par Abderezzak, Bilal
Iste éditions
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Niveau 3 - Techniques
Introduction aux phénomènes de transferts dans la pile à combustible PEMFC
| Auteur(s) : |
Abderezzak, Bilal
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Résumé
Ouvrage de synthèse sur la pile à combustible à membrane échangeuse de protons. Après une présentation générale de la technologie de l'hydrogène et des piles à combustibles, l'auteur détaille les phénomènes physico-chimiques qui se déroulent dans une cellule de pile PEMFC, comme les transferts de charge, de masse et de chaleur. ©Electre 2018
- Contributeur(s)
- Éditeur(s)
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Date
- 2018
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Notes
- Bibliogr. Index
- PEMFC = Proton exchange membrane fuel cells
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Langues
- Français
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Description matérielle
- 1 vol. (176 p.) : illustrations en noir et en couleur ; 24 x 16 cm
- Collections
- Sujet(s)
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ISBN
- 978-1-78405-408-3
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Indice
- 621.3 Électrotechnique
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Quatrième de couverture
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L'hydrogène apparaît comme une alternative intéressante aux sources d'énergies polluantes et intermittentes. Il est considéré comme un vecteur énergétique permettant de stocker et de transporter de l'énergie sous sa forme chimique.
Bien que la pile à combustible PEMFC soit un convertisseur électrochimique fonctionnant selon le principe inverse de l'électrolyse de l'eau, elle est aussi considérée comme l'une des applications les plus courantes de l'hydrogène. L'étude et la compréhension des phénomènes physico-chimiques au coeur d'une cellule de la pile sont indispensables pour la prédiction de ses performances et même de sa durée de vie.
Cet ouvrage contribue à l'étude des différents phénomènes de transferts couplés au coeur d'une cellule d'une pile PEM (transferts de charge, de masse et de chaleur). Il est le fruit de plusieurs années de recherche et de traduction à partir des livres et des travaux de thèse réalisés au cours des dernières années.
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Tables des matières
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Introduction aux phénomènes de transferts dans la pile à combustible PEMFC
Bilal Abderezzak
iSTE editions
- Avant-propos11
- Chapitre 1. Introduction à la filière technologique de l'hydrogène13
- 1.1. L'hydrogène comme vecteur énergétique13
- 1.1.1. Les méthodes de production18
- 1.1.2. Les technologies de stockage20
- 1.1.2.1. Stockage sous forme liquide20
- 1.1.2.2. Stockage gazeux sous haute pression20
- 1.1.2.3. Stockage sous basse pression21
- 1.1.3. Les réseaux de distribution et risques associés21
- 1.1.3.1. Risque de fuite22
- 1.1.3.2. Risque d'inflammabilité22
- 1.1.3.3. Risque de formation d'une nappe explosive22
- 1.1.4. Les avantages et les défis à soulever22
- 1.1.4.1. Les avantages23
- 1.1.4.2. Les inconvénients23
- 1.2. Les types des piles à combustible23
- 1.2.1. Les différentes technologies des piles à combustible24
- 1.2.1.1. Principe de fonctionnement des piles à combustible25
- 1.2.1.2. Pile à combustible à membrane polymère (PEMFC)25
- 1.2.1.3. Pile à combustible alcaline (AFC)27
- 1.2.1.4. Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC)30
- 1.2.1.5. Pile à combustible à carbonates fondus (MCFC)32
- 1.2.1.6. Pile à combustible à oxyde solide (SOFC)35
- 1.2.1.7. Pile à combustible à méthanol direct (DMFC)37
- 1.2.1.8. Pile à combustible réversible (RFC)40
- 1.2.1.9. Pile à combustible métal-air40
- 1.2.1.10. Pile à combustible céramique protonique (PCFC)41
- 1.2.1.11. Biopile ou pile à combustible microbienne (BFC)41
- 1.2.2. Le couple piles/applications42
- 1.2.2.1. Secteur du stationnaire43
- 1.2.2.2. Marché des transports43
- 1.2.2.3. Secteur portable43
- 1.2.3. Les avantages et les problèmes à optimiser44
- 1.3. La pile à membrane échangeuse de proton45
- 1.3.1. La structure élémentaire de la pile PEMFC47
- 1.3.1.1. La couche d'électrolyte48
- 1.3.1.2. La couche catalytique52
- 1.3.1.3. Les couches de diffusion des gaz53
- 1.3.1.4. Les plaques bipolaires53
- 1.3.2. Conception et configuration des PEMFC54
