Piles à combustible et les différentes filières
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- Yolande Beaudoin
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1 Chaire Développement durable Environnement, Énergie et Société Chaire annuelle Année académique Piles à combustible et les différentes filières 9 Mars 2011 Prof. Jean-Marie Tarascon Amiens
2 CYCLE DE l HYDROGÈNE POUR UN DEVELOPPEMENT DURABLE 39 kwh/kg STOCKAGE M + ½H 2 MH Soleil: PV, Hydro Nucléaire ENERGIE PRIMAIRE ELECTROLYSE 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 ENERGIE COMBUSTION With the courtesy of Andreas Züttel (EMPA-2007)
3 Le vecteur hydrogène-pile à combustible: fortement poussé par les USA "Tonight I am proposing $ 1.2 billion in research funding so that America can lead the world in developing, hydrogen-powered automobiles President Bush, State of the Union address, January 28, 2003 Advanced energy initiative is focussed on three promising ways to reduce gasoline consumption. One is increasing the use of ethanol,another is improving hybrid behicles and finally, one is developping hydrogen technology. Avril 25, 2006: President Bush speech "I want more station and fuel cell vehicles than exist today. "I am hungry said the governor. I want more cars, more stations, and not just in California. I think Washington has to get with it" May 28, 2009 (ENS)- Governor Arnold Scharzeneger
4 Pile à combustible vis-à-vis des autres Dispositifs électrochimiques Accélération Puissance spécifique (W/kg) Supercondensateurs Anode Anode + + V V + Cathode Cathode Batteries PbO 2 ΔV ΔE = 2 V PbO 2 PbSO 4 H+ Charge 2 H 2 O H + Moteurs H 2 + ½ O 2 H 2 O Energie spécifique (Wh/kg) Pb PbSO 4 Pb La pile à combustible O 2 Autonomie Car bon e + Pt H 2
5 Qu est ce qu une pile à combustible? Une pile à combustible transforme directement l énergie chimique en énergie électrique via une réaction redox comme une pile classique DIFFERENCE PAR RAPPORT A UNE PILE CLASSIQUE Alimentation continue en combustible: H 2, CH 3 OH, CH 4, en comburant: O 2, air Electrodes comprenant des matériaux catalytiques (Pt, Ni, Pd, Ag, ) Densités d énergie très élevées (> quelques kwhr/kg) Système non polluant (H 2 O, ) MnO 2 ΔV ΔΕ = 1,5 V Zn KOH (aq.) 2+ H + Zn
6 PLAN DE L EXPOSE Bref historique des piles à combustible Fondamentaux de la pile à combustible Comment ça fonctionne (thermodynamique-cinétique) Les différentes filières de PAC État de l art, matériaux aspects et limitations Les tendances Applications Quels systèmes pour quelles applications Conclusions
7 HISTORIQUE DE LA PILE A COMBUSTIBLE 1802: Sir H. Davy: ( ) électrolyse 1838: Christian Friedrich Schoenbein: ( ) électrolyse inverse 2 H 2 O O H : Sir W. Grove ( ) «Grove cell» 1889: L. Mond et C. Langer Introduction de catalyseurs (Noir de Pt) 1953: F.T. Bacon Construction de la première pile pratique (6kW) Les piles connurent leurs premières applications Programmes spatiaux: Gemini (1963), Apollo (1968), ect..
