La recirculation des gaz pour améliorer la longévité des piles à combustible

Des chercheurs de l’EPFL sont parvenus à augmenter le rendement et la longévité de piles à combustible en utilisant un système de recirculation des gaz. Pour l’heure, ce type de pile reste encore peu répandu en Europe, faute notamment à des coûts de production non adaptés à une commercialisation à grande échelle.

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.

La recirculation des gaz, c’est quoi ?

Adapter la demande d’électricité à la production reste un défi. Mais les chercheurs sont parvenus sont parvenus à augmenter le rendement électrique de piles à combustible. Les chercheurs ont utilisé un dispositif unique de recirculation 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.

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.

Un système durable et autosuffisant

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.»

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. 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.

 

 

Crédit: Article adapté d’une publication originale sur le site de l’EPFL, les textes, les images et les vidéos sont sous licence CC BY-SA 4.0

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