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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOHAMED BOUDIAF - M’SILA Mémoire présenté pour l’obtention Du diplôme de Master Académique Par: YOUCEFI Abdelhak TELEMÇANI Belkacem Intitulé Soutenu devant le jury composé de: ……………………………… Université de M’sila Président Mr Ballouti Adel Université de M’sila Rapporteur ……………………………… Université de M’sila Examinateur Année universitaire : 2016 /2017 Modélisation d’une pile à combustible de type PEM FACULTE : Technologie DEPARTEMENT: Electronique N° : -15/D11/ELN40 -15/D11/ELN41 DOMAINE : Science et Technologie FILIERE : GENIE ELECTRIQUE OPTION : TECHNOLOGIE DES SYSTEMES ELECTRO-ENERGETIQUE Je remercie vivement Monsieur SAIGAA Djamel pour les immenses efforts afin de nous encadrer durant notre superbe formation, pour les nombreuses discussions que nous avons eu, malgré un emploi du temps chargé, pour sa sensibilité, son égard, le respect et la sympathie dont je fus témoin. Je tiens à remercier Monsieur BALOUTI Adel pour avoir encadrer ce travail de mémoire, je le remercie pour le temps et les conseils qu’il n’a pas comptés, pour l’enthousiasme insatiable dont il fait preuve pour la recherche J’adresse mes sincères remerciements au Monsieur BENCHOUCHE Walid pour avoir initié et soutenu mon travail et d’avoir fait preuve d’une patience et d’une attention toute particulière. Je veux remercier également ma famille et mes amis pour leur soutien moral Tout d’abords, je rends grâce à Allah réussite. A ma chère mère, pour ses scarifies de A mon cher père, qui m’a toujours soutenu et m’a a A tous mes chères sœurs et frères. A mes tantes et mes oncles et mes grands A tous ma famille. Pour tous ceux qui ont fait pour que je puisse les honorer. A tous mes amis et mes collègues. A tous les enseignants du département d’électronique Je dédie ce modeste travail. Tout d’abords, je rends grâce à Allah pour toutes les bénédictions et la grâce de la A ma chère mère, pour ses scarifies de puis qu’elle m’a mise au monde. A mon cher père, qui m’a toujours soutenu et m’a aider à affronter les difficulties. A tous mes chères sœurs et frères. ntes et mes oncles et mes grands-mères. Pour tous ceux qui ont fait pour que je puisse les honorer. A tous mes amis et mes collègues. u département d’électronique. pour toutes les bénédictions et la grâce de la er à affronter les difficulties. Introduction Générale………………………………………………………………………1 Chapitre I: Généralité sur la pile à combustible I.1 Introduction……………………………………………………..………..…...…….…2 I.2 Historiqque …………………………………………………………...…………….…2 I.3 Principe de fonctionnement ……………………………………………………....…..4 I.4 Les différents types de piles à combustibles …………………………………...….….6 I.5 Constitution d’une pile à combustible de type PEM……………………………….......8  Electrodes…………………………………………………………………..….......9  Electrolyte…………………………………………………………………............9  Catalyseur………………………………………………………….……….…......10  Les catalyseurs du coté anode…………………………………….…….….....10  Les catalyseurs du coté cathode.………………………………….…….….....11  Plaque bipolaire………………………………………………………….………..11 I.5.1 L’alimentation des piles en combustible ………………………….……….....12 I.6 Systémes pile à combustible embarquée ……………………………………….…......13  Le conditionnement entrée-sortie cathode …………………………………...…...14  Le conditionnement entrée-sortie anode………………………………….…….....14  Le refroidissement et l’humidification……………………………………….…....14  La conversion et l’exploitation de l’énergie électrique………………………........15 I.7 Applications des piles à combustibles ……………………………………………........15 I.7.1 Applications portables……………………………………………………..........16 I.7.2 Applications stationnaires ………………………………………………..……..16 I.7.3Applications embarquées …………………………………………………….....16 I.8 Les rendements de fonctionnement des PAC…………………………………………...17 I.9 Les avantages et inconvénients des piles à combustible de type PEM ……….……....17 I.9.1 Les avantages ……………………………………………………….....….........18 I.9.2 Les inconvénients …………………………………………………..………......18 II.10 Conclusion……………………………………………………………………………...18 Chapitre II: Modélisation et dimensionnement du stack à pile à combustible II.1 Introduction………………………………………………………………………………19 II.2 Modélisation de la PEMFC ……………………………………………………………...19 II.2.1 Modèle de tension ………………………………………………………………...20  Tension de Nernst…………………………………………………………………...20  Polarisation d’activation (Charge transfert kinetics)………………………………..21  Polarisation ohmique………………………………………………………………...21  Polarisation de concentration (Mass Transport) …………………………………....22 II.3 Conclusion ………………………………………………………………………………..24 SOMMAIRE Chapitre III: Simulation numérique III.1 Introduction………………………………………………………………………………25 III.2 Programme de simulation par MATLAB…………………………………………………25 III.3 Résultats de simulation……………………………………………………………………26 III.3.1 Caractéristiques tension-densité de courant et puissance-densité de courant d’une cellule PEM……………………………………………………………………………………..26 III.3.2 Rendement d’une cellule PEM…………………………………………………….27 III.3.3 La tension de 25 cellules mises en série……………………………………………27 III.3.4 Effet de la température sur la caractéristique de la cellule…………………………28 III.3.5 Effet de la pression sur la caractéristique de la cellule……………………………..28 III.4 Conclusion……………………………………………………………………………….