8 Les PACS: Différents types d applications Stationnaire Spatial Transport capteurs Portable mw 100W 10KW 1MW Domaines d énergies différents Différents systèmes Different systèmes Différents matériaux
9 Aspects thermodynamiques H 2 + ½ O 2 H 2 O + électricité (+chaleur) ΔG = ΔH -T ΔS = - nfδe ΔG r = -237,1 kj/mole, ΔH r = kj/mole Rendement η = Δ Δ r r G H P,T P,T = Energie utilisable (pile) Energie chimique Energie électrique Energie produite par la combustion de H 2 +O 2 1/2O H + + 2e - H 2 O H 2 2 H + + 2e - η Δ G H 237,1 285,8 r 298K idéal = = = Δr 298K 0,83 η réel = 0,83 V V réel idéal V idéal = ΔE = V (1bar, 298K) η réel = V 1,229 réel 0,83 = 0,675 V réel
10 Aspects thermodynamiques: Suite Rendement en fonction de la température ΔG = ΔH -T ΔS =-nfδe T ΔG V réel ΔE (V) Γ réel = V réel Moteurs thermiques Énergie Chimique Chaleur Travail Mécanique RENDEMENT CARNOT Γ = T 1 T 2 T 1 Moteur thermique η = 20 à 30%
11 PAC vis-à-vis d autres générateurs électriques ou thermiques Rendement énergétique Générateur électrochimique η = ΔG/ΔH Batteries η prat. 80% Piles à combustible η prat. ~40 à 60 % Machine thermique (Carnot) η = Τ 2 Τ 1 /Τ 1 η prat. ~20 à 30 % Combustible Electricité Combustible Comburant Chaleur (Q 1,T 1 ) Pile Leclanché Zn/MnO 2 Accumulateur Li-ion Pile à Combustible H 2 /O 2 (air) Moteur à Combustion Interne Electricité (W e ) Electricité (W e ) Electricité (W e ) Chaleur (Q) Travail Mécanique (W m ) Chaleur (Q 2,T 2 ) C. Lamy Galerne-Amiens-2009
12 La pile à combustible dans le contexte système Méthanol Méthane Hydrocarbure Biomasse Systèmes de Reformage + auxiliaires du système H 2 Gaz de reformage H 2, CO, CO 2, N 2 (gaz de synthèse) Pile à Combustible + auxiliaires de contrôle Electricité Chaleur 2 H + (O 2- )
13 Rendement global du système: reformage exclus Γ pile = Γ Ther. Γ E. Γ f. Γ m. Γ s Rendement thermodynamique: Γ thermo = ΔG /ΔH (83% eau l 298 K) Rendement potentiel: Γ E = E/E OCV E = E OCV (R C + R E + R A + R CC ). I η A η C Rendement faradique: Γ f Rendement matière: Γ m ( taux réel d'utilisation des réactifs) Rendement système: Γ s auxiliaires qui utilisent l'énergie délivrée par la pile et de leur fonctionnement) EXEMPLE: Pile opérant à 25 C sous 0.7 V, rejetant du H 2 O(g),utilisant 90% de H 2 admis avec 20% de son énergie consommée Γ pile = 0,95 * 0,7/1,18 * 1 * 0,9 * 0,8 = 40 % Rendement des moteurs thermiques actuels est de 25 %.
14 Rendement global du système: avec approvisionnement - stockage de H 2 Electrolyse de l eau J = (A/cm 2 ) Electrolyse de l eau H 2 2H + Tension d électrolyse = 2.1 V H 2 O O 2 Rendement Electrolyseur 1.23 / 2.1 ~ 59% ~ Rendement PAC (0.7 / 1.23) ~ 57% 2H + O 2 H 2 O H 2 f.é.m = 0.7 V E / V (ESH) Rendement global (1.23/2.1) x (0.7 / 1.23) ~ 33% ~ PAC H 2 /O 2 Stockage de H 2 (liquéfaction, hydrures) ~60% Rendement global: 0.33 x 0.60 ~ 20% ~
15 Potentiel en fonction de la densité de courant: Courbe classique pour une PAC Tension de cellule E/V V j/a. cm -2 Polarisation- Surtension
16 Evolution du potentiel sous courant dans les PACS Apparition d un terme de polarisation: Surtension (η) Surtension d activation η act (surtensions anodique et cathodique) Réactions électrochimiques (e.g, transfert de charge) J(mA/cm 2 ) η a η c Surtension ohmique η ohm Chute ohmique = Résistance ionique de l électrolyte, électronique des électrodes + résistance de contact Surtension de concentration η conc (limitation diffusionnelle) ΔE = ΔE eq (η act + η ohm + η con )
