Le rôle du séparateur d'eau dans les systèmes de piles à combustible refroidis à l'eau

Au sein de l'architecture complexe d'un système refroidi à l'eau système de pile à combustible à hydrogèneLe circuit de circulation d'hydrogène est un sous-système essentiel au bon fonctionnement et à la sécurité du système. Un composant vital de ce circuit est le séparateur d'eau, également appelé séparateur de condensats ou séparateur de condensats. Sa présence peut sembler paradoxale au premier abord : pourquoi un système conçu pour gérer strictement l'eau liquide aurait-il besoin d'un dispositif dédié à la gestion de l'humidité présente dans le flux gazeux ? Pour le comprendre, il est nécessaire d'examiner les sources d'eau du côté hydrogène, ses risques potentiels et les mécanismes d'équilibrage dynamique inhérents au fonctionnement du système. La réaction principale d'une pile à combustible implique la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire de l'eau, de l'électricité et de la chaleur. Cette eau est principalement générée au niveau de la cathode, c'est-à-dire du côté air.

Cependant, les molécules d'eau ne restent pas uniquement à leur point d'origine. La membrane échangeuse de protons (PEM), véritable « cœur » de la cellule, doit être suffisamment hydratée pour conduire efficacement les protons. Cette caractéristique présente un double tranchant. Si une hydratation membranaire suffisante est nécessaire à une bonne conductivité protonique, une différence de concentration en eau (ou activité de l'eau) de part et d'autre de la membrane crée une force motrice importante. Ceci provoque la diffusion des molécules d'eau de la cathode, à travers la membrane, vers l'anode (côté hydrogène), un phénomène connu sous le nom de « rétrodiffusion de l'eau ». Cette perméation inverse est particulièrement importante lorsque la réaction cathodique est intense, produisant de grandes quantités d'eau, tandis que le flux d'hydrogène anodique devient relativement sec en raison de la recirculation. Ainsi, de l'humidité indésirable apparaît dans ce qui devrait être un circuit d'hydrogène « sec ».

De plus, pour maintenir un niveau d'hydratation optimal de la membrane PEM, l'hydrogène entrant dans la pile nécessite souvent une humidification appropriée. Notamment lors du démarrage du système, l'humidification externe est une méthode courante pour éviter que l'hydrogène sec ne déshydrate la membrane. La vapeur d'eau introduite par ce processus d'humidification peut également se condenser en eau liquide si le flux d'hydrogène subit des variations de température pendant son écoulement. Par conséquent, l'humidité du côté hydrogène provient principalement de deux sources : l'eau rétrodiffusée depuis la cathode et la vapeur d'eau introduite par l'humidification du gaz d'entrée. Lorsque l'hydrogène chaud et humide recirculé traverse des sections plus froides de la tuyauterie, des vannes et de la pompe de recirculation, la vapeur d'eau peut se condenser en fines gouttelettes, formant ce que l'on appelle de l'« eau entraînée ». Laisser cette eau liquide s'accumuler dans le circuit d'hydrogène peut entraîner une série de problèmes graves. Le risque le plus immédiat est l'« engorgement ». Les canaux d'écoulement de l'hydrogène étant très étroits, l'eau liquide peut obstruer les champs d'écoulement d'une ou plusieurs cellules, entravant ainsi la diffusion efficace de l'hydrogène vers les couches catalytiques nécessaires à la réaction. Une carence locale en hydrogène provoque une chute de tension brutale dans cette zone et peut même conduire à une inversion de la polarité de la cellule (polarisation inverse).

Cela entraîne non seulement une production d'énergie instable, mais aussi une corrosion irréversible du catalyseur et du support en carbone, réduisant considérablement la durée de vie de la pile. De plus, ces gouttelettes d'eau peuvent accélérer la corrosion des composants métalliques des tuyaux et des vannes. Pour la pompe de recirculation d'hydrogène, qui fonctionne à grande vitesse, l'impact des gouttelettes peut provoquer un coup de bélier, susceptible d'endommager gravement la roue et d'entraîner le grippage ou la panne de la pompe, ce qui représente une menace importante pour la fiabilité globale du système. Le séparateur d'eau joue alors un rôle crucial d'élimination des gouttelettes.

Il est généralement positionné stratégiquement au sein du circuit de circulation d'hydrogène, souvent à un point critique entre la sortie de la pile et l'entrée de la pompe de recirculation. Son fonctionnement repose généralement sur les principes de séparation centrifuge ou inertielle. Lorsque de l'hydrogène humide chargé de gouttelettes d'eau pénètre tangentiellement dans la chambre du séparateur à une certaine vitesse, il crée un flux tourbillonnaire. Les gouttelettes d'eau les plus lourdes sont projetées vers l'extérieur par la force centrifuge contre la paroi, où elles fusionnent, perdent de l'énergie cinétique et forment des gouttelettes plus grosses qui finissent par s'écouler par gravité au fond du séparateur. L'hydrogène « sec » sort alors par la sortie centrale et est recirculé vers l'entrée de la pile par la pompe. L'eau liquide accumulée au fond est périodiquement évacuée du système par une vanne de vidange automatique ou à commande intermittente. Ainsi, le séparateur d'eau n'est pas un élément de conception superflu, mais une solution intelligente et essentielle aux problématiques complexes de gestion de l'eau au sein d'une pile à combustible.

Ce dispositif tient compte de la nature omniprésente des molécules d'eau et gère proactivement l'humidité supplémentaire introduite par la rétrodiffusion et l'humidification, garantissant ainsi que le circuit de circulation d'hydrogène conserve un état optimal d'« humidité sans saturation ». Ce composant protège la pompe de recirculation et contribue à assurer une distribution uniforme de l'hydrogène entre les cellules, constituant ainsi un élément essentiel pour atteindre un rendement élevé, une grande fiabilité et une durabilité à long terme dans les systèmes de piles à combustible. Bien qu'il ne s'agisse que d'un composant parmi d'autres, le séparateur d'eau est crucial pour maintenir le délicat équilibre hydrique du circuit d'hydrogène.