiale ajoutée au développement économique laisse prévoir le doublement des besoins énergétiques au niveau mondial. Tant dit que les réserves s’épuisent, nous devons trouver une alternative aux combustibles fossiles, ce qui a poussé les scientifiques à chercher de nouvelles sources de production d’énergie électrique qu’on appelle aujourd’hui les énergies renouvelables [3]. Les énergies renouvelables sont de nos jours aux cœurs de l’actualité et considérées comme une solution pour favoriser l’indépendance énergétique et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Une nouvelle source possible et renouvelable qui apparait comme une technologie prometteuse : est la pile à combustible. Elle est efficace en terme de rendement et elle produit de l’énergie sans rejet polluant ni nuisance sonore [4]. La pile à combustible est un système électrochimique qui convertit l’énergie chimique d’une réaction d’oxydoréduction en énergie électrique avec production simultanée d’eau et de chaleur, donc la pile à combustible est un convertisseur d’énergie performant en terme de rendement, qui transforme l’énergie chimique contenue dans l’hydrogène en énergie électrique d’une part et en chaleur d’autre part [1]. En fait, il existe plusieurs types de piles à combustible, dans notre thème on s’intéresse à étudier la pile à oxyde solide (SOFC).Les piles à oxyde solide sont très attractives pour des raisons essentiellement liées à leur rendement énergétique élevé et à leur possibilité d’industrialisation. L’objectif de la présence étude est de présenter un modèle mathématique unidimensionnel, ensuite ce modèle sera exploité pour réaliser des simulations numériques sur le fonctionnement d’une pile SOFC. Ces simulations devraient nous permettre de comprendre assez profondément les mécanismes opératoires d’une pile SOFC, ainsi que le rôle joué par un certain nombre de paramètres influents sur l’organisation générale de diffusions qui caractérisent le fonctionnement globale de la pile à combustible. Ainsi nous avons réparti notre travail comme suit : Après l’introduction générale, le premier chapitre est consacré à la présentation des généralités sur la pile à combustible, ceci nous mène à chercher des solutions aux problèmes que posent encore l’utilisation des piles SOFC, en les modélisant. Le deuxième chapitre fera Introduction générale Page 2 l’objet de la modélisation d’une pile SOFC, le troisième chapitre : la simulation d’une pile à combustible SOFC et on termine notre travail par une conclusion générale. Chapitre I : Généralités sur les piles à combustible Page 3 I -1-Introduction : La pile à combustible est un générateur d’énergie permettant de transformer directement l’énergie d’un combustible (hydrogène, hydrocarbure) en énergie électrique sans passer par l’énergie thermique. En effet l’énergie est produite grâce à une réaction électrochimique. Cependant la pile à combustible nécessite l’apport d’un combustible pour fonctionner, l’hydrogène. Elle réalise donc une oxydation entre son carburant l’hydrogène et son comburant l’oxygène. Ce système n’émet aucun gaz à effet de serre et produit de l’eau ainsi que de l’électricité. Grâce à cet avantage environnemental, l’utilisation de ce système est envisagée pour diverses applications d’alimentation de véhicules électriques propres, ainsi que la cogénération de chaleur et d’électricité [2]. Ce chapitre introductif sur les piles à combustible poursuit plusieurs objectifs. On effectue tout d’abord un rappel chronologique de l’évolution des piles à combustible depuis leurs découvertes jusqu’à nos jours. On présente ensuite les différents types de pile à combustible puis on explique leur principe de fonctionnement. On présente enfin les avantages et les inconvénients des piles à combustibles. I -2-Historique des piles à combustible : L’effet physico-chimique à uploads/Geographie/ hammoummalika-haddadithafsouth.pdf