LES PILES À COMBUSTIBLE

UN PETIT PEU D'HISTOIRE..

La pile à combustible n'est pas une invention récente. Sir Humphrey Davy a créé en 1802 une pile à combustible simple (C | H₂O, HNO₃| O₂ | C pour Carbonne | Eau | Acide nitrique | Oxygène | Carbonne) avec laquelle il pouvait se donner un faible choc électrique.
En 1839, Sir William Robert Grove (souvent appelé le "père de la pile à combustible") a créé le premier type de pile basé sur l'inversion de l'électrolyse de l'eau. Il affirmait qu'en inversant ce processus, l'électricité pouvait être générée par la réaction de l'hydrogène et de l'oxygène ensemble. Le terme "pile à combustible" a été utilisé pour la première fois par Ludwig Mond et Charles Langer en 1889, et a été suivi de travaux approfondis pour essayer de développer des dispositifs utilisables.

Première pile à combustible de Grove de 10 cellules

Elle est devenue un appareil opérationnel pouvant être embarqué sur les engins spatiaux, le jour où il a été possible de maintenir, grâce à un isolant spécial (le Min-K recouvert d'un verre en silice) la température de 217° C, propice à une action contrôlée de l'hydrogène.
Dans la pile à combustible, la production d'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (dans notre cas l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant (l'oxygène). La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine.

