Loop-FC

  • Statut:En cours
  • Type:National

Description

Optimisation des rendements d’une pile à combustible en cogénération domestique par l’utilisation d’échangeurs diphasiques

Le but du projet est de développer à partir de produits existants EHP (spreader et boucle diphasique) un système qui va récupérer la chaleur perdue des stacks de piles à combustible pour des ensembles de microcogénération. Ce faisant, le système boucle diphasique et spreader va uniformiser la température et simultanément refroidir les stacks afin d’en améliorer le rendement global et potentiellement la durée de vie grâce à un meilleur contrôle de la température des stacks.

Les piles à combustible sont utilisées comme source d’énergie dans de nombreuses applications (pour des puissances allant de quelques mWe à plusieurs MWe) et sont reconnues par de nombreux experts comme la solution technologique la plus prometteuse en matière de micro-cogénération à l’échelle du bâtiment. Par réaction chimique exothermique entre de l’oxygène (capté dans l’air ambiant) et de l’hydrogène (extrait du gaz de ville in-situ ou stocké en bonbonnes au préalable), cette technologie, au rendement global pouvant atteindre en théorie 95%, produit ainsi à la fois de l’électricité et de l’eau chaude. Pour des applications de bâtiment, cette chaleur peut être directement réutilisée pour le circuit de chauffage ou d’eau chaude sanitaire. Par ailleurs, le fait de pouvoir créer au préalable de l’hydrogène de manière propre et de disposer d’une technologie qui ne génère que de la chaleur et de l’eau fait de la pile à combustible une solution très faiblement carbonée.

Néanmoins, il reste des freins au développement économique des piles à combustible : leur efficacité énergétique, leur durée de vie, leur coût et leur encombrement. L’efficacité énergétique des piles à combustible à membrane polymère -PEMFC (traitées prioritairement car étant les plus utilisées dans les applications de cogénération pour le bâtiment) est encore améliorable, spécifiquement sur l’enjeu de la bonne répartition de la température sur les stacks, constituants élémentaires de la pile à combustible. Ceux-ci, malgré des systèmes de récupération interne de la chaleur, présentent des pertes de chaleur vers l’ambiance qui font à ce jour baisser le rendement énergétique global du système de cogénération.

L’objectif de notre projet est donc de développer, sur base de solutions EHP, un assemblage de spreader thermique et de boucle diphasique en surface du stack de la pile à combustible permettant de récupérer une fraction significative du flux de chaleur perdu vers l’ambiance et in fine augmenter le rendement global d’au moins 2%. Le spreader permettra dans un premier temps de répartir la chaleur sur toute la surface de celle-ci, alors que la boucle permettra par la suite de transporter cette chaleur au circuit de refroidissement, améliorant ainsi la part de récupération de chaleur émise lors de la réaction. D’autres avantages indirects, liés à la diminution de la température de la pile en fonctionnement, pourront être étudiés et objectivés, notamment en matière d’augmentation de la durée de vie et de compacité de la pile.

Ce système a l’avantage d’être purement additionnel – et donc possible lors d’upgrades de systèmes existants – et sans partie mobile, ce qui le rend à la fois sans entretien et facile d’installation, notamment par collage au stack. Il ne change par ailleurs rien à la conception de la pile ce qui permet de s’adapter à un large marché de piles à combustible existantes ou en devenir qui sont toutes formées de stacks empilés. Il vient juste récupérer une partie de la chaleur à priori perdue pour la réinjecter dans le circuit de refroidissement de la pile ou dans le circuit de chauffage du bâtiment. Adapté aux températures de fonctionnement des PEMFC, le système additionnel se limitera dans un premier temps aux applications de cogénération pour le bâtiment. De plus, afin de démontrer le plus rapidement possible l’intérêt et les performances de cette idée, nous resterons proche des dimensions des spreaders et boucles existantes chez EHP même si le concept est généralisable à d’autres dimensions ou même d’autres températures de fonctionnement

Cette recherche vise spécifiquement à développer et évaluer chaque interface, chaque paroi de l’ensemble du système qui est source potentielle de perte d’énergie avec le milieu ambiant pour in fine optimiser le design de la boucle et des composants. La recherche visera également à quantifier, objectiver, l’efficacité énergétique réelle du système « stack + spreader + boucle », dans un environnement laboratoire et dans des conditions émulées permettant d’évaluer l’impact de l’environnement (bâtiment, occupant,…) intégrant la pile sur son rendement, cela en reproduisant virtuellement l’environnement et en s’interfaçant physiquement avec le prototype de laboratoire.

Dans cette recherche, le laboratoire ATM de l’ULB fournira le set-up expérimental complet avec la pile à combustible ainsi qu’un système de contrôle et de mesure de températures et de flux thermiques et, après analyse et calculs, la mesure d’efficacité énergétique globale du système. EHP se chargera du design et de la réalisation des éléments additionnels de refroidissement (spreader et boucle) et CENAERO, par modélisation et optimisation du système, établira la meilleure répartition et distribution des éléments de refroidissement, tout en apportant des éléments de régulation optimale en fonctionnement dans un environnement émulé.

Thèmes de recherche: Solutions intelligentes pour la gestion énergétique, Sources d’énergie renouvelables (pompes à chaleur, bioénergie, hydroélectricité)

Partenaires

Aero-thermo-mechanics department - ULB (ATM)

Intérêts de la recherche • Interactions turbulentes/de chimie en matière de combustion turbulente et modèles de combustion d'ordre réduit. • Combustibles non-conventionnels (combustibles enrichis en H2, gaz de synthèse et biogaz) et formation de polluants dans les systèmes de combustion.

1000 Bruxelles

Profil complet
Centre de recherche en aéronautique (Cenaero)

Centre de recherche en aéronautique (Cenaero)

Centre de recherche appliquée en simulation numérique, optimisation et analyse de données dans le secteur aérospatial, de l'industrie manufacturière, de l'énergie, des bâtiments

6041 Charleroi

Profil complet

Euro Heat Pipes (EHP) s.a.