Meilleur rendement et durée de vie pour des piles à combustible

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Recirculateur du gaz d’échappement développé au Laboratoire de conception

Recirculateur du gaz d’échappement développé au Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD) © 2020 EPFL

Des chercheurs de l’EPFL sont parvenus à augmenter le rendement et la longévité de piles à combustible en utilisant un système de recirculateur à paliers aérodynamiques et une turbine à vapeur.

Alimentées avec de l’air et un combustible gazeux comme du gaz naturel ou du biogaz, les piles à combustible à oxyde solide, en anglais Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), ont la particularité de générer à la fois de l’électricité à haut rendement et de la chaleur, sans émission polluante. Installées dans les immeubles et maisons par exemple, elles pourraient ainsi alimenter le réseau électrique, les chauffages et distributeurs d’eau chaude.

Pour l’heure, ce type de pile reste encore peu répandu en Europe (contrairement au Japon, par exemple), faute notamment à des coûts de production non adaptés à une commercialisation à grande échelle. Mais le travail de chercheurs de l’EPFL pourrait changer la donne.

Des ingénieurs du Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD), situé à Microcity à Neuchâtel, sont parvenus à augmenter le rendement électrique de piles à combustible SOFC destinées à un usage domestique - avec une production de 6 kWe (kilowatt électrique). Leur système unique de recirculation des gaz au sein du système permet en outre d’améliorer la durée de vie des piles. Ce travail est issu d’une collaboration entre le LAMD, le groupe de recherche Group of Energy materials (GEM) de l’EPFL Valais Wallis à Sion dirigé par Jan Van Herle, ainsi que le partenaire industriel SOLIDpower SA d’Yverdon-les-Bains. Il fait l’objet d’une publication dans la revue Pour atteindre ces résultats, les chercheurs ont utilisé un dispositif unique de recirculateur des gaz de l’anode. En l’état, les piles à combustible SOFC ne convertissent qu’environ 80 à 85% du combustible gazeux disponible et les gaz n’effectuent qu’un seul passage dans la pile. L’idée était donc de relier la sortie et l’entrée de la pile pour faire circuler les gaz une deuxième fois. Comme ces piles fonctionnent à des températures de plus de 600°C, «le recirculateur augmente la pression des gaz d’échappement pour qu’ils soient compatibles avec la pression intérieure de la pile», indique Patrick Wagner, premier auteur de l’étude.

Grâce à ce système, les chercheurs ont mesuré une nette augmentation de rendement allant jusqu’à 10%. «Pour une pile à combustible utilisée à échelle domestique - production en charge partielle à 4,5kWe - nous avons réussi à atteindre un rendement brut de 66%», se réjouit Jürg Schiffmann, responsable du LAMD. A titre comparatif, les meilleures centrales thermiques du monde atteignent 63% de rendement électrique, mais sans produire en même temps de la chaleur utile. De plus, ces centrales fonctionnent à une échelle de plusieurs centaines de MWe, distribué ensuite sur le réseau électrique, ce qui implique des pertes de distribution - de l’ordre de 6% en Suisse.

Cette augmentation d’efficacité va de pair avec une augmentation de la durée de vie de la pile, notamment des catalyseurs qui sont plus stables sous un mélange de gaz recirculé.

Légende: Le mécanisme équipé de paliers aérodynamiques développés au Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD) Le principe de la recirculation du gaz n’est en soi pas nouveau. C’est le système conçu par les chercheurs qui est unique : il est équipé de la technologie de paliers aérodynamiques développés par le laboratoire LAMD et fonctionne avec une turbine à vapeur miniaturisée, elle-même entraînée par la chaleur produite par la pile.

En utilisant la technologie de paliers aérodynamiques, les chercheurs s’assuraient de ne pas avoir de contamination. «Les piles à combustible, comme à peu près tous les systèmes catalytiques, sont sensibles aux huiles ou autres fluides de lubrification qui viendraient altérer leur fonctionnement, explique Patrick Wagner. Or, les paliers aérodynamiques n’utilisent pas d’huile. Ce sont des pièces mécaniques qui permettent d’avoir la partie tournante du mécanisme en lévitation sur un coussin d’air généré par la rotation de l’arbre - une autre partie du mécanisme.» Hormis pendant le démarrage et l’arrêt, ce système a également l’avantage de ne provoquer aucune forme d’usure puisqu’il fonctionne sans contact.

Le choix de la turbine à vapeur a été motivé par le fait que les gaz sortant des piles à combustible SOFC contiennent toujours un résidu de combustible pouvant être explosif, notamment l’hydrogène. «Composé uniquement d’éléments mécaniques, notre recirculateur ne pose donc aucun danger de sécurité, ce qui n’aurait pas été le cas si nous avions utilisé un moteur électrique», poursuit le chercheur. Adaptée à la taille de la pile à usage domestique, cette turbine à vapeur de 34 W ne mesure que 15 millimètres de diamètre. Ce qui en fait une des plus petites turbines à vapeur du monde.

Pour travailler sur le développement commercial de ce système, Patrick Wagner a fondé la start-up OTurb. Un brevet a également été déposé.

Références

Patrick Hubert Wagner, Zacharie Wuillemin, David Constantin, Stefan Diethelm, Jan Van Herle, Jürg Schiffmann, " Experimental characterization of a solid oxide fuel cell coupled to a steam-driven micro anode off-gas recirculation fan ", Applied Energy , Volume 262, 15 March 2020, 114219.

Pour plus de détails sur la caractérisation du recirculateur, voir aussi :

Patrick Hubert Wagner, Jan Van Herle, Jürg Schiffmann, " Theoretical and Experimental Investigation of a Small-scale, High-speed, and Oil-free Radial Anode Off-gas Recirculation Fan FOR Solid Oxide Fuel Cell Systems ", J. Eng. Gas Turbines Power, 2019.