17 Mécanismes de polarisation Surtension de surface (électrique ionique) RT i η( i) = ln( 0 (1 α ) nf nfak red.[ Ox ] ) α Coefficient de transfert de charge A Paramètre géométrique relié à la surface des sites actifs d où indicatif de l empoisonnement (CO) k Constante de réaction (nature et état de division du Catalyseur) (k O Pt > k O Ni) [Ox] Transport de matière des réactifs et des produits Catalyseur O 2 O 2 H + H + Polymère électrolyte Electrode poreuse H 2 O Oxygène flux
18 La face cachée d une courbe V-J pour une Pile à combustible Potentiel de Nersnt: 1.23 V Surtension d activation Potentiel de cellule Limitation transfert de charge V pile Surtension ohmique 2 3 Limitation ohmique Limitation transport de matière Densité de courant J(mA/cm 2 ) Surtension concentration Surtension d activation Meilleurs catalyseurs Electrode nanostructurée Surtension Ohmique Minimiser la distance + - Electrolyte à + haute σ Minimiser les résistances Surtension de concentration Porosité d électrode Transport ionique Microstructure d électrode
19 Comparaison avec les autres générateurs Électrochimiques en termes de puissance
20 Choix approprié des matériaux et catalyseurs pour la conception des piles à combustible Combustible H 2 et bien d autres CH 4, gaz naturel H Hydrocarbures 2 Gaz de Kérosène synthèse Gaz issus de Diesel la biomasse Comburant O 2, abondant et facilement stockable Electrolyte: plusieurs options (Solide, liquide, polymère) Bon conducteur ionique, stable électrochimiquement Electrodes: Choix des matériaux et catalyseurs approprié Elaboration de nacomposites à hautes porosités
21 Choix des matériaux pour la réalisation d une pile a combustible
22 Différents filières de piles à combustible Classement des piles à combustible Nature de l électrolyte Type de combustible H 2, Gaz naturel,..) Température de fonctionnement Les différentes piles à combustible PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell ~ C DMFC Direct methanol Fuel Cell ~ C AFC Alkaline Fuel Cell ~ C PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell ~ C SOFC MCFC Solid Oxide Molten Carbonate Fuel Cell Fuel Cell ~ C ~ 650 C Basses températures Hautes températures Electrolyte polymère Electrolyte Liquide ou fondu Electrolyte solide
23 Les combustibles en fonction des différentes filières de PACS Combustibles liquides Évaporation Types de piles à combustibles Gaz naturel SOFC Reformage Intégré thermiquement 500 à 1000 C Augmentation de la complexité du procédé combustible Suppression de sulfure 500 à Transformation 800 C en H 2 et CO Réaction de 300 à déplacement 500 C H 2 et CO 2 MCFC Reformage Intégré thermiquement PAFC (CO < 5%) 650 C 200 C Efficacité décroissante Oxydation sélective de CO <40%H 2 (CO 2, H 2 O, etc) PEMFC (CO < 10p.p.m.) 80 C From B.C. Steele
24 PAC à électrolyte polymère: Carbone poreux H 2 pur Catalyseurs à base de Pt H 2 2 H e - e - e - e - R e - H + Polymère conducteur de protons (Nafion) e - e Carbone poreux T ~ C efficacité ~ 0,45 Air (O 2 ) H 2 O ½O H e - H 2 O Plus Électrolyte solide: bonne barrière entre oxydant-combustible Mise rapide en opération Elaboration relativement simple Moins Cogénération de chaleur non possible Membranes fragiles et coûteuses Catalyseurs coûteux Empoisonnement (CO, S) -> H2 très pur Assèchement des membranes
25 Schématique cœur de cellule Au cœur de la pile PEMFC Schématique de la pile Plaques Bipolaires Conduction électronique Séparer la + de la - Apporter et évacuer les réactants/produits Echangeur thermique