….29 Conclusion Générale et Perspective……………………………………………………………...30 Introduction Générale 1 Introduction La nécessité de réduire les émissions de polluants, l'utilisation des ressources énergétiques disponibles de façon plus efficace et le besoin en énergies, a conduit à une attention accrue vers des solutions énergétiques alternatives auxiliaires ou autonomes (exemple : les piles à combustibles). La mise en œuvre de ces nouveaux systèmes dans des dispositifs électriques hybrides (par exemple : HPVFC) peut être une solution efficace pour répondre à la demande d’électricité, surtout dans les périodes de faible ensoleillement ou de forte demande de la charge. Dans un système d'énergie HPVFC, l'électricité est produite par un générateur photovoltaïque pour répondre aux exigences d'une charge, Quand il y a un rayonnement solaire suffisant, la charge externe peut être alimentée entièrement par l'électricité photovoltaïque. Pendant les périodes de faible ensoleillement, l'électricité auxiliaire est nécessaire, un système d'énergie d'hydrogène formé par un électrolyseur, un système de stockage d'hydrogène, et une pile à combustible fonctionnent comme un générateur auxiliaire. Dans ces systèmes hybrides, l'hydrogène est produit par un électrolyseur, alimenté par le surplus d'énergie disponible à partir des sources primaires. La conception de ces systèmes s'appuie sur les batteries pour le stockage de l'énergie à court terme, tandis que l'hydrogène est utilisé pour le stockage de l'énergie à long terme pour une utilisation en temps par les piles à combustible. Ceci nécessite souvent le stockage et la conversion de l'énergie même complémentaires. Le stockage de l'hydrogène peut être une solution. Dans ce travail on s’intéresse aux piles à combustibles et leurs caractéristiques électriques ainsi qu’aux différentes technologies utilisées. Nous y présentons également une modélisation d’une pile de type Polymère Electrolyte Membrane (PEM). Ce mémoire est diviser on trois chapitre, le premier chapitre est consacré à la présentation des piles à combustibles et leurs caractéristiques électriques et chimiques ainsi que les différentes technologies utilisées. Le deuxième chapitre est consacré à la modélisation statique de la pile à combustible de type PEM. Enfin le troisième chapitre qui présente la simulation d’une pile de type PEM qui prend en compte l'effet de la température et de la pression de travail sur le rendement de la pile. Chapitre I Généralité sur la pile à combustible Chapitre I: Généralité sur la pile à combustible 2 I.1 Introduction Une pile à combustible (PAC) est un dispositif électrochimique qui permet de convertir directement l’énergie chimique interne d’un combustible en énergie électrique sans aucun processus thermique ou mécanique. I.2 Historique La découverte du principe de la pile à combustible remonte à 1839. Toutefois elle ne resta pendant de nombreuses années qu’une simple curiosité scientifique, son utilisation n’étant alors pas une nécessité. Cette découverte s’est effectuée en plusieurs étapes. En effet, à la période des précurseurs succéda un relatif abandon de près d’un siècle avant une « redécouverte » vers la fin du 20e siècle de cette technique, relancée par les préoccupations environnementales liées à l’aggravation de l’effet de serre. Le premier pas vers la pile à combustible a été réalisé en 1806 par le chimiste et physicien anglais Sir Humphry Davy qui en réalisant l’électrolyse de l’eau pure obtient distinctement de l’hydrogène et de l’oxygène dont il constate qu’ils sont les seuls produits.. L’électrolyse de l’eau consistant, à l’aide d’un courant électrique (décomposer l’eau en hydrogène et oxygène gazeux), certains scientifiques se sont alors intéressés à effectuer le processus inverse afin de générer un courant électrique à partir de l’hydrogène et de l’oxygène. Néanmoins, la découverte du principe de la pile à combustible n’intervient qu’en 1839 quand le scientifique suisse Christian Friedrich Schöenbein observe en réalisant une électrolyse que lorsqu’il coupe l’alimentation, les produits donnent lieu pendant quelques secondes à un courant électrique de sens inverse à celui appliqué pour réaliser l’expérience. En 1839, lors d’une conférence scientifique à Birmingham, Schöenbein rencontre l’avocat et chimiste anglais Sir William Robert Grove qui travaillait à l’époque sur les batteries électriques. Par la suite, les deux hommes entretiennent une correspondance et mettent en commun leurs découvertes. Chapitre I: Généralité sur la pile à combustible 3 Ceci débouche sur la célèbre expérience de Grove avec une pile à combustible: il s’agissait d’une cellule hydrogène-oxygène avec des électrodes de platine poreux et de l’acide sulfurique comme électrolyte. Nous sommes en 1845, Grove génère un courant sur le principe inverse de l’électrolyse de l’eau, c’est la première pile à combustible. Fig. I.1: L’expérience de Sir William Grove /ClubPac/.[1] Par la suite, la pile à combustible resta plus ou moins en latence durant près d’un siècle et après quelques légères améliorations par différents scientifiques du début du 20ème siècle, c’est Francis T.Bacon qui en 1935 enclenche le progrès le plus important en réalisant un prototype de pile à combustible remplaçant l’électrolyte acide par un électrolyte alcalin. L’avantage de ce dernier est d’être moins corrosif pour les électrodes. Cette pile à combustible aboutira en 1953 sur la création d’un premier générateur électrique de 1kW. Le principe physique est établi, des dizaines de laboratoires et d’industriels vont se lancer dans les piles à combustible. Néanmoins les coûts restant très élevés, ils sont un obstacle important à son utilisation, hormis pour la NASA qui peut se permettre de tels uploads/Science et Technologie/ 329-pdf.pdf