Humidification des gaz de piles à combustible

Solution adoptée

La solution Bronkhorst consiste essentiellement en un dispositif d’évaporation et de mélange à température contrôlée (système CEM) qui sert à générer un flux contrôlé de vapeur d’eau, lequel est fourni à la pile à combustible. L’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) agissent comme des gaz vecteurs du flux de vapeur d’eau. Dans ce système CEM, les régulateurs de débit massique thermique EL-FLOW Select ou EL-FLOW Prestige régulent les débits d’hydrogène, d’oxygène/air, tandis que les régulateurs de débit liquide mini CORI-FLOW ou LIQUI-FLOW fournissent le débit d’eau. Les flux de ces instruments entrent dans la chambre CEM où le mélange vapeur / gaz est généré.

L’objectif expérimental de ces bancs d’essai de piles à combustible est d’optimiser les différents composants (membrane électrolytique, nombre de stacks) et les conditions de fonctionnement de la pile à combustible. Les flux d’hydrogène, d’oxygène, d’air et d’eau (et leurs ratios) sont des paramètres d’entrée, et les performances de la pile à combustible sous forme de tension et de courant de la pile sont mesurées en tant que paramètres de sortie.
Les questions auxquelles il faut répondre sont notamment les suivantes : que se passe-t-il si l’on ajoute trop d’hydrogène ou d’air, quelle est l’influence du degré d’humidité, quel est le rôle des différents types de membranes ? 
 

Les débits de gaz des appareils EL-FLOW Select ou EL-FLOW Prestige sont adaptés à cette utilisation spécifique. Ces débitmètres thermiques pour les gaz conviennent parfaitement car ils sont dotés d’une grande précision tout en exerçant la plus petite pression différentielle possible. En ce qui concerne l’alimentation en vapeur d’eau, nous pouvons générer une très grande stabilité de régulation, qui dépend principalement de la vanne de mélange située dans le CEM. 
Dans cette application, pour la recherche sur les piles mono-stack, le débit d’eau typique fourni à la pile à combustible est de 100 à 1 000 grammes par heure, avec des quantités correspondantes de gaz vecteur d’oxygène et d’hydrogène, de sorte que l’humidité relative se situe dans une fourchette de 5 à 95 %. En outre, il est techniquement possible de réguler le débit d’eau jusqu’à 1 gramme par heure. 
Dans la pratique, certaines piles à combustible seront finalement utilisées à des pressions élevées, avec une différence de pression la plus faible possible sur la membrane, c’est-à-dire avec une pression égale des deux côtés des électrodes. L’état actuel de la recherche sur les piles mono-stack est tel que, pour certains types de membranes qui seront plus performantes à des pressions plus élevées, la pression mesurée peut atteindre 100 bars. La pression absolue et la différence de pression sont régulées par les instruments IN-PRESS de Bronkhorst. Le système CEM de Bronkhorst est généralement utilisé pour des débits d’eau faibles et précis comme ceux utilisés dans les piles mono-stack, jusqu’à 1 000 g/h.