Analyse Thermodynamique en Dimensions Finies du Système Pile à Combustible

Producing direct electrical energy, the fuel cell is often considered as a battery. However, it also produce a specific type of work in consuming the chemical energy carried by a fuel and a combustive. Hence, it also be viewed as a sort of internal combustion heat engine. Starting from this idea, we represent the fuel cell as an equivalent heat engine, the ideal fuel cell i.e. reversible in a thermodynamical way, being represent by a Carnot heat engine. Then, introducing this representation in the Finite Dimensions Thermodynamics framework, we define a endoreversible fuel cell that produce entropy only in exchanging mass and energy with the surrounding. Considering all these results with an exergy point of view allow us to analyze the whole Fuel Cell System i.e. the fuel cell and its ancillaries (heat exhangers, humidifying system, etc.), in a more relevant way. The resulting Finite Dimensions Exergy Analysis is successively applied to the fuel cell and its ancillaries, and finally to some interesting examples of fuel cell systems e.g. composed by high or low temperature fuel cell and by a combined cycle system with a heat engine. Beyond the well known relevancy of exergy approach to analyze very different types of systems, we want here to show that it would be very interesting and useful to apply it out of its traditional topics, for example in electrotechnics.En tant que système producteur de puissance électrique continue, la pile à combustible est souvent considérée de la même manière qu'une batterie. Il s'agit cependant d'un système ouvert qui utilise l'énergie chimique portée par un couple carburant/comburant, pour produire du travail, électrique en l'occurrence. Elle peut ainsi être considérée comme un type particulier de moteur thermique à combustion interne. Partant de cee simple réflexion, nous représentons dans cette thèse la pile à combustible sous la forme d'un moteur thermique équivalent, sur la base d'une identification de la pile idéale, c'est-à-dire réversible d'un point de vue thermodynamique, à un moteur de Carnot. Puis, prolongeant le raisonnement dans le domaine de la thermodynamique en dimensions finies, nous définissons une pile à combustible endoréversible, c'est-à-dire source d'entropie par l'intermédiaire de ses échanges de matière et d'énergie avec son environnement. La traduction en langage exergétique de ces idées permet d'appréhender de manière plus pertinente le fonctionnement du système pile à combustible, formé par la pile elle-même et par ses organes auxiliaires principaux (échangeurs, humidificateur d'air, etc.). L'analyse exergétique en dimensions finies ainsi formalisée est successivement appliquée à la pile seule, à ses échangeurs de chaleur et à son humidificateur d'air. Nous étudions par la même voie le fonctionnement de quelques systèmes pile à combustible intéressants, basés sur des piles fonctionnant à haute ou basse température, éventuellement en cycle combiné avec une machine thermique. Outre une mise en évidence supplémentaire de la pertinence de l'approche exergétique pour la description de systèmes de natures très différentes, nous militons ici pour une diffusion plus large de cette méthodologie, en dehors de son champ traditionnel d'application, par exemple en électrotechnique