Un enjeu pour l avenir, un défi collectif, un projet pédagogique: «Parcourir un maximun de kilomètres avec un minimum d énergie»

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Élise Lavoie
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1 Prototype HydroESSTIN Prototype Vir'Volt Un enjeu pour l avenir, un défi collectif, un projet pédagogique: «Parcourir un maximun de kilomètres avec un minimum d énergie» Urban concept

2 Nogaro Quelques circuits Lausitz 2012 Rotterdam

3 Compétition européenne regroupant +300 équipes de 17 nationalités, Energies: essence, hétanol, diesel, hydrogène (PAC), électrique(pile), solaire Catégories: protoptype, urban concept

4 ESSTIN_EMT c est 13 années de participations

5 Les prototypes solaires

Retour d expérience Prototype2010 HydroESSTIN 65kg l architecture de la

la Conception, les contraintes La construction du moule et de la coque, la

partie L énergie utilisée : «la Pile à combustible» théorie et fabrication 3

7 Retour d expérience Prototype2010 HydroESSTIN 65kg l architecture de la voiture 1 partie Etudes et réalisations, tests l apport de l informatiques: la Conception, les contraintes La construction du moule et de la coque, la réalisation des roues (planes et à pétales) Les moteurs, les bancs d essais 2 partie L énergie utilisée : «la Pile à combustible» théorie et fabrication 3 partie «La chaîne énergétique» 4 partie «Quelques résultats» Prototype 2011 Vir'Volt 38kg

8 «L électronique sous linux embarqué» «Transmissions de données et Géolocalisation du véhicule» Prototype2010 HydroESSTIN Prototype 2011 Vir'Volt

11 1 partie Etudes et réalisations, tests

12 Etude théorique : Conception et maillage du véhicule sous CATIA

13 Etudes des contraintes soumises au véhicule sous FLUENT - pression faciale, pression sur le fond - La rigidité, Les turbulences

14 Réalisation du moule polystyrène très dur et fraiseuse numérique 3D

15 Réalisation de la coque Fibres: de verre, de carbone, d aramide_kevlar, et de résine époxy, loctite,

16 Réalisation de roue plane Fibres: de verre, de carbone, d aramide_kevlar et de résine époxy, loctite Cuit à haute température, sous aspiration

17 Réalisation de roue à pétales Fibres: de verre, de carbone, d aramide_kevlar et résine époxy, loctite Cuit à haute température, sous aspiration

18 HydroESSTIN les moteurs, les bancs d essais bancs d essais voiture instrumentalisé Labview Mathlab Simulink (Frein à poudre Tachymètre.) diabolo

19 2 partie Pile à Combustible

20 Piles à combustible Historique William Grove Allis Chalmers Gemini 1964 Columbia Beau de Rochas Thomas Edison Francis Bacon 1959 Apollo XI 1969

21 Les différents types de PAC AFC (Alcaline Fuel Cell )Phosphoric Acid missions Appolo et navette l'électrolyte est de type alcalin et à faible température de fonctionnement. (types de pile sur lequel on a le plus d'expérience,en test depuis le début des années 90.) PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell) 60 à120 C H2 l'électrolyte est de type alcalin et à faible température de fonctionnement. DMFC (Direct Metanol fuel Cell) 60 C CH3OH l'électrolyte est une membrane échangeuse de protons et fonctionne au méthanol SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) 800 C

22 Piles à combustible Principes 2 électrodes : l'anode et la cathode 1 électrolyte Charge Hydrogène H 2 ou/et CO, éthanol, méthanol, méthane Oxygène O 2 ou de l'air Anode (-) Cathode (+) Electrolyte

(+) une anode(-) cathode électrolyte H2 plaque thermique

23 Une pile à hydrogène est constituée de deux électrodes de platine séparées par une membrane échangeuse de protons. (+) une anode(-) cathode électrolyte H2 plaque thermique cannelée NAFION Polymère fluoré. plaque thermique cannelée

La cathode est alimentée par du dioxygène qui provient de l air.

dihydrogène est alimentée est par électrons du dihydrogène se combinent.

