Les piles à combustibles, Qu est-ce?

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Sabine Lecompte
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1 Les piles à combustibles, Qu est-ce? Eric Vieil Laboratoire d'electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces Unité Mixte de Recherche N 5679 LEPMI GRENOBLE FRANCE CNRS Centre National de la Recherche Scientifique Grenoble-INP Institut National Polytechnique UJF Université Joseph Fourier de Grenoble /42

2 Le LEPMI Laboratoire d'electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces 2 /42

3 Thèmes Scientifiques du LEPMI Matériaux : Électrochimie - Génie des procédés Energie Micro-nano Environnement Piles à combustible Plateforme scientifique M2E : Matériaux Électrochimiques pour l Énergie 3 /42

4 Définition PaC = Pile à Combustible Appareil alimenté en combustible qui le convertit en électricité Combustible Entrée Pile à combustible Sortie Electricité Combustible : Substance gazeuse, liquide ou solide susceptible de donner son énergie chimique 4 /42

5 Une invention ancienne : Sir William GROVE découvre la PaC La pile à combustible de Grove (4 cellules en série) Sir William Grove ( ) 1896) 5 /42

6 Du gros au petit Stationnaire (> 100 kw) Embarqué (véhicule) Portable (~ 100 W) Mini portable (~1 W) 6 /42

7 Origine Energie? (energeia) «Force en action» 1678 : Gottfried Wilhelm von Leibnitz ( ) 1807 : Thomas Young ( ) 7 /42

8 Acquis phénoménal Un immense progrès du XIX e siècle: W = Q Travail = Chaleur Energie mécanique = Energie thermique Même unité : Joule (J) 8 /42

9 Formes de l énergie Mécanique Elastique Gravitationnelle 100 g Potentielle Cinétique Hydrodynamique Électrique Chimique Hydrostatique Electrostatique Hydro-cinétique Magnétique... Chaleur 9 /42

10 Conversion Le passage d une forme d énergie à une autre : CONVERSION! 10/42

11 Transformation Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme... Antoine Laurent Lavoisier ( ) «Il ne leur a fallu qu un moment pour faire tomber cette tête et cent années peut-être ne suffiront pas pour en reproduire une semblable» Joseph Louis Lagrange ( ) 11/42

12 Rendement Entrée Sortie «noble» Forme 1 Convertisseur Forme 2 Sortie dégradée Chaleur Q Rendement : 100 Energie Sortie «noble» Energie Entrée 12/42

13 Inversion Sortie «noble» Entrée principale Forme 1 Convertisseur Forme 2 Entrée secondaire Rendement : 100 Chaleur Q Energie Sortie «noble» Energie Entrée? 13/42

14 Irréversibilité Sortie «noble» Entrée Forme 1 Convertisseur Forme 2 Sortie dégradée Chaleur Q Rendement : 100 Energie Sortie «noble» Energie Entrée 14/42

15 Combustion incontrôlée chaleur Q Combustible Enceinte Activation Explosion Comburant Produits de la combustion W (mécanique) 15/42

16 Intérêt Pouvoir énergétique : Rendement : Déchets : Essence 46 kj / g % NO x, CO et CO 2 Hydrogène 140 kj / g = 2,7 x Essence % Eau 16/42

17 Comparaison L énergie est la monnaie de la nature «Monnaie d échange» 17/42

18 Leçon d économie = x 600 g Coût = 3 Prix par entité ( / kg) Nombre d entités (kg) Energie électrostatique (J) + = x V Potentiel électrique (J / C = volt) Nombre de charges (C : coulomb) 18/42

19 Leçon de physique Energie électrostatique (J) + = x V Potentiel électrique (J / C = volt) Nombre de charges (C : coulomb) Energie chimique (J) = rg x Enthalpie libre de réaction (J / mol) Nombre de moles (mol : mole) 19/42

20 Choux et carottes Nombre d entités /Entité = g 400 g 600 g Energie par entité = + /Entité 20/42

21 Energie chimique 2H 2 + O 2 2H 2 0 Substrats initiaux Produits finaux + H 2 + ½O 2 H ou Energie Mole rg = -237 kj / mol (Conditions standard: 1 atmosphère, 25 C) "Enthalpie libre de réaction" 21/42

22 Energie chimique Potentiel = (chimique) J / mol Energie Mole H 2 + ½O 2 H 2 0 Etat de transition Activation rg Substrats initiaux rg = -237 kj / mol (Conditions standard) "Enthalpie libre de réaction" Produits finaux Avancement de la réaction 22/42

23 Séparation des réactions Réaction complète : H 2 + ½O 2 H Demi-réactions : H 2 2H + + 2e - Transfert de protons Transfert d électrons ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 0 Nombre d électrons transferés : n = 2 électrons par molécule 23/42