Francis Thomas Bacon, l'inventeur de la pile à combustible fonctionelle et pionnier de leur développement industriel Francis Thomas Bacon est né le 21 décembre 1904 à Ramsden Hall, Billericay (Royaume-Uni). Ingénieur britanique, il était universellement décrit comme un "vrai gentleman". Descendant direct de Sir Nicholas Bacon, secrétaire d'État et Gardien du Grand Sceau à l'époque de la reine Elizabeth 1er, il a développé les premières piles à combustible hydrogène-oxygène pratiques, qui convertissent l'air et le carburant directement en électricité par des processus électrochimiques. Diplômé du Eton College et du Trinity College de Cambridge, il s'est intéressé aux piles à combustible alors qu'il travaillait pour la société d'électricité CA Parsons & Co Ltd. Bien que Sir William Grove ait découvert le principe des piles à combustible en 1842, celles-ci n'ont été considérées que comme une curiosité scientifique jusqu'au début des années 1940, lorsque Francis Thomas Bacon, travaillant alors au King's College de Cambridge, a proposé leur utilisation dans les sous-marins. Il poursuivit ses recherches avec l'Anti-Submarine Experimental Establishment, puis retourna à Cambridge (1946), où il fit la démonstration d'une pile à combustible produisant six kilowatts en 1959. Contrairement aux moteurs thermiques, qui ont une limite absolue quant à l'efficacité avec laquelle ils peuvent transformer la chaleur en électricité, une pile à combustible peut, en principe, libérer toute l'énergie libre d'une réaction chimique sous forme d'électricité. Dans la pratique, il est possible d'atteindre des rendements supérieurs à 70%. Mr Bacon s'est concentré sur la mise au point d'une pile hydrogène/oxygène avec un électrolyte alcalin d'hydroxyde de potassium fonctionnant sous pression à environ 200°C et utilisant des métaux non précieux. Le premier problème qu'il a dû résoudre était l'établissement d'une interface stable entre l'hydrogène et l'oxygène gazeux, l'électrolyte liquide et l'électrode solide ; cet objectif a finalement été atteint au moyen d'une structure bi-poreuse. Une petite pression différentielle positive était maintenue entre le gaz et l'électrolyte. Du côté gazeux de l'électrode en nickel fritté, des pores grossiers permettaient le déplacement de l'électrolyte liquide qui était retenu par des pores fins en raison de la tension superficielle. Cela a créé une interface entre les trois composants de l'électrode en nickel. Bien que ces électrodes aient permis de construire une pile à combustible, l'électrode d'oxygène s'est rapidement détériorée. Ce problème a finalement été résolu en oxydant les électrodes à oxygène dans l'air lorsqu'elles sont recouvertes d'une solution d'hydroxyde de lithium. Ce traitement a conduit à la formation d'une couche d'oxyde de nickel semi-conducteur noir, stable dans les conditions opératoires. Une autre observation essentielle était qu'en utilisant des concentrations très élevées d'électrolyte d'hydroxyde de potassium, les performances de l'électrode à oxygène et l'efficacité de la cellule étaient grandement améliorées. Cela a rendu la cellule Bacon supérieure aux alternatives. Les travaux dans le département qui avaient été parrainés par l'Association de recherche électrique et le ministère du Combustible et de l'Énergie ont abouti à une source d'alimentation à six cellules de (5 in) de diamètre fonctionnant à 200°C et 400 psi atteignant des champs électromagnétiques de cellule individuelle de 0,8 V à 230 mA/cm². Parrainés par la suite par National Research Defence Corporation, les travaux ont été transférés à Marshall of Cambridge où une source d'énergie hydrogène-oxygène à 40 cellules de (10 in) de diamètre produisant environ 6 kW d'énergie a été construite et démontrée en 1959. Pour le programme Apollo, la Pratt and Whitney Division of United Aircraft a obtenu une licence sur les brevets de Bacon et a utilisé le concept dans le but de fournir de l'énergie électrique à l'entreprise. À cet effet, la cellule Bacon était idéale. Tout d'abord, l'hydrogène et l'oxygène étaient présents à bord pour la propulsion et le maintien de la vie. Contrairement aux moteurs thermiques dont le rendement diminue avec la charge décroissante, celui de la pile à combustible augmente. En limitant la charge électrique, il était donc possible de fonctionner avec un rendement thermique de 75%. De plus, l'eau dérivée pouvait être utilisée pour boire et humidifier l'atmosphère de la capsule spatiale. Alors qu'il existait des piles à combustible concurrentes avec un électrolyte en résine échangeuse d'ions ou de l'hydroxyde de potassium plus dilué, l'offre de Pratt et Whitney a été retenue en raison de l'efficacité supérieure de la cellule Bacon. Il s'agissait néanmoins d'une décision courageuse car il n'existait aucune preuve préalable que les piles à combustible pouvaient fonctionner dans l'espace et d'énormes problèmes d'ingénierie restaient à résoudre. Le transfert de la technologie d'une équipe interdisciplinaire en Grande-Bretagne à un groupe d'ingénieurs en mécanique aux États-Unis a rencontré quelques difficultés. Au départ, les ingénieurs ont fait fonctionner les piles à combustible à une puissance trop élevée, ce qui a entraîné l'oxydation des électrodes d'hydrogène. Ce problème a été résolu grâce à l'explication fournie par R.G.H. Watson. Un autre problème rencontré par la suite dans la pile à combustible spatiale était la formation de petites bulles dans la cavité de l'électrolyte qui, en apesanteur, se répandaient et causaient des ravages. La direction de Pratt & Whitney a jugé prudent de ne pas admettre à la NASA l'existence de ce problème tant qu'une solution n'avait pas été mise au point. Pour résoudre le problème, ils ont construit un appareil où une cellule de Bacon complète, fonctionnant à 200°C et sous pression, pouvait être radiographiée en cours de fonctionnement. Ce dispositif, la fierté et la joie de l'équipe de recherche, a été dûment montré à Tom Bacon lors d'une visite guidée. "Et que voyez-vous ?" demanda-t-il. "Oh, rien", répondit rapidement l'ingénieur en chef. Et Tom, faisant preuve de perspicacité, s'abstint d'approfondir la question, disant seulement après coup à un ami qu'il avait compris qu'il devait y avoir un problème technique embarrassant. Néanmoins, Pratt & Whitney, qui avait réuni une formidable équipe d'environ 1000 personnes, a surmonté toutes les difficultés. Les piles à combustible finalement mises au point, pour un coût d'environ 100 millions de dollars, utilisaient une solution d'hydroxyde de potassium à 75-85% comme électrolyte et fonctionnaient à 204 °C et à une pression de 3,7 atmosphères absolues. Les ingénieurs de Pratt et Whitney avaient compris que les concentrations élevées d'hydroxyde de potassium dans l'électrolyte amélioraient non seulement les performances des électrodes, mais permettaient également des pressions de fonctionnement plus basses. L'électrolyte étant solide à température ambiante, des appareils de chauffages étaient utilisés pour démarrer les cellules avant le lancement. La centrale avait une puissance de 563 à1420 W entre 27 et 31 volts et 2300 W à tension réduite. Tom a toujours parlé de l'équipe avec beaucoup d'admiration, "des ingénieurs merveilleux, ces gens de Pratt et Whitney". Ces derniers, pour leur part, avaient un énorme respect pour Tom et pour ce qu'il avait réalisé avec ce qu'ils considéraient comme une toute petite équipe. Quelques jours après le retour des astronautes, Tom a reçu une lettre de Dick Foley de Pratt & Whitney lui disant : "Veuillez accepter mes félicitations personnelles pour la contribution que vos piles à combustible ont apportée à Apollo XI". Les honneurs et les félicitations ont suivi, Bacon et sa femme Barbara ont été invités au n°10 Downing Street pour rencontrer les astronautes Neil Armstrong, Buzz Aldrin et Michael Collins pendant leur tour du monde. Lors d'un dîner à Londres, un représentant de la NASA a présenté à Tom une miniature plaquée or de sa cellule montée sur un support en teck. Lors d'une visite aux États-Unis, il a rencontré le président qui a mis son bras autour de ses épaules et lui a dit : "Sans toi, Tom, nous ne serions pas allés sur la Lune". Il a reçu le prix et la médaille S.G. Brown de la Royal Society en 1965 et a reçu l'O.B.E. (division civile) en 1967. La médaille d'argent britannique de la Royal Aeronautical Society lui a été décernée en 1969, la médaille d'or Churchill de la Society of Engineers en 1972, le Diamond Shamrock Award et le prix Vittoria de Nora de l'Electrochemical Society Inc. en 1978. Lors de ces nombreuses cérémonies de remise de prix, l'extrême modestie de Tom transparaissait. Il disait : "Je n'y suis pour rien, tout dépendait des ingénieurs de Pratt & Whitney". Pourtant, sans sa persévérance acharnée, il n'y aurait pas eu de pile à combustible super efficace dans le CSM d'Apollo. Quelques semaines avant son décés, Il a dit : "J'ai des obligations à la fois en tant que scientifique (cherchant des avancées dans le monde matériel) et en tant que créature religieuse (cherchant la vérité dans le domaine de l'esprit). En tant que scientifique, je crois que l'introduction de l'électricité a été d'une immense utilité, réduisant une grande partie du labeur de l'humanité et permettant aux gens de mener une vie plus fructueuse. Ma vie d'ingénieur a été dominée par la recherche d'un moyen vraiment efficace de produire et de stocker l'électricité. Couplés aux nouvelles tendances de l'énergie solaire, ces procédés élimineront à terme le besoin de brûler des combustibles fossiles. L'un de mes principaux objectifs en tant qu'homme de science est d'atteindre ce but avant que les fléaux de la pollution atmosphérique ne se manifestent. En matière de religion, il est du devoir de l'homme de poursuivre sa quête de la vérité, notamment en ce qui concerne l'au-delà. Les différentes religions semblent offrir des opinions différentes sur ce sujet difficile. Tout comme les scientifiques, à la recherche de la vérité, ont fait des percées spectaculaires, nous devrions certainement utiliser nos cerveaux dans le domaine spirituel également, sans nous contenter d'accepter les dogmes établis par les générations précédentes. Quand vous arrivez à mon âge, presque 87 ans, vous commencez à vous demander : est-ce que le but ultime de la vie sur Terre est de faire évoluer l'esprit à partir de la matière ?" Francis Thomas Bacon est décédé le 24 mai 1992 à l'âge de 87 ans.