26 Les membranes polymères à conduction protonique: Maillon faible des PEMFC Membranes perfluorées sulfonées (Nafion; du Pont de Nemours- 1966) Nafion (+) Stabilité chimique: h à 80 C Très bonne conductivité ~ S.cm -1 Facilité de mise en solution n (H 2 0)/(-SO 3 H) > 5 σ = 10-2 (S.cm 1 ) transport coopératif (Grotthus) Nafion (-) Chimie complexe: Coût élevé (400 /m 2 ) T g faible (110 C (aspect mécanique) Perméation au méthanol transport véhiculaire
27 Les membranes polymères à conduction protonique: Recherches actuelles Nouveaux polymères Sulfonation de polymères thermostables Copolymère orga.-inorga. Polyméresàvecmotifs N-H Polyethercetones Conductivité ( S cm -1 ) à 120 C Conductivité faible (10-4 S cm -1 ) à 160 C Obtenir des membranes pouvant opérer a 160 C avec de bonnes conductivités ioniques et de faibles coûts
28 Les catalyseurs Pt et ses alliages: un autre problème majeur pour les PEMFC Pt anodes sujettes à l empoisonnement CO réagit avec Pt: empêche le combustible d atteindre la surface de l électrode (polarisation) Réagit avec les impuretés S, Cl Pt pour cathode Meilleur catalyseur mais fort surpotentiel (500mV) Mécanismes réactionnels à plusieurs électrons. O 2 O 2- O 2 2- (peroxide) O 2 3-? 2 O 2- Potentiel de la pile (mv) Taux de CO Densité de courant (ma/cm 2 ) Coûteux et ressources limitées : (Pt: 0.2 mg /cm 2 d électrode) Besoins urgents de nouveaux catalyseurs 0
29 Approches de recherche dans ce domaine Etat de l art Travaux existants (nombreux éléments testés) "Volcano Activité des catalyseurs en fonction plot" de la force de la liaison métal hydrogène Catalyseurs moins sensibles à l adsorption de CO qui diminue avec T Log i 0 for the H.E.R. (i 0 in A.cm -2 ) Force de la liaison M-H/kcal.mol -1 Vers le catalyseur "miracle": Approche chimie combinatoire A Pt B C 3 φ substrate A B C Bi Diagramme de composition Pb
30 Chimie combinatoire via des méthodes de dépôts par Sputtering With the courtesy de F.J. Disalvo (cornell)
31 Tests catalytiques vis-à-vis de différents combustibles COMBUSTIBLE ELECTRODE F UEL ELEC TR O D E P t P t R u BiPt PtPb PtIn Pt 3 In 7 PtMn Pt 3 Sn PtSn Pt 2 Sn 3 P t S n 2 PtSn 4 PtSb PtSb 2 PdSb F ORMIC A CID M ETHANO L E THANOL E THYLENE G LYCOL 1, 4-BUTEN E D IOL 1, 4-BUTYN E D IOL A CETIC A CID Actif empoisonnement Active but rapidly poisoned rapide Active Actif Unstable Instable Dissolution material (dissolves) Inactive Inactif Untested Non testé Rapide "Screening" des diagrammes ternaires et binaires: Quelques catalyseurs alternatifs indentifés: tous à base de Pt
32 C. Lamy Galerne-Amiens-2009 Schéma détaillé d un système PEFMC avec ses éléments auxiliaires
33 La pile à combustible à oxydation directe de méthanol (DMFC) Problèmes surtensions élevées (V faible) J (macm -2 ) E(j) ~ η a E(j) ~ 0.5 V η c CH 3 OH O 2 E aq (CH 3 OH) = 1.21 V CH 3 OH + 3/2 O 2 C. Lamy Galerne-Amiens CO H 2 O (ΔG = kj.mol -1 ), E= 1.21 V E(V) Rendement Faradique (0.66) (4 e - acide formique seulement) Diffusion du méthanol au travers de la membrane Transforme directement l énergie de combustion du méthanol en électricité sans besoin de reformeur
34 Performances d une pile DMFC plus applications Courbes V= f(j) Différents rapports Pt-Ru Applications potentielles