24 Combustion contrôlée Activation Q Séparateur Conducteur mixte ions + électrons W 24/42

25 Conversion d énergie n = 2 électrons par molécule Charge = -2F Mole Faraday 96,485 kc / mol = Avogadro N A e Charge élémentaire V = Energie Charge Energie = / (-2F) Mole -237 kj / mol = -2 96,485 kc / mol Potentiel électrique J / C ou V Potentiel chimique J / mol V = 1,23 V (Conditions standard) 25/42

26 Conversion d énergie Faraday C mol -1 (= N A e) Potentiel = (électrique) J / C ou V Energie Charge Activation Charge = -2F Mole Etat de transition réaction complète : H 2 + ½O 2 H 2 0 demi-réactions : H 2 2H + + 2e - ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 0 Substrats initiaux V V = 1,23 V (Conditions standard) Produits finaux -237 kj / mol = -2 96,485 kc / mol Avancement de la réaction 26/42

27 Pile non renouvelable Conducteur ionique Q Séparateur (AME : Membrane électrolyte + Electrodes) non renversable Conducteurs électroniques Pile = "Batterie primaire" non renouvelable W=V.q électrique 27/42

28 Accumulateur non renouvelable (Etat stable) charge (récepteur) (Etat stable) générateur Accumulateur = "Batterie secondaire" renversable non renouvelable V 28/42

29 Pile renouvelable Ouvertures Q W=V.q électrique Pile à combustible (PaC) non renversable renouvelable 29/42

30 Piles & Accus Processus Non renversable Renversable Combustible non renouvelable Pile (batterie primaire) Accumulateur (batterie secondaire) Combustible renouvelable PaC = Pile à combustible Accumulateur à combustible (Pile + électrolyseur) 30/42

31 Pile à membrane échangeuse de protons H + Température de fonctionnement : 25 C à 80 C anode H 2 2H + + 2e - cathode ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 0 PEMFC FC = Fuel Cell Proton Exchange Membrane 31/42

32 Marian Chatenet Plusieurs combustibles pour une PEMFC Du côté de l anode («porte d entrée» des charges +) : H 2 2 H e - Hydrogène CH 3 OH + H 2 O CO H e - Méthanol (Eau) Gaz carbonique 32/42

33 Tout dépend de qui traverse H + 0H - 25 C à 80 C 25 C à 80 C anode H 2 2H + + 2e - cathode ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 0 anode PEMFC FC = Fuel Cell Proton Exchange Membrane H 2 + 2OH - H e - AFC Alcaline cathode ½O 2 + H e - 20H - 33/42

34 Tout dépend de qui traverse C à 1000 C anode H 2 + O 2- H e - SOFC Solid Oxide cathode ½O 2 + 2e FC = Fuel Cell 34/42

35 Points critiques Gestion de la chaleur Bonne conduction ionique du séparateur Etanchéité aux gaz Non-conduction électrique du séparateur Etanchéité à l eau du séparateur Gestion de l eau Performance des contacts électriques 35/42

36 Marian Chatenet Atouts environnementaux Efficacité PaC >> Efficacité des machines thermiques Origine de l hydrogène (Pas de cycle de Carnot) Renouvelable : pas de production de CO 2 seule H 2 O (propre) est dégagée Fossile : NO x, CO et CO 2 sont produits mais en bien moindre proportion que dans les moteurs thermiques PaC relativement propre 36/42

37 Marian Chatenet Avantages des PaC Réactifs stockés en dehors des cellules Optimisation aisée selon puissance Recharge rapide du combustible Autonomie facilement adaptable La matière active n est pas consommée/produite Durée de vie des électrodes théoriquement infinie Electrolyte solide et réactifs gazeux (en général) Pas de fuites Stabilité physique du système 37/42

38 Marian Chatenet Inconvénients des PaC Gestion des flux nécessaire Réactifs Produits : H 2 0 vapeur, (CO 2 ) Energie thermique Q (mais avantage si cogénération) Coût des matériaux utilisés Catalyseurs Membrane Electrolyte Plaques bipolaires (multi-cellules) Difficultés technologiques Durée de vie des membranes Contacts et collecte du courant Joints d étanchéité (haute température) 38/42

39 Marian Chatenet Verrous technologiques des PaC PaC basse température (PEMFC, DMFC, AFC) Performances électrochimiques des matériaux d électrode, de membrane Matériaux de contact électrique («plaque bipolaire>) Gestion des fluides Optimisation et coût des systèmes Durée de vie PaC haute température (SOFC) Performances mécaniques et physiques des matériaux (contrainte de haute température, étanchéité) Utilisation d autres gaz (méthane, biomasse) Optimisation et coût des systèmes 39/42

40 Le fonctionnement influe sur les matériaux i Loi d Ohm i = V R Chaleur Q = Fonction du courant i (Effet Joule) Fonction de la température 40/42

41 Perspectives 2000 h = ~ 80 j 100 / kw Source : Ballard, Canada 41/42

42 De l appliqué au fondamental Application Pile Couplage de plusieurs cellules Stack Membrane, électrocatalyseurs, électrodes à gaz, plaques bipolaires, AME (Assemblage Membrane Electrode) Cellule Fondement Matériau 42/42

43 Fin C est fini 43/42

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