DESCRIPTION GÉNÉRALE DE LA PILE À COMBUSTIBLE PC3A-2

La pile à combustible du vaisseau Apollo, modèle PC3A-2 produite par United Aircraft Corp.'s Pratt & Whitney Aircraft Division (Hartford, Conn.), est un système de production électrique autonome (semblable à un groupe électrogène ou une centrale électrique) qui convertit en électricité continue l'énergie obtenue grâce à la réaction chimique exothermique entre l'hydrogène et l'oxygène stockés cryogéniquement (à l'état supercritique). Ces éléments sont fournis aux piles à combustible sous forme de gaz à haute pression. Le contrôle thermique des piles à combustible est assuré par des systèmes de régulation thermique indépendants qui captent et dissipent la chaleur produite à l'aide des radiateurs installés sur la surface du vaisseau spatial.

La pile à combustible PC3A-2 de la société United Aircraft Corp.'s Pratt & Whitney Aircraft Division

Le vaisseau spatial est équipé d'un système d'alimentation électrique composé de trois piles à combustible PC3A-2, connectées en parallèle pour générer toute l'énergie requise au maintien de la vie, au guidage et aux communications, ainsi que l'eau potable tout au long des deux semaines de la mission lunaire. Elles sont principalement fabriquées en titane, acier inoxydable et nickel, et se trouvent dans la zone 4 du module de service. Ces unités fournissent une puissance nominale individuelle de 1,42 kW, fonctionnant sous une tension de 27 à 31 volts. Elles fonctionnent sous une pression de 60 psi (4,1 bars). Chacune des trois piles est associée individuellement au dispositif de gestion thermique (radiateur du module de service), au système de stockage cryogénique, au système de stockage d'eau, et enfin au système de distribution d'électricité. Elles sont alimentées par deux réservoirs d'oxygène et deux d'hydrogène qui se trouvent dans le même secteur, juste au dessous. Ces centrales générent de l'électricité en courant continu selon les besoins.

Emplacement des piles à combustible dans le secteur 4 du SM. Les piles n°3 (à gauche) et n°1 sont visibles, la n°2 se trouve derrière elles

La pile PC3A-2 doit opérer dans une plage de tension de 27 à 31 volts sur un éventail de puissance nominale allant de 563 à 1420 watts pendant plus de 400 heures et avoir une capacité maximale de 2295 watts à une tension minime de 20,5 volts. À une puissance de 1420 watts, la consommation globale de réactifs atteint un maximum de 528 g (1,166 lb) par heure. La masse d'une pile, sans compter les systèmes de fixation du vaisseau spatial, est approximativement de 99,8 kg (220 lb) et passe à 111,13 kg avec ces dispositifs. Sa hauteur est de 111,75 cm et son diamètre atteint 55,87 cm. Parmi les critères clés en termes de performances opérationnelles et environnementales,on note que la charge doit fonctionner dans un milieu sous vide pendant 360 heures, résister à une basse température de -28,88°C (-20°F) sans interruption pendant 48 heures, ainsi qu'à une humidité de 95 % et des températures pouvant atteindre 54,4°C (130°F) sur une période de 240 heures. Les autres spécifications incluent douze cycles de démarrage, la faculté de tolérer une accélération de 7g pendant un quart d'heure, des vibrations changeantes durant quinze minutes sur chacun des axes, ainsi qu'une longévité (entièrement chargée et prête à démarrer) de 2 ans.

La pile à combustible se compose de quatre sections ou systèmes distincts : (1) une section dédiée à la conversion de l'énergie, (2) un système en charge du contrôle des réactifs, (3) un système spécifique au contrôle thermique et à l'élimination de l'eau, et (4) l'instrumentation nécessaire. Les trois derniers systèmes sont montés dans la partie accessoires qui est fixée juste au-dessus de la cuve contenant les cellules (la secteur de conversion d'énergie) de la pile à combustible.

Un peu plus en détails..

La section de conversion de l'énergie

La section de conversion de l'énergie se compose essentiellement d'un pile de 31 cellules alcalines de type Bacon (bloc d'alimentation) branchées en série, séparées par des éléments chauffants. L'assemblage est maintenu par des tiges de torsion. On retrouve également des collecteurs de gaz, la vanne de dérivation du régénérateur primaire et les câbles de connexion associés. Le tout est logé dans une enveloppe en titane pressurisée à l'azote qui est installée dans une cuve isolée en acier servant de support.

Un empilement de cellules de type Bacon lors de leur montage (posé à l'envers)

Une cellule individuelle est formée par deux disques de support d'un diamètre d'environ 28,60 cm (11,25 in) et de deux électrodes circulaires ayant un diamètre approximatif de 21,60 cm (8,5 in). Les deux électrodes sont de construction similaire. La première électrode : l'anode (hydrogène) est constituée de deux couches de nickel fritté à double porosité, élaboré à partir de poudre de nickel chauffée (frittage) et pressée en feuilles. La seconde : la cathode (oxygène) à la même composition, mais du côté en contact avec l'électrolyte, elle est recouverte d'un revêtement d'oxyde de nickel noir imprégné de lithium pour inhiber l'oxydation (accentué avec l'oxygène). Les pores grossiers (environ 40 μ) se trouvent du côté gaz de l'électrode et les pores fins (environ 10 μ) du côté électrolyte. Les matériaux de l'électrode servent de catalyseur dans la réaction électrochimique et sont résistants à la corrosion par l'électrolyte. Chaque électrode est fixée par soudage dans l'un des disques de support en nickel pur qui est pourvu de nervures assurant la circulation des gaz sur toute la surface des électrodes. Des connecteurs appropriés, dotés d'isolateurs électriques distincts, délivrent les gaz réactifs, évacuent les produits de combustion et les composans inertes. Un joint en Téflon positionné à la périphérie de la cellule retient l'électrolyte à l'intérieur, tout en fournissant une isolation électrique entre les parties diaphragme des électrodes en assurant leur séparation physique.

Une électrode circulaire de nickel fritté à double porosité est soudé à un disque de support en nickel, avec des nervures assurant l'écoulement du gaz sur toute la surface de l'électrode. Les nervures sont estampées dans le disque de support (à droite de la photo) ou sur le disque poreux (à gauche de la photo)

Le saviez-vous ?? 1) Les électrodes étaient initialement brasés aux alvéoles des disques de support, mais la brasure n'était pas suffisamment résistante et les électrodes se sont détachées, se sont déformées et ont court-circuité la chambre d'électrolyte. Ce problème a été résolu en utilisant les structures illustrées ci-dessus à droite et en soudant les nervures en ligne. Le soudage par faisceau d'électrons a été utilisé pour l'électrode d'hydrogène et le soudage par résistance pour l'électrode d'oxygène.

2) L'expansion et la contraction de l'électrolyte sont compensées par la flexion du diaphragme situé à la périphérie de chaque cellule. La pression de l'électrolyte est maintenue par l'azote qui baigne l'extérieur de chaque cellule.

Chaque cellule renferme un électrolyte qui, lors de son premier remplissage, se compose d'environ 83 % d'hydroxyde de potassium (KOH) aqueux et 17 % d'eau en termes de masse. La pile PC3A-2 est initialement conçue pour accroitre la teneur en eau et, lors d'une utilisation normale, son contenu en eau fluctue entre 23 et 28 %. Dans ce rapport, l'électrolyte présente une température critique de 182,2°C (360° F). La réaction électrochimique (aussi exothermique) de la pile se déclenche lorsque la température atteint le seuil critique. L'équipement de soutien au sol élève la température des piles au-delà du seuil critique. Pour conserver la température minimale normale de fonctionnement à 196,1°C (385° F), il est nécessaire d'appliquer une charge sur la pile d'environ 563 watts.Le dispositif de chauffage automatique en ligne conservera la température de la centrale dans cette fourchette lors de charges plus légères. Les piles ont une température de fonctionnement nominale de 204,4° Celsius (400° F), mais cette dernière fluctue selon les prescriptions dans la plage de charge. Les piles à combustible peuvent opérer à des températures pouvant atteindre 260°C (500 °F).

Le saviez vous ?? L'électrolyte étant solide à température ambiante, la cellule a donc été assemblée avec un disque de KOH moulé. Le disque a fondu à la température de fonctionnement mais n'a pas rempli complètement le compartiment à électrolyte, et du KOH fondu à 80 % a été ajouté via un bouchon de remplissage.

Fixée et raccordée sur le côté de l'empilage de cellules, on retrouve la vanne de dérivation du régénateur primaire, reconnaissable avec ses quatre sorties tubulaires. Le rôle de celle-ci est de réguler la fraction d'hydrogène d'échappement de la cellule qui contourne le régénérateur, contrôlant ainsi indirectement la température de fonctionnement de l'empilement de cellules. C'est une vanne à position variable qui détecte la température du système d'échappement de l'hydrogène et régule la fraction qui contourne le régénérateur primaire par l'intermédiaire d'un élément d'actionnement thermostatique bimétallique.

 
Vanne de dérivation du régénérateur primaire, schéma de fonction et localisation

Entre les cellules, on trouve des éléments chauffants intercellulaires. Leur fonction est de chauffer le bloc d'alimentation au-dessus du point de fusion de l'électrolyte, ce qui permet de mettre la centrale en charge.

La partie accessoires

C'est un cadre métallique en Y qui délimite 3 baies et sert de support aux différents équipements, il est fixé, à l'aide de trois pieds espacés de 120° sur le dessus de la section de conversion de l'énergie. La baie n°1 abrite le câble de sortie de puissance, le système de pressurisation à l'azote (réservoir et régulateur), la boucle secondaire (glycol et eau), l'accumulateur eau/glycol et sa pompe ; la baie n°2 loge une partie de la boucle primaire (hydrogène et vapeur d'eau), le capteur de pureté de l'eau, le condenseur qui relie les deux boucles (primaire et secondaire), la pompe séparatrice de l'hydrogène, les deux régulateurs (H₂ et O₂) ainsi que la vanne de dérivation du régénérateur secondaire et la baie n°3 acceuille le régénérateur secondaire et les réchauffeurs des réactifs. On y trouve également la plomberie, les câbles et autres connecteurs associés.

Représentation 3D, vue de dessus de la partie accessoires d'une pile à combustible PC3A-2. On note bien la délimitation des baies avec le cadre métallique en forme de Y au centre. 3D originale de Ryan Seper ou ici

Nomenclature.. Représentation du centre : 1) réservoir d'azote sous pression, 2) régulateur d'azote, 3) accumulateur eau/glycol, 4) pompe du liquide de refroidissement, 5) câble de sortie de puissance.. Représentation de droite : 6) régulateur de l'hydrogène, 7) régulateur de l'oxygène, 8) vanne de dérivation du régénérateur secondaire, 9) condenseur (derrière les régulateurs), 10) pompe séparatrice de l'hydrogène, 11) capteur de pureté de l'eau.. Représentation de gauche : 12) réchauffeur de réactif (H2), 13) réchauffeur de réactif (O2), 14) régénérateur secondaire. .3D originale de Ryan Seper ou ici

Principe de fonctionnement

Tout l'ensemble est pressurisé à l'azote. Le sous-système d'azote est composé d'un petit réservoir d'azote qui contient environ 227 g (0,5 lb) d'azote à 1500 psia, d'un régulateur d'azote et de conduites de raccordement. La pression d'azote régulée (51,5 ± 0,5 psia) a une triple fonction. Elle est utilisée comme pression de référence pour les régulateurs d'hydrogène et d'oxygène ; elle est utilisée comme pression de refoulement dans l'accumulateur de glycol ; et elle pressurise l'enveloppe autour de la pile (de cellule), pressurisant ainsi l'électrolyte dans chacune des 31 cellules individuelles.

Les cellules des piles opèrent normalement à une température d'environ 204°C (400°F) avec un seuil minimal de 196°C (385°F) et un seuil maximal de 260°C (500°F). En combinant de l'hydrogène et de l'oxygène, elles produisent de l'énergie électrique, de l'eau et de la chaleur résiduelle. À l'intérieur des électrodes poreuses (cathode) à oxygène, celui-ci réagit avec l'eau de l'électrolyte et les électrons fournis par le circuit externe pour produire des ions hydroxyles. L'hydrogène réagit dans les électrodes poreuses (anode) à hydrogène avec les ions hydroxyles de l'électrolyte pour produire des électrons, de la vapeur d'eau et de la chaleur. Les électrodes de nickel (anode) agissent également comme un catalyseur dans la réaction. La vapeur d'eau et la chaleur sont retirées par la circulation de l'hydrogène gazeux dans la boucle primaire et les électrons sont fournis à la charge.

Schéma de fonctionnement d'une cellule contenue dansune pile à combustible

L'hydrogène et l'oxygène gazeux sont fournis à l'ensemble des cellules par l'intermédiaire de régulateurs de réactifs qui maintiennent la pression des réactifs dans la pile à combustible à des niveaux souhaités, indépendamment de la demande d'électricité. Les préchauffeurs du système d'alimentation en réactifs utilisent une partie de la chaleur résiduelle pour réchauffer les réactifs avant qu'ils n'entrent dans les régulateurs de pression.

Se sont les boucles primaire (hydrogène) et secondaire (glycol) qui contrôle la température de la pile. Un flux d'hydrogène supérieur (environ 10 psi au dessus) à la demande instantanée de la pile à combustible est maintenu pour évacuer l'eau et la chaleur résiduelle des cellules. L'hydrogène d'appoint (ou de consommation) entre dans la boucle primaire à la sortie de la pompe séparateur. Il s'y mélange à l'hydrogène et à la vapeur d'eau en recirculation et se dirige vers l'enveloppe de pression en passant par le régénérateur primaire, où le mélange est chauffé, et de là vers la pile (de cellules). La boucle primaire (ou boucle d'hydrogène) comprend le régénérateur primaire et la commande de dérivation, l'ensemble pompe séparateur à hydrogène, un condenseur et un réchauffeur en ligne pour le contrôle de la température dans des conditions de faible puissance.

Schéma des flux au sein d'une pile à combustible PC3A-2

La boucle de refroidissement primaire contient de l'hydrogène et de l'eau sous forme de vapeur surchauffée à 60 psi et 221,1°C (430°F). Si la température des cellules est trop basse dans une condition de fonctionnement donnée, le débit de retour d'hydrogène passe par un régénérateur. Dans ce régénérateur primaire, l'hydrogène fourni aux cellules est chauffé pour maintenir la température des cellules au niveau souhaité. La proportion du débit de retour d'hydrogène passant par le régénérateur est contrôlée par la vanne de dérivation du régénérateur primaire. Le capteur de la vanne de dérivation du régénérateur primaire détecte la température des gaz d'échappement de la pile, qui est essentiellement égale à la température de la pile. Le capteur est un bilame qui fait également office de déviateur de débit. Dans des conditions de forte puissance, lorsqu'une grande quantité de chaleur doit être rejetée, la température de la pile est élevée et la vanne de dérivation est ouverte (il s'agit d'une vanne à commande proportionnelle). Dans des conditions de faible puissance, lorsque la chaleur doit être conservée, la vanne de dérivation est fermée, ce qui permet une régénération maximale.

Le débit de retour de vapeur d'eau contenant de l'hydrogène passe ensuite par un condenseur où l'excès de vapeur d'eau est condensée en un liquide à 71,1°C (160°F) en transférant la chaleur transportée au mélange eau/glycol. Le condenseur a une double fonction. Premièrement : il maintient l'équilibre thermique de la boucle primaire en rejetant la chaleur perdue dans la boucle de glycol pour la transférer aux radiateurs placés sur le carénage entre le CM et le SM, où elle est rayonnée dans l'espace.

Système de rejet de la chaleur des piles à combustible

Deuxièmement : il maintient l'équilibre de masse dans la boucle primaire en condensant la vapeur d'eau des cellules avant que cette eau ne soit éliminée par le séparateur. Le condenseur est refroidi par un mélange d'éthylène glycol et d'eau qui est pompé à travers les radiateurs. Une partie du flux de retour du radiateur est dérivée vers le régénérateur secondaire afin de maintenir une température constante au niveau du condenseur. La quantité de liquide de refroidissement dérivée vers le régénérateur est contrôlée par la vanne de dérivation du régénérateur secondaire.

La température de la vapeur d'hydrogène et d'eau sortant du condenseur est contrôlée par une vanne de dérivation qui régule le flux à travers un régénérateur secondaire vers un condenseur de contrôle. Le mélange liquide/vapeur/gaz qui quittent le condenseur passent par une pompe séparateur à hydrogène où l'eau est extraite de l'hydrogène refroidi par action centrifuge. Le gaz froid et sec est ensuite pompé vers les cellules à travers le régénérateur primaire par une pompe à palettes motorisée, qui compense également les pertes de pression dues à l'extraction et au refroidissement de l'eau. La pompe séparateur est une unité à déplacement positif (à palettes). La puissance d'entrée de son moteur (environ 85 watts) est fournie par des onduleurs triphasés de 115 volts à 400 cycles. L'hydrogène gazeux et l'eau pénètrent dans le boîtier rotatif et le tamis de séparation de l'ensemble séparateur. L'eau est piégée dans le tamis de séparation en raison de la tension superficielle et est poussée vers le bas dans la zone de captage du tube de Pitot par la force centrifuge générée par le tamis et le boîtier en rotation. L'extrémité du tube de Pitot est immobile et immergée dans l'eau liquide. La rotation de l'eau et du boîtier produit une pression de 2 psi dans le tube de Pitot ; cette pression est transmise par l'eau au diaphragme et au ressort de la vanne d'évacuation de l'eau. Ce processus entraîne l'ouverture de la vanne et l'expulsion de l'eau du séparateur dans le tube de Pitot. Si une bulle de gaz pénètre dans le tube de Pitot, la pression du vérin est suffisamment abaissée pour que la soupape d'évacuation de l'eau se ferme. La bulle de gaz est alors expulsée par le tube de Pitot et sort par l'extrémité non immergée. Le fonctionnement réel consiste en un flux continu d'eau et de bulles de gaz à travers le tube de Pitot, pendant lequel l'ouverture périodique de la soupape d'évacuation de l'eau se produit, en fonction du degré d'immersion de l'extrémité du tube de Pitot. l'eau obtenue est évacuée vers le système d'alimentation en eau du vaisseau spatial. L'eau ainsi produite a un pH variant de 6 à 8. Elle alimente à la fois les réservoirs d'eau potable et d'eaux usées, et son excédent est déversé par-dessus bord si ces réservoirs sont remplis. Toutefois, l'eau des piles à combustible ne peut être fournie au système d'eaux usées que si le réservoir d'eau potable est rempli. La ligne du système d'eau potable mène à l'ensemble d'injection de chlore, à un clapet anti-retour et au réservoir d'eau potable. Le volume d'eau généré est en relation directe avec le nombre d'ampères-heures.

La boucle secondaire utilise un mélange d'éthylène glycol et d'eau comme liquide de refroidissement. La boucle se compose d'une pompe à glycol, du condenseur et des préchauffeurs, d'un accumulateur de liquide de refroidissement, d'un régénérateur secondaire et d'une vanne de dérivation secondaire. La pompe à glycol volumétrique (à palettes) fait circuler le liquide de refroidissement à travers les composants de la boucle secondaire et le système de radiateurs. Les caractéristiques de débit souhaitées sont obtenues en utilisant une conduite de dérivation avec un orifice interne pour diminuer le débit de la pompe en augmentant la différence de pression dans la pompe. L'alimentation de la pompe (environ 25 watts) est fournie par les mêmes onduleurs que ceux qui alimentent la pompe à hydrogène. L'accumulateur de liquide de refroidissement maintient une pression constante dans le système de refroidissement indépendamment des changements volumétriques causés par les variations de température du liquide de refroidissement.

Ci-dessous montage et test des piles à combustible chez United Aircraft Pratt & Whitney Aircraft.

Les vannes des réactifs assurent la liaison entre les centrales et le système cryogénique. Elles sont ouvertes lors du démarrage des piles à combustible avant le lancement et ne sont fermées qu'en cas de dysfonctionnement de la centrale nécessitant son isolement du système cryogénique. Avant le lancement, un interrupteur de vanne est actionné pour appliquer une tension de maintien au solénoïde ouvert des vannes d'hydrogène et d'oxygène des trois centrales. Cette tension n'est nécessaire que pendant la phase d'accélération afin d'éviter toute fermeture accidentelle due aux effets des fortes vibrations. Les vannes de réactifs ne peuvent pas être fermées lorsque cette tension de maintien est appliquée. Après l'insertion en orbite terrestre, la tension de maintien est supprimée et trois disjoncteurs sont ouverts pour empêcher la fermeture des vannes par l'activation involontaire des interrupteurs des vannes des réactifs.

Le saviez-vous?? À la NASA, il y a une règle : par mesure de sécurité, on monte trois piles dans le CSM (principe de redondance) :
- on impose que celles-ci doivent fonctionner correctement pour mener la mission à terme (même si on sait qu'une seule du groupe fournit assez d'énergie pour la totalité des équipements du vaisseau).
- si l'on ferme la vanne de reflux d'oxygène (vanne servant à la régularisation du flux d'oxygène en provenance des réservoirs cryogéniques, au sein même des piles) de n'importe quelle pile, la fermeture est définitive, je m'explique : le mécanisme étant si délicat et si parfaitement calibré, qu'une fois fermée la vanne ne peut être rouverte que par une équipe de techniciens aptes à en effectuer les réglages et les ajustages. La fermeture d'une de ces vannes signifie l'abandon de l'alunissage, donc l'échec de la mission.

La centrale est équipée de vannes de purge pour assurer la ventilation des systèmes de réactifs et des piles à combustible. Cette procédure est essentielle pour la suppression des éléments inertes présents dans les gaz réactifs, qui sont concentrés par l'élimination de l'hydrogène et de l'oxygène au sein des piles à combustible. Des instruments sont prévus pour permettre la surveillance des variables de fonctionnement significatives pendant la vérification et le fonctionnement de la centrale. La purge dépend de la demande de puissance et de la pureté du gaz. La purge de l'oxygène dure 2 min et celle de l'hydrogène 80 s. La fréquence des purges est déterminée par le profil de puissance de la mission et la pureté des gaz, tels qu'échantillonnés après le remplissage des réservoirs de l'engin spatial. Une purge de dégradation peut être effectuée si la sortie de courant de la centrale électrique diminue d'environ 3 à 5 ampères au cours d'un fonctionnement soutenu. La purge de l'oxygène a plus d'effet lors de ce type de purge, bien qu'elle soit suivie d'une purge de l'hydrogène si le retour à la normale n'est pas réalisé. Si la dégradation des performances est due à l'inondation de l'électrolyte de la centrale, ce qui serait indiqué par l'activation de l'indicateur de pH élevé, la purge ne serait pas effectuée en raison de la possibilité d'augmenter l'inondation.

Min-K : céramique thermique servant de matériel isolant d'une longévité élevée, peut se trouver sous plusieurs formes (couverture, feuille flexible, poudre).

Frittage : opération de la métallurgie des poudres qui consiste en un traitement thermique à haute température par lequel une poudre pressée est transformée en un objet monolithique.

Sources, documents PDF : "Apollo new ref. 1968" ; "Apollo XIII : lost moon" ; AD696424 "Proceedings 19th Annual power sources conference 18-20 may 1965 ; "Apollo Experience report Power Generation System de David Bell III et Fulton M. Plauché mars 1973" ; "Apollo Fuel Cell Powerplant POWERCEL Model PC3A-2 Component Descriptions" ; "Fuel Cells A Rewiew of Government Sponsored Research 1950-1964" de L.G Austin ; Transient Thermodynamic Analysis of a Fuel-Cell System par William Emile Simon, juin 1968 ; Apollo Fuel Cell Powerplant End-Item Inspection and Test Procédures PWA-2399D révision 2 avril 1968 ; Component Description Apollo Fuel Cell. Texte traduits de l'anglais de Paul Cultrera, tous droits réservés.