Développement de véhicules à pile à combustible

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Matthieu Lessard
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1 Développement de véhicules à pile à combustible Daniel HISSEL Professeur des Universités Université de Franche-Comté Laboratoire FEMTO-ST / FCLAB 1

2 Déroulement de l exposé 1. Mise en situation 2. Quelle PAC pour les véhicules? 3. De la PAC au Système PAC 4. Prototypes de véhicules 5. Besoins de recherche et de développement 2

3 1.Mise en situation Contexte sociétal Consommation (kwh) pour quelques usages domestiques en France Nécessité de : réduction de la consommation énergétique (en particulier dans le transport) Contributions (MTEP) à la fourniture énergétique mondiale réduction de notre dépendance aux énergies fossiles 3

4 1.Mise en situation Un axe de développement La Technologie Pile à Combustible et l Hydrogène «les gisements de charbon fourniront longtemps encore à la consommation de l industrie. Combien de temps? Au moins deux cent cinquante ou trois cents ans. C est rassurant pour nous mais pas pour nos arrière-petits cousins! [ ] Et qu est-ce qu on brûlera à la place du charbon? [ ] l eau décomposée en ses éléments constitutifs... " "L île mystérieuse", Jules Verne, 1875 La fiction devient-elle réalité? 4

5 1. Mise en situation Un petit historique Verne (1875) NASA (1969) PAC et «transport» Grove (1839) DC Necar 5 (2000) GM Sequel (2005) Allis-Chalmers (1959) DC Necar 2 (1996) Honda FCX (2008) Sous marin PAC (2005) PSA Epure (2006) 5

6 Déroulement de l exposé 1. Mise en situation 2. Quelle PAC pour les véhicules? 3. De la PAC au Système PAC 4. Prototypes de véhicules 5. Besoins de recherche et de développement 6

7 2. Quelle PAC pour les véhicules? Définition Une PAC est un dispositif électrochimique qui convertit en continu l énergie chimique d un combustible et d un comburant en énergie électrique (DC), chaleur et autres produits de réaction. Le combustible et le comburant sont typiquement stockés à l extérieur de la pile et transférés dans la pile au fur et à mesure que les réactifs sont consommés. Traduit de l anglais, FCTESTNET Glossary, 2004 CEA CEA/PSA 7

8 2. Quelle PAC pour les véhicules? Les grands types Température de fonctionnement Basse (50-90 C) Moyenne (200 C) Haute ( C) Type d électrolyte PEFC AFC PAFC MCFC SOFC 8

9 2. Quelle PAC pour les véhicules? Focus sur les technologies phare 2 technologies très «recherchées» PEMFC SOFC - Membrane polymère - Catalyseur platine - Alimentation H2/air ou H2/O2 - Basse température de fonctionnement - Gestion hydrique complexe - Gestion système complexe - Électrolyte de type céramique - Catalyseur nickel - Haute température de fonctionnement - Réformage interne envisageable - Pb. de cyclabilité thermique 9

10 2. Quelle PAC pour les véhicules? Principe de fonctionnement Oxydation du combustible (R a ) Anode R a O a + ne - Cathode Réduction du comburant (O c ) O c + ne - R c Deux couples Rédox (R a, O a ) et (O c, R c ) Deux réactifs R a et O c Quatre espèces chimiques et des électrons 10

11 2. Quelle PAC pour les véhicules? Principales caractéristiques - Courbe de polarisation (caractéristique statique) Mesure de la tension pour différents courants en régime stabilisé Ici normalisée en densité de courant et tension par cellule - Électrochimique : pertes d activation (perte d énergie due à l activation de la réaction électrochimique). - Électrique : pertes ohmiques dues à la résistance interne (membrane). - Fluidique : pertes de transport de masse dues à une chute de la pression partielle des réactifs. 11

12 2. Quelle PAC pour les véhicules? Principales caractéristiques - Spectre d impédance (caractéristique dynamique) - Fluidique : phénomène de diffusion convection (basses fréquences) - Électrochimique : phénomènes de transfert (moyennes fréquences) - Électrique : - accumulation des charges à l interface électrode/électrolyte (moyennes fréquences) - résistance de membrane (1kHz) - inductance des connecteurs (hautes fréquences) 12

13 2. Quelle PAC pour les véhicules? Modélisation - Modélisation par équivalence électrique : I AC =150 A I AC.=150 A C dca C dcc R m L con R ta R tc W Oc - Capacités de double couche - Résistances de transfert - Impédance de diffusion convection - Résistance de membrane - Inductance des connecteurs 13

14 2. Quelle PAC pour les véhicules? Modèle REM de PAC PEMFC Travail réalisé en collaboration FEMTO-ST / FCLAB Belfort L2EP Lille [REF] Hissel, D., Péra, M.C., Bouscayrol, A., Chrenko, D., Revue Internationale de Génie Electrique, vol. 11, n 4-5, pp ,

15 2. Quelle PAC pour les véhicules? Quelques ordres de grandeur (PEMFC) Courant Densité de courant (A/cm 2 ) Dépend des performances du cœur de pile (membrane, qualité des électrodes, diffusion des gaz, ) Typiquement entre 0,5 et 1 A/cm 2 Surface active Pour un type de cellule donné, augmenter le courant implique d augmenter la surface d électrode Tension Limite thermodynamique de 1,18V à pression atmosphérique et 80 C Tension usuelle par cellule (en charge) : 0,7V Proportionnelle au nombre de cellules en série 15

