Résumé: Les piles à hydrogène, également appelées piles à hydrogène à membrane échangeuse de protons (PEMFC), sont largement utilisées dans les stations de recharge pour véhicules électriques, les automobiles et d'autres installations de production d'énergie en raison de leurs avantages en termes d'efficacité, d'émissions nulles et de non-pollution. Les véhicules à hydrogène à pile à combustible émettent de la chaleur pendant leur fonctionnement, qui est 3 à 5 fois plus élevée que celle des véhicules à carburant traditionnel. Cet article présente brièvement les technologies actuelles de dissipation thermique des piles à hydrogène.

1-Principe de fonctionnement des piles à hydrogène

Les piles à hydrogène libèrent une grande quantité de chaleur pendant leur fonctionnement, répartie comme suit : environ 55 % provient des réactions électrochimiques, 35 % des réactions électrochimiques irréversibles, 10 % de la chaleur de Joule, et environ 5 % de la chaleur de condensation et d'autres pertes thermiques. La chaleur générée par les piles à hydrogène est approximativement égale à l'énergie électrique qu'elles produisent. Si la chaleur n'est pas dissipée en temps utile, la température interne de la pile augmentera considérablement, ce qui affectera sa durée de vie.

Principe de la réaction PEM

2-Dissipation thermique des piles à hydrogène

Comparés aux véhicules à carburant, les véhicules à hydrogène à pile à combustible produisent une chaleur plus élevée et ont un système plus complexe. De plus, en raison des limites de température de fonctionnement des piles à hydrogène, la différence de température entre les piles et l'environnement externe est réduite, ce qui rend le système de refroidissement plus difficile à gérer. La température de fonctionnement des piles à hydrogène a un impact significatif sur la résistance à l'écoulement des fluides, l'activité des catalyseurs, l'efficacité du stack et la stabilité, nécessitant donc un système de refroidissement efficace. 

La technologie de refroidissement liquide est actuellement la principale technologie utilisée pour les piles à hydrogène dans les véhicules. Elle vise à réduire la consommation d'énergie de la pompe en abaissant la perte de pression du système, à éliminer la chaleur excédentaire des piles à hydrogène avec une consommation d'énergie minimale, et à optimiser la distribution des canaux de fluide de travail circulant pour réduire la différence de température interne et améliorer l'uniformité de la répartition de la température des piles.

Environ 90 % de la chaleur produite par les piles à hydrogène est dissipée par conduction thermique et convection, tandis que 10 % est dispersée dans l'environnement externe par rayonnement. Les méthodes de refroidissement traditionnelles comprennent le refroidissement par air, le refroidissement liquide et le refroidissement par changement de phase.

3-Transfert de chaleur dans le système PEMFC

 3.1 Refroidissement du stack

Après la génération de chaleur à l'intérieur du PEMFC, cette chaleur est transférée entre les différents composants du PEMFC et l'environnement externe. Le transfert thermique à l'intérieur du stack de piles à hydrogène dépend principalement de la résistance thermique de chaque composant ainsi que de la résistance thermique de contact entre les différents composants. Étant donné que la couche de diffusion des gaz sert de « pont » entre les principaux composants générateurs de chaleur (les électrodes à membrane) et les principaux composants de dissipation thermique (les plaques bipolaires), la taille de sa résistance thermique et celle de son contact avec d'autres composants ont un impact significatif sur les performances de transfert thermique du PEMFC. De plus, la résistance thermique de contact entre les différents composants influence également le transfert thermique interne du stack de piles à hydrogène.

3.2 Transfert thermique du fluide de refroidissement

Les méthodes de refroidissement des piles à hydrogène incluent le refroidissement par air, le refroidissement liquide et le refroidissement par changement de phase. Les facteurs influençant le transfert thermique du fluide de refroidissement comprennent les extrémités du stack PEMFC, le fluide de refroidissement lui-même et les échangeurs de chaleur. Le fluide de refroidissement entre directement en contact avec les plaques bipolaires aux extrémités du stack PEMFC, ce qui rend la structure des canaux du fluide de refroidissement cruciale pour son efficacité thermique. En outre, les propriétés du fluide de refroidissement affectent également le processus de transfert thermique associé. Compte tenu de l'espace disponible limité, l'utilisation d'un fluide de refroidissement ayant une capacité thermique plus élevée peut réduire la taille des échangeurs de chaleur et améliorer les performances de gestion thermique du PEMFC. Par conséquent, la demande pour des fluides de refroidissement plus efficaces devient de plus en plus évidente.

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