- 1.3.3. Fonctionnement et problème de vieillissement56
- 1.3.4. La pile et son entourage technique57
- 1.3.4.1. Le système d'approvisionnement58
- 1.3.4.2. Le système de contrôle58
- 1.3.4.3. Le convertisseur statique58
- 1.3.4.4. Le circuit de refroidissement59
- 1.3.4.5. Le circuit d'humidification59
- 1.4. Conclusion59
- 1.5. Quiz60
- Chapitre 2. Les phénomènes de transfert de charges61
- 2.1. Introduction61
- 2.2. Thermodynamique et chimie de la pile PEM62
- 2.2.1. La réaction de base62
- 2.2.2. La chaleur de réaction62
- 2.2.3. Le travail électrique63
- 2.2.4. La tension à vide64
- 2.2.5. Effet de la pression65
- 2.2.6. Effet de la température67
- 2.2.7. Efficacité théorique70
- 2.3. Les débits des réactifs et des produits72
- 2.3.1. Débit d'oxygène72
- 2.3.2. Débit d'hydrogène73
- 2.3.3. La quantité d',eau produite74
- 2.4. Électrochimie de la pile74
- 2.4.1. La cinétique des électrodes74
- 2.4.2. Énergie d'activation75
- 2.4.3. Vitesse de réaction76
- 2.4.4. Courant d'échange76
- 2.4.5. Densité de courant77
- 2.5. Phénomènes de polarisation78
- 2.5.1. Polarisation d'activation79
- 2.5.2. Polarisation ohmique80
- 2.5.3. Polarisation de concentration82
- 2.5.4. Tension réelle84
- 2.5.5. Courbe de polarisation84
- 2.5.6. Plage optimale de fonctionnement85
- 2.6. Modélisation du transfert de charge85
- 2.7. Aperçu sur les modèles analytiques86
- 2.7.1. Les modèles analytiques simples86
- 2.7.2. Les modèles analytiques complexes87
- 2.8. Les modèles empiriques87
- 2.9. Transport de courant et conservation de charge87
- 2.10. Conclusion89
- Chapitre 3. Les phénomènes de transfert de masse91
- 3.1. Introduction91
- 3.2. Les flux de matière91
- 3.3. Le transfert de masse par convection95
- 3.4. Le transfert de masse dans les diffuseurs poreux98
- 3.4.1. La conservation de la masse98
- 3.4.2. La conservation des espèces98
- 3.4.3. Quelques lois paramétriques103
- 3.4.3.1. Pression de saturation103
- 3.4.3.2. Coefficient de diffusion binaire du mélange gazeux104
- 3.4.3.3. Isotherme de sorption105
- 3.5. Transfert de masse dans les couches de réaction (électrodes)106
- 3.5.1. Modèle à faible courant (Butler-Volmer)106
- 3.5.2. Modèle d'agglomérat à fort courant108
- 3.6. Transfert de masse dans la membrane110
- 3.6.1. Paradoxe de Schröeder110
- 3.6.2. Échelle microscopique112
- 3.6.2.1. Mécanique statistique112
- 3.6.2.2. Dynamique moléculaire112
- 3.6.3. Échelle mésoscopique114
- 3.6.4. Échelle macroscopique116
- 3.6.4.1. Modèle de transport de type milieu poreux116
- 3.6.4.2. Modèle phénoménologique121
- 3.6.5. Les lois paramétriques124
- 3.6.5.1. La teneur en eau124
- 3.6.5.2. La conductivité ionique de la membrane125
- 3.6.5.3. Le coefficient de diffusion d'eau dans la membrane125
- 3.6.5.4. Le coefficient électro-osmotique126
- 3.7. Conclusion126
- Chapitre 4. Les phénomènes de transfert de chaleur129
- 4.1. Introduction129
- 4.2. Les bilans énergétiques pour une pile à combustible PEMFC131
- 4.2.1. Bilan d'énergie pour un stack131
- 4.2.2. Bilan d'énergie pour les composants et pour les gaz133
- 4.2.3. Bilan d'énergie pour la phase gazeuse134
- 4.2.4. Bilan d'énergie pour la structure solide134
- 4.3. Le flux de chaleur dans les différentes couches de la pile PEMFC135
- 4.3.1. Transfert de chaleur par conduction135
- 4.3.2. Dissipation de chaleur par convection naturelle et par rayonnement136
- 4.4. La gestion thermique dans une pile PEM137
- 4.4.1. Les systèmes de refroidissement137
- 4.4.2. Refroidissement par convection du flux d'air à la cathode137
- 4.4.2.1. Refroidissement avec des canaux d'air séparés138
- 4.4.2.2. Refroidissement par un liquide139
- 4.4.2.3. Refroidissement par évaporation139
- 4.4.2.4. Refroidissement par dissipateur thermique intégré140
- 4.4.2.5. Refroidissement par des plaques140
- 4.4.3. L'effet de la température sur la performance de la pile PEM141
- 4.5. Les sources de chaleur dans la pile PEM141
- 4.5.1. Dans la membrane polymère144
- 4.5.2. Dans les électrodes144
- 4.5.2.1. Flux de chaleur de la réaction145
- 4.5.2.2. Flux de chaleur d'activation électrochimique des réactions145
- 4.5.3. Dans les GDL146
- 4.5.4. Le phénomène d'évaporation et de condensation de l'eau147
- 4.6. Distribution de la température entre deux cathodes : étude de cas150
- 4.7. Conclusion155
- Liste des symboles157
- Bibliographie159
- Index175
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Origine de la notice:
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