16 Déroulement de l exposé 1. Mise en situation 2. Quelle PAC pour les véhicules? 3. De la PAC au Système PAC 4. Prototypes de véhicules 5. Besoins de recherche et de développement 16

17 3. De la PAC au système PAC Système pile à combustible Stockage carburant Traitement carburant PAC Convertisseur statique Onduleurs + moteurs Traitement comburant Gestion Température Traitement eau Système de contrôle Stockage énergie électrique Ventilation Japon SAE IEC FCTESTNET 17

18 3. De la PAC au système PAC Système pile à combustible 18

19 Déroulement de l exposé 1. Mise en situation 2. Quelle PAC pour les véhicules? 3. De la PAC au Système PAC 4. Prototypes de véhicules 5. Besoins de recherche et de développement 19

20 4. Prototypes de véhicules FCV or FCHEV? Objectif : véhicule propre, sûr, silencieux et économe. 2 sortes de véhicules électriques à pile à combustible : Dessins : source PSA Tout PAC PAC hybridée 20

21 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs bus 1997 Nebus : bus 12 m 205kW Ballard H 2 gazeux sous 300 atm 250 km - 95km/h Test de 6 bus sur lignes régulières à Vancouver et Chicago Évaluation terminée en

22 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs bus Filiale à 100% de DaimlerChrysler Héritier du Nebus, base de Citaro Programme européen CUTE Bus «tout pile» sans hybridation ni récupération au freinage Pré-série de 30 bus Essais dans une dizaine de grandes villes européennes 22

23 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels 23

24 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels Necar II kwe Class V H 2 g km 6-7 pas. 250 atm km/h Necar III kwe Class A methanol km km/h Necar IV kwe Mark700 Class A liquid H km/h 450km Necar IVA kwe Mark900 Class A H 2 g 350 atm 145 km/h 190km Necar V kwe Mark900 Class A methanol km «Fuel Neutral» 24

25 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels Hy-Wire PEFC designed by GM Liquid H km/h max 400 km range 25

26 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels PEFC designed by GM Liquid H km/h max 400 km range

27 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels Th!nk Technologies Ford Focus FCV advanced km/h 290 km H 2 g Ballard kw Freinage récupératif - batteries 27

28 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels H2O PAC range extender (6kWe) Pas d H2 stocké à bord (borohydrure de sodium) Presentée en

29 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels QUARK 1,5kW FC stack + NiMH battery H 2 comprimé 700 bars - 9l «plug & drive» Presenté en

30 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels Epure 20kW FC + Lithium-ion battery 5 bouteilles H 2, 5*15l, 700 bars, 3kg Moteur électrique : P nom 40kW & P max 70kW Autonomie : 350 km Poids : 1550kg

31 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels Hy-Light : the concept! 30kW FC stack + supercapacités H 2 + O 2 comprimés stockés à bord 450 km range, max speed 130km/h 0 to 100km/h in 12s 4 places, 850kg Moteurs roues 31

32 4. Prototypes de véhicules Quelques démonstrateurs véhicules personnels FCX Clarity Moteur électrique 100kW PAC 100kW Batteries Li-ion H2 comprimé, 350 bars Présentée en km d autonomie 160km/h 600$/mois leasing sur 3 ans 32

33 4. Prototypes de véhicules Domaines d application «raisonnables» court terme Dans le secteur du «transport» - Domaine spatial - Marchés de niche dans le transport terrestre : flottes captives (transports collectifs, ramassage d ordures en hypercentres, gares de triage urbaines, ) - Marchés de niche dans le domaine maritime (yachts de luxe, sous-marins ) - Marchés militaires (véhicules et sous-marins) 33

34 Déroulement de l exposé 1. Mise en situation 2. Quelle PAC pour les véhicules? 3. De la PAC au Système PAC 4. Prototypes de véhicules 5. Besoins de recherche et de développement 34

35 5. Besoins en R&D Axes 2 axes prioritaires à traiter Durabilité Coût Amélioration des performances 35

36 5. Besoins en R&D Axes à développer/conforter Stockage carburant Traitement carburant PAC Convertisseur statique Choix Stockage Sécurité Approvisionnement/distribution Rendement électrique Technologie (PEFC, SOFC) Augmenter température PEFC Diminuer température SOFC Structure Rendement Traitement comburant Traitement eau Gestion Température Stockage énergie électrique Optimisation énergétique Technologie Encombrement Démarrage à froid Démarrage / cyclage thermique (SOFC) Récupération énergétique Technologie (batteries, supercondensateurs, volants d inertie, ) Optimisation énergétique système Optimisation énergétique système Architecture système Architecture système Intégration système Intégration système Fiabilité système Fiabilité système Diagnostic système Diagnostic système Σ Système de contrôle Gestion de l énergie Capteurs/Acquisition Actionneurs dédiés 36

37 5. Besoins en R&D Production d hydrogène Economie «hydrogène»??? 37

38 Développement de véhicules à pile à combustible Daniel HISSEL Professeur des Universités Université de Franche-Comté Laboratoire FEMTO-ST / FCLAB 38

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