Gestion de l'eau dans une pemfc

Sommaire

I. Introduction 2

II. Le CEA de GRENOBLE [4] 3

A. L'organisation du CEA Grenoble 3

B. Situation géographique et financière 3

C. Quelques chiffres 3

D. Une politique de valorisation industrielle 4

E. Laboratoire de Pile A Combustible (LPAC) 4

III. Qu’est-ce qu’une pile À combustible ? 5

A. La découverte des piles 5

B. type et utilisation d'une pile 7

IV. Modélisation d’une PEMFC 10

A. Présentation du problème 10

B. Couche de diffusion 12

C. Conditions aux frontières et géométrie 16

D. Implémentation sous FEMLAB 17

E. Résultats 21

Problèmes rencontrés et assistance 28

F. Conclusion sur l’utilisation de FEMLAB 30

V. ConclusionS et PerspectiveS 31

VI. Analyse critique de la formation à l’IUP 32

VII. Résume du stage/training abstract 33

VIII. Abréviations et Nomenclature 34

A. Abréviations 34

B. Nomenclature 34

IX. Bibliographies 35

X. Annexes 36

I.Introduction

La pile à combustible, une équation simple pour un système complexe.

La pile à combustible est souvent assimilée à une source d’énergie propre, cette image symbolisée par un verre d’eau pure qui est la seule émanation rejetée par ce procédé, s’oppose à l’image néfaste des autres générateurs d’énergie tels les moteurs à combustion ou les centrales nucléaires qui sont associés à la pollution de l’air, de l’eau et des sols.
On peut assimiler ce système à un convertisseur d’énergie chimique en énergie électrique, qui ne rejette aucun déchet nuisible à l’environnement. Le terme pile à combustible désigne en fait la plupart du temps un empilement de cellules électrochimiques élémentaires (ou stack) chacune constituée d’une anode, d’une cathode, d’un électrolyte et de conducteurs électroniques. Mais ce système ne peut fonctionner seul, il doit obligatoire être associé à des composants auxiliaires.
Le principal avantage de ce système c’est que l’on peut l’associer à beaucoup d’appareils allant de quelques watts (micro-sources, applications portables) jusqu’à quelques Mégawatts, tout ceci étant faisable en faisant varier des paramètres comme le nombre de cellules, la taille des cellules.

II.Le CEA de GRENOBLE [4]

A.L'organisation du CEA Grenoble

Le [CEA] est organisé en 4 pôles (Défense, Nucléaire, Recherche Technologique et Recherche Fondamentale).

Le CEA Grenoble est l'un des deux centres du pôle Recherche Technologique [DRT]. Il abrite également des unités dites "implantées" appartenant au pôle Recherche fondamentale et au pôle nucléaire.

[LITEN]

L'ensemble regroupe 115 laboratoires de recherche et divers services administratifs et techniques (services supports) chargés du fonctionnement au quotidien du centre.

B.Situation géographique et financière

Grenoble est une petite ville à forte densité de population située dans l’est de la France, au sud est de Lyon et au sud ouest d’Annecy à deux heures de route (sans compter les problèmes lies au trafic routier), et se situe dans une « cuvette » donc entourée de montagne, ce qui est propice aux températures extrêmes ainsi qu’aux pics de pollution, malgré les nombreux moyens de transports en commun proposés : Une vingtaine de ligne de bus et deux lignes de tramway et une ligne supplémentaire en construction.

Le CEA lui est situé dans le polygone scientifique, qui est un espace ou est regroupé divers laboratoire de recherche au nord ouest du centre de Grenoble.

C’est une ville très riche en terme de finance car elle est habitée par beaucoup d’ingénieur, donc les salaires sont élevés, pour preuve c’est la 2^e ville de France en ce qui concerne le salaire moyen le plus élevé (juste après Paris), ce qui a pour but de faire monter les prix de l’immobilier. [Isère]

C.Quelques chiffres

3500 personnes sur le site (dont 2600 salariés CEA)
730 jeunes en contrat de formation ou stage universitaire

184 brevets déposés en 2003 dont 182 pour la DRT : 
154 pour le Leti et 28 pour le Dten

305 millions d'euros de budget annuel

32 entreprises et 1600 emplois créées

115 laboratoires (dont 20 communs avec des entreprises)

D.Une politique de valorisation industrielle

32 start-up créées représentant 1500 emplois directs (10 créations depuis 2000) : Soitec, Tronic’s, Ulis, Intexys, Apibio, Protein’expert, Tracit, Soisic, etc.

20 laboratoires communs avec les entreprises
Certification ISO 9001 (charte de qualité) pour des activités de recherche technologique

E.Laboratoire de Pile A Combustible (LPAC)

Le laboratoire des piles à combustible regroupe deux parties :

• 
  PEMFC (75% du personnel du LPAC)
  

Proton Exchange Membrane Fuel Cell

• 
  SOFC (25% du LPAC)
  

Solid Oxyde Fuel Cell
Le laboratoire a décidé de s’occuper seulement de ces deux types de piles pour avoir une main mise sur les deux principales qui vont être utilisées (cf. III B). En sachant que la PEMFC occupe une place très importante vu que le laboratoire est l’un des leaders en ce qui concerne la R&D et qu’il mène beaucoup de projet que ce soit pour des industriels (par exemple PSA) ou des universités (par exemple Nancy en participant à l’éco-marathon Shell). En revanche, il y a une petite partie pour la SOFC ce qui lui permet de suivre des projets mais sans être meneur car il y a des laboratoires très performants en France sur cette technologie.
Le type de pile que j’étudie est la PEMFC (pile à combustible basse température : 80°C)

Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Les équations chimiques simples permettant de comprendre les produits et les réactifs mis en jeux sont :

H₂ 2H⁺ + 2 e^-

O₂ + 2H⁺ + 2 e^- H₂O+ énergie (électrique + chaleur)
On peut remarquer que dans ces deux équations il n’y a absolument aucune chaîne de carbones, donc il n’y a pas formation de COx ce qui n’entraîne qu’il n’y ait pas la création de gaz à effet de serre et pas de pollution.

Le fait de séparer l’hydrogène gazeux en ion hydrogène et en électrons, permet d’une part de libérer de l’énergie que l’on va pouvoir utiliser vers un récepteur (moteur…) et d’autre part si l’on ne séparait pas le H₂ en H⁺ et e^-, on mettrait directement en présence deux gaz : H₂ et O₂, qui au contact l’un de l’autre et avec un apport d’énergie (étincelles, flammes…) créerait une explosion (utile pour les lanceurs de fusées ou le concessionnaire automobile BMW avec un moteur thermique).