25 -26 mars 2009Journées de Physique-Chimie1 Du nouveau du coté des piles à combustible! Pascal...

25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie 1

p o l y t e c h n i q u e Ecole de l’université d’Orléans

Du nouveau du coté des piles à combustible!

Pascal BraultGroupe de recherches sur l’Energétique des Milieux IonisésUMR6606 Université d’Orléans – CNRSPolytech’Orléans BP 674445067 ORLEANS Cedex 2

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Sommaire La politique énergétique de la France après le sommet de Rio

• Action 21 programme global d’action pour un développement durable au XXIe siècle

• Renforcer les bases scientifiques du développement durable

Un exemple de conversion de l’Energie Les Piles à Combustible

L’Energie Hydrogène : H2 : Un vecteur énergétique avec les vertus de l’électricité

et des énergies fossiles sans les inconvénientsProduction, distribution, stockage

Application aux transports



Les étapes des accords internationauxsur le développement durable

Juin 1992 Déclaration de Rio du Sommet Planète Terre prise de conscience universelle des risquesmultiples encourus par la planète Terre et ses habitants au regard de la situation de l’environnement

physique, biologique, économique et social meilleure gestion des ressources de la Planète

Décembre 1997 Protocole de Kyoto Modalités du développement durable

(Réduction émission gaz à effet serre, …)

Août-Sept. 2002 Sommet de Johannesburg Plan d’action : aboutir à l’éradication de la pauvretéet réaliser le développement humain.



Les principaux axes de recherche concernent :

■ l’énergie photovoltaïque, en vue d’améliorer lesrendements de conversion, d’abaisser les coûts defabrication des modules photovoltaïques et d’optimiser lagestion d’un système énergétique complet ;

■ l’énergie géothermique, en vue d’élargir les domainesd’exploitation de cette ressource actuellement limitée auxgisements sédimentaires (aquifères profonds pour lechauffage urbain) ou volcaniques (production d’électricité àpartir de vapeur) vers des potentiels plus vastes (soclesprofonds) ;

in : Sommet mondial du développement durable Johannesburg 2002LA SCIENCE AU SERVICE D’UN DÉVELOPPEMENT DURABLEContribution des organismes publics de recherche français



■ la production de combustibles non-fossiles et leur conversionen énergie électrique, thermique ou mécanique par des piles àcombustible dont les rendements sont bien supérieurs auxrendements des convertisseurs classiques (turbines, moteursdiesel...), le carburant hydrogène pouvant être obtenu parélectrolyse de l’eau ou par gazéification de la biomasse ;

■ le stockage de l’énergie, en visant un stockage maximald’énergie par unité de volume et de masse, par exemple dansdes batteries au lithium, ou des micro-batteries pour cartes àpuces ;

■ l’utilisation rationnelle de l’énergie, où un effort particulier estmené pour modéliser des systèmes thermiques etthermohydrauliques et des dispositifs très avancés en vue deréduire leur consommation énergétique.



Le convertisseur idéal de l’hydrogène ?La (les) pile(s) à combustible(s)

H2 O

e-

Oxydant(ex. O2)

Electrolyte

or

Ions +

Ions -

CathodeAnodeH 2

O

Pla

qu

e b

ipola

ire

Pla

qu

e b

ipola

ire

Combustible(ex. H2)



Type de pile et réaction à

l’anode (A :) la cathode (C :)

Electrolyte Température

de fonctionnement Domaine d’utilisation et

gamme de puissance

Alcaline – AFC (Alkaline Fuel Cell)

A : H2+2(OH)- 2H2O + 2e- C : ½ O2 + H2O+2e- 2(OH)-

Potasse (liquide)

80 °C Espace –transports

1 – 100 kW

Acide polymère – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) A : H2 2H+ + 2e- C : ½ O2 + 2H+ +2e- H2O

Polymère (solide)

80 °C Portable,

transports,staionnaire 1 W – 10 MW

Acide phosphorique – PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

A : H2 2H+ + 2e- C : ½ O2 + 2H+ +2e- H2O

Acide Phosphorique

(liquide) 200 °C

Stationnaire, transports 200 kW – 10 MW

Carbonate fondu – MCFC (Molten Carnonate Fuel Cell)

A : H2+(CO3)2- H2O + CO2 + 2e-

C : ½ O2 + CO2+2e- (CO3)2-

Sels fondus (liquide)

650 °C Stationnaire

500 kW – 10 MW

Oxyde solide – SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell)

A : H2+O2- H2O + 2e- C : ½ O2 + 2e- O2-

Céramique (solide)

700 – 1000 °C 100 kW – 10 MW

Pile basse température : Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC) Pile haute température : Piles à oxyde solide (SOFC)



Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC)



tissu de carbone

Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC)

Membrane Nafion (30 150 µm) : polymère perfluoré acide

Couche de diffusion ( 50 µm) : carbone poreux (80 %) + PTFE (20 %)

Couches Actives (10 μm ): carbone poreux + PTFE +

catalyseur



Pile à oxyde solide (SOFC)

Anode Cathode

Electrolyte

solide dense

Anode Cathode

Electrolyte

solide dense

et/ou

et/ou

et/ou

et/ou




Anode(poreuse)

Sr1-1.5xYxTiO3

Ni-ZrO2/Y2O3

ZrO2-Y2O3

La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3

Electrolyte(dense)

Cathode(poreuse)

La0.8Sr0.2MnO3




Verrous scientifiques et technologiques

Augmenter température de fonctionnement PEMFC ( 120°C)Baisser température de fonctionnement SOFC (1000°C 700°C)

Recherches sur les matériaux de cœur de piles Hautes performances, faibles coûts, durables, tailles

Fonctionnement et environnement de la pileGestion des gaz, de l’eau Pb corrosionDurée de vie > 5000h (automobile)Implantation + production + stockage H2



Verrous scientifiques et technologiques (suite)

-PEMFC : Catalyseur sans platine implication sur électrolyte (anionique OH-)Valoriser « déchets » pétroliers comme nouveaux combustibles (glycérol)

-SOFC : Electrolyte conducteur protoniqueRéduction des épaisseursNouveaux matériaux d’électrode (perovskites, fluorite)Approche système

- Plaque Graphite matériaux emboutissable léger, non corrodable (Acier traité)Bipolaire

Coût d’une pile :1/5 : plaque bipolaire1/5 : électrolyte1/5 : électrodes2/5 : le système



La question de l’hydrogène

Sécurité : validéeInfrastructure : Transport, stockage, distribution.(voir Islande, Autoroute de l’Hydrogène (Norvège))



La question de l’hydrogène (suite)Distribution



La question de l’hydrogène (suite)La production

Electrolyse : H2O H2 +1/2O2

EolienSolaire (Photovoltaïque et Thermique)Nucléaire

Réformage : HC +O2 (H2O)xH2 + yCO Thermique, plasma, …



La question de l’hydrogène (suite)Le