Les ions H + se diffusent dans l électrolyte, alors que les électrons créés par la

24 La cathode est alimentée par du dioxygène qui provient de l air. Puis, à la cathode, l oxygène, l hydrogène et les A l anode, le L anode dihydrogène est alimentée est par électrons du dihydrogène se combinent. qui provient d un réservoir. dissocié en deux ions H +. Les ions H + se diffusent dans l électrolyte, alors que les électrons créés par la réaction circulent dans le circuit externe. e - H2 Le dioxygène se dissocie en deux atomes d oxygène. H + Il y a aussi un dégagement de chaleur.

25 Puis, à la cathode, l oxygène, l hydrogène et les électrons se combinent pour former de l eau. e - Humidité saturation H2 H + Il y a aussi un dégagement de chaleur et d eau

Membranes En Nafion - ( perméable eau+protons, isolant

Sur lequel on a déposé un catalyseur (encrage avec

27 Membranes En Nafion - ( perméable eau+protons, isolant e, étanche au gaz) Épaisseur : quelques centièmes de mm Sur lequel on a déposé un catalyseur (encrage avec poudre de platine en suspension dans d alcool, grains de graphite.) De part et d autre on place les électrodes poreuses aux gaz Sur cette membrane, viendra s appliquer les joints

28 Réalisation de la Pile à Combustible par utilisation d un centre d usinage grande vitesse 3 axes Créer des règles de montages (Centrage, Pression d assemblage) Les points les plus délicats: Joints (spécifiques ou intégrés à la membrane) Dilatation différentielle (#matériaux) Micro fuite de H2 (si membranes pas étanches)

Assemblage Membrane Électrodes piles à combustible PEMFC Les diffuseurs poreux, généralement en fibres de carbone + traitement hydrophobe. 150-300 m.

29 Assemblage Membrane Électrodes piles à combustible PEMFC Les diffuseurs poreux, généralement en fibres de carbone + traitement hydrophobe m. Les électrodes, agglomérats de micro-particules de carbone, de nano-particules de platine et de matériau membranaire m. La membrane polymère m.

30 humidification des plaques, écoulement de l eau, engorgement, saturation PAC type PEMFC Pbs: humidification des plaques, écoulement de l eau, engorgement, saturation

32 Stockage de H2 Sous pression (160/ 700 bars) Composé chimique ou réaction chimique (pureté de H2 sinon destruction du catalyseur) Sous forme d hydrures métalliques (au stockage réaction fortement exothermique et à la libération endothermique) Sous forme liquide (-271 C/1bar) Matériaux absorbants pour hydrures métalliques ( «éponge à hydrogène» avec dissociation de H2 en atomes d H) Mg (magnésium) V (vanadium) FeTi (fer titane) CaNi 5 (calcium nickel) LaNi 5 (lanthane nickel).

33 Production de l hydrogène Craquage du méthane Reformage d hydrocarbures Réaction chimique Avec production de CO2 Électrolyse de l eau Craquage de l eau Avec ou sans production de CO2 Freins essentiels au développement Le prix des catalyseurs Le prix des membranes Le prix des plaques bipolaires Le stockage de H2 La production de H2 Sécurité Prix PAC Difficultés techniques

34 Les différentes générations de pile à l ESSTIN 3 ème génération : Puissance 300W_2007/08 Pile Heliocentris de 50 W_2005/06 Année : 2009 entièrement conçue et fabriquée 40 plaques bipolaires en aluminium dépôt de protection en Nitrure de titane Puissance 500 W 32/24Volts, densité de courant 1A/cm^2