35 Pile à combustible alcaline: Carbone poreux H 2 pur e - e - e - R e - OH - e - Carbone poreux T ~ C efficacité ~ 0,40 e - O 2 pur H 2 O Catalyseurs à base de Pt KOH wt% H OH - 2 H 2 O + 2 e - ½O 2 + H 2 O + 2 e - 2 OH Plus Opération à basses températures Moins Faible tolérance en CO 2 (poison pour les AFC) CO 2 + KOH K 2 CO 3 (mauvais pour l électrolyte) (purification de l air utilisé à la cathode) Purification de H 2 après reformage
36 Pile combustible à l acide phosphorique: efficacité 0,40 Carbone poreux e - R e - e - Carbone poreux Plus e Gaz reformé - e (H 2 + CO 2 ) - Air (O 2 ) e - H + Catalyseurs à base de Pt ou d alliages de Pt Tolérance avec CO 2 présent dans le combustible Chaleur générée suffisante pour cogénération H 3 PO 4 concentré H 2? + 2 e - ½ O e H e - ½O H + + 2e -? H 2 O - + Moins Reformage externe uniquement Catalyseur coûteux (Pt: 0.5 mg.cm -2 ) Milieu très corrosif Présence de CO (< 3 à 5 vol %) Applications stationnaires (hôtels, hôpitaux, ). Depuis 1999 EDF-GDF utilise une pile de 200 kw alimentée au gaz naturel et reliée au réseau à Chelles (Seine et Marne) H 2 O T ~ C Efficacité ~ 0.40
37 PACS à carbonates fondus : efficacité 0,45 Ni renforcé par Cr ou recouvert par Nb Ni métallique poreux Gaz naturel ou charbon gazéifié e - e - R e - H 2 O CO 2 CO 2 CO 2- e - 3 e - e - Ni recouvert par des dépôts protecteurs Oxyde de Ni poreux (CeO2, TiO2,,,) Air (O 2 ) + CO 2 T~ C Efficacité ~ 0.45 H 2 O + CO 2 Carbonate H 2 + CO 2-3? H 2 O + CO 2 + 2e - fondu Li 2 CO 3 /Na 2 CO 3 ½ O 2 + CO 2 + 2e -? CO 2-3 CO + CO 2-3 2CO 2 + 2e - ½O 2 + CO 2 + 2e- CO H CO 2-3 H 2 O + CO 2 + 2e - CO + CO 2-3 2CO 2 + 2e H 2 + 1/2O 2 + CO 2 H 2 O + CO 2 2- Plus Utilisation de catalyseurs moins coûteux (HT) Reformage interne CO directement utilisable et tolérance envers CO 2 Chaleur générée suffisante pour cogénération Moins Électrolyte très corrosif Acier inoxydable obligatoire
38 Cœur d une pile MCFC M. Cassir Galerne-Amiens-2009 Applications stationnaires
39 M. Cassir Galerne-Amiens-2009 Les Piles MCFC: reformage interne
40 Problème majeur avec les MCFC: Le caractère corrosif du milieu électrolytique "Stabilité du Ni dans l eutectique carbonate fondu" Approches Jouer au niveau de l électrolyte Jouant sur son oxo-acidité (ajout de CaCO 3, La 2 O 3. ) Agir au niveau de l anode (Ni-poreux) Ajout d Al au Ni, Protection par électrodépôt de fluorures.. Renforcement par du Cr Agir au niveau de la cathode (Ni-poreux) M. Cassir Galerne-Amiens-2009 Ni NiO (carbonates sous atmosphère CO 2 /O 2 ) Recours à toute une panoplie d oxydes LiFeO 2,.. Dissolution de NIO: facteur crucial qui retarde la commercialisation des MCFC
41 Les Piles MCFC: les acteurs et la pénétration de marché. Les acteurs Evolution de la technologie Aujourd hui 70 systèmes dans différents sites aux États-unis, au Japon et en Europe (30 MW déjà installés) 40 millions kwh d électricité produits à ce jour R &D
42 Les piles à combustible hautes températures à électrolyte solide: Cermet Ni/ZrO 2 Gaz naturel ou charbon gazéifié e - e - R e - e - O 2- e - Manganite de lanthane dopée au strontium Manganite de Lanthane dopée au Strontium e - T ~ C Air (O 2 ) efficacité ~ 0,45 H 2 O + CO 2 H 2 + O 2- H 2 O + 2e - CO + O 2- CO 2 + 2e - CH 4 + 4O 2-2H 2 O + CO 2 + 8e - Zircone stabilisée - + 1/2O 2 + 2e - O 2- Plus Électrolyte solide (corrosion et problèmes d étanchéité limités) Cinétiques de RE rapides Pas de Pt, pas d empoisonnement de CO Reformage in situ (large gamme de combustibles) Cogénération (Rendement de 70%) Moins Contraintes dues au phénomène de dilatation et détérioration des matériaux à haute température Quels développements?
43 Les différents composants des piles SOFC Anode Electrolyte Cathode Anode poreuse YSZ électrolyte Electrolyte solide = Isolant électronique + Conducteur ionique Cathode poreuse Gaz O 2 e - O ads + 2e - O 2- H 2 Gaz H 2 O YSZ particules Ni particules Triple contact O 2 + V 2. o O x o O 2, V 2. o Structure perovskite AMO 3 (La 1-x Sr x ) 1-δ MnO 3-δ x = e - Zircone stabilisée à l yttrium (YSZ) ZrO 2 -Y 2 O 3 (8%) Zr 1-x Y x O 2-x/2
44 Avantage majeur des SOFC: Possibilité d utiliser le gaz naturel comme combustible CH 4 : Disponibilité immédiate, distribution aisée, réserves Oxydation directe du méthane: CH 4 + 4O 2- CO 2 + 2H 2 O + 8e - Oxydation partielle Reformage externe CH 4 + 1/2O 2 CO + 2H 2 Transformation du CH 4 en gaz de synthèse (H 2,CO,.) Vaporeformage CH 4 + H 2 O CO + 3H kj/mol/800 C Reformage interne Associer le matériau d électrode avec le bon catalyseur
45 Les différentes technologies de SOFC: 2 types de configuration Cœur de la pile Configuration planaire Interconnecteur Cathode poreuse Electrolyte: céramique dense Anode poreuse Configuration tubulaire Interconnecteur Electrolyte Air Anode Cathode 40 KW 85 KW 220kW 100kW Ceramic fuel cell Technology Ltd Tokyo Gas (Japan) SOFC/GT 109 kwe, 64kW vapeur Siemens-Westinghouse
46 Système attractif: Recherches soutenues et considérables depuis des décennies État actuel des travaux développement sur les piles SOFC Industriels intéressés: Nombreux démonstrateurs Commercialisation tarde à venir - Rolls Royce (GB) - Haldor Topsoe (DK) - Wärtsilä (FIN) - Hexis (CH) - Start up: HC Starck (D), - Ceres power (GB) - Euro coatings (I) - St Gobain (F) Problème: Température de fonctionnement trop élevée Manque de matériaux adéquats soit au niveau des électrodes (phase évolution, ségrégation) Soit au niveau des plaques dipolaires (dilatation et autres.. ) Vallée de la mort? Problèmes Performances insuffisantes, coût élevé, vieillissement prématuré Avancées From F. Marques (CICECO-Portugal)
47 Nouvelles tendances dans les recherches sur les PACS Membranes onéreuses Reformage complexe à BT Nécessité d un catalyseur Pt Empoisonnement par S,Cl Gestion de l eau Pas de cogénération Reformage simplifié Fabrication bas coût Matériaux métalliques possibles Pas de Pt Cyclage thermique plus aisé MAIS besoin de matériaux nouveaux: Électrolytes et Électrodes Matériaux céramiques onéreux (interconnecteurs) Cyclage thermique difficile Temps de mise en route long Dégradation des électrodes Durée de vie limitée AFC, DMFC PEMFC PAFC PCFC ITSOFC MCFC HT SOFC C 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C 900 C 1000 C Tolérance à CO Dérive J C Grenier Galerne-Amiens-2009 Industrialisation plus aisée Dégradation
48 Des piles SOFC à des piles plus basses températures (ITSOFC) Les basses températures et leurs conséquences Tension (V) σ + cinétiques de réaction décroissent Interdiffusion & dégradation + coûts abaissés Temperature ( C) Densité de courant (100mA/cm) ΔU cathode ΔU anode ΔU electrolyte Utilisation de matériaux moins onéreux- Dégradations Limitées Mise en forme plus facile. Cinétiques de réactions plus lentes Surtensions Élevées Performances moindres Nouveaux matériaux d électrodes et d électrolytes Dérive J C Grenier Galerne-Amiens-2009
49 Oxygène interstitiel Nouvelles cathodes pour les ITSOFC: Phases Ln 2 MO 4+δ (Ln=La, Nd, M=Cu, Ni,..) Conductivité des phases Ln 2 MO 4+δ Leur comportement en Cellule Nd 2 NiO 4 YSZ Ni-YSZ 30μm 8μm 200μm Comportement dans le temps??
50 Des piles ITSOFC aux piles PCFC: associer le meilleur des PEMFC et SOFC PEMFC Conducteur protonique Céramique SOFC (trop basse tempèrature 80 C) Schématique d une PCFC (Protonic Ceramic Fuel Cell) J C Grenier Galerne-Amiens-2009 (trop haute tempèrature >80O C) céramique H + Concept Nouvelles céramiques conductrices protoniques Réalisation A(In,Ti)O 3-δ (OH) ε
51 Applications des piles à combustible: Quelles sont elles?? Centrale électrique (1 à 10 MW) Véhicule électrique (10 à 200kW) Générateur spatial (1 à 50 kw) Applications domestiques (1 à 10 kw) Appareils électroniques portables (1 à 100 W)
52 Les applications des piles à combustible De plus en plus d unités en fonctionnement ( en 2010) en 2005 Toujours dans le domaine de la R&D, la commercialisation est constamment repoussée From L. Antoni CEA-22/03/06 POURQUOI?
53 Les grands défis de la pile à combustible Le combustible Choix de la filière de production Assurer un stockage et une distribution sure Nécessite de créer une infrastructure Réduire le coût du kwh délivré par les PACS Batteries par KW SuperCondensateurs par kw PAC 4 à 6 k par kw Un facteur 50 Accroître les performances des PACS actuelles Meilleurs électrolytes, meilleurs catalyseurs, meilleures plaques bipolaires Augmenter la durabilité (encore loin du but..) Meilleure synergie entre la PAC et le système (auxiliaires) Meilleure synergie entre les différents acteurs favoriser l intégration des différents acteurs (systèmes + piles)
54 Le Cycle de l hydrogène 39 kwh/kg STOCKAGE M + ½H 2 MH Soleil: PV, Hydro Nucléaire ENERGIE PRIMAIRE ELECTROLYSE 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 ENERGIE Soleil Electricité Conversion thermique ou photovoltaique 15% Électrolyse de l eau 70% COMBUSTION Du solaire à l hydrogène et à la voiture Compression transport de H 2 60% Chargeur/Transformateur 90% Efficacité de la batterie C/D 90% Pile à combustible Eff: 60% Pile à combustible au volant 91% 0.15x0.7x0.60x 0.6x0.91 = 2.5% Puissance électronique 98% Moteur électrique 91%
55 Conclusions Conclusion classique des exposés sur les PACS "La PAC est encore dans la période de R& D; 10 à 15 ans sont encore nécessaires avant la commercialisation et la pénétration du marché " Conclusion personnelle "Technologie vieille de plus 150 ans qui a toujours été une technologie d avenir et qui malheureusement le restera encore pour quelques décennies" Merci pour votre attention François Orsini (Renault) Accumulateurs/piles à combustible dans le contexte du transport automobile (Hybrides, Véhicule électrique)
Jean-Claude GRENIER Directeur de Recherches - CNRS
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