Schéma électrique de principe du véhicule PAC Variateur de vitesse moteur ventilateur Refroidissement de la pile par contrôle électronique: mesure du courant,

automatique de la purge Environnement pile Compresseur pour l air Détendeur/compresseur H2 Humidificateur/déhumidificateur Recirculation de H2 Un des problèmes : le

35 Schéma électrique de principe du véhicule PAC Variateur de vitesse moteur ventilateur Refroidissement de la pile par contrôle électronique: mesure du courant, tension et T Pilotage par Micro contrôleur «PIC 18F1330» Fonction calculant la ventilation suivant les paramètres de la pile (utilisation du mode PWM), gestion automatique de la purge Environnement pile Compresseur pour l air Détendeur/compresseur H2 Humidificateur/déhumidificateur Recirculation de H2 Un des problèmes : le refroidissement <=> rendement -Température maximale donnée par le constructeur 45 -Température de la piste > 40 -Ventilation maximale en permanence et la membrane se dessèche

Données générales et pratiques Rendement théorique maxi/pci : 95% Rendement pratique 50% Consommation 1L/min de H2 par Wh Rendement attendu brut :70% Rendement net 65% Conclusion : 5 ans d expérience

37 Données générales et pratiques Rendement théorique maxi/pci : 95% Rendement pratique 50% Consommation 1L/min de H2 par Wh Rendement attendu brut :70% Rendement net 65% Conclusion : 5 ans d expérience dans les Piles à Combustible 3 Piles entièrement conçues et réalisées à l ESSTIN Travail en collaboration avec un laboratoire de recherche sur les Piles à Combustible (LEMTA_CNRS) Olivier.Lottin@esstin.uhp-nancy.fr, jerome.dillet@esstin.uhp-nancy.fr Pour plus d informations : jean-paul.francois@esstin.uhp-nancy.fr gerard.dechenaud@esstin.uhp-nancy.fr jean-pierre.sarteaux@ijl.nancy-universite.fr

38 Antony SPOLETINI (5A) 3 partie Décomposition du prototype

39 Antony Spoletini (5A)

45 4 partie Quelques résultats

Catégorie Solaire, Rockingham (3 300 km/l) 2008 4 ème place Catégorie Hydrogène, Nogaro (2 509 km/l) Prix de la sécurité & Prix de l innovation technique (BE) 2009 4 ème place Catégorie

46 Circuits d essais et de tests: Chenevières et Ladoux-Michelin La compétition environ 300 participants... De 17 à 40 pays Nogaro ère place Catégorie Hydrogène, Nogaro Record sur le circuit de Rockingham (4 118 km/l RCi) ère place Catégorie Hydrogène, Rockingham 1 ère place Catégorie Solaire, Rockingham (3 300 km/l) ème place Catégorie Hydrogène, Nogaro (2 509 km/l) Prix de la sécurité & Prix de l innovation technique (BE) ème place Catégorie Hydrogène, Lausitz (2814 km/l) Prix de l innovation technique (GPS,GSM, trans.données) ème place Catégorie Hydrogène, Lausitz (2379 km/l) Prix de la sécurité ème place Catégorie Electrique Km/KWh (4732 Km/L Innovation technique (transmission vidéo temps réel)

47 Remerciements

48 Présentation du véhicule au «ShellEcoMarathon USA 2006» et «Mondial de métiers Lyon 2009» Passage TV sur «M6 émission Turbo» et diffusion en Allemagne (vidéo temps réel)

49 Présentation à Roscoff Réseau des Electroniciens

50 Les pilotes

51 Diffusion vidéo, JT, Blog Suivi en course Vidéo temps réel

53 ETH Zurich (5385km/L) Gratz Nancy (4732km/L) Nantes (5130km/L)

55 Merci pour votre attention

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17 Production d hydrogène par électrolyse de l eau sur membrane acide PIERRE MILLET Ingénieur de l'école nationale supérieure d'électrochimie et d'électrométallurgie de Grenoble Pour beaucoup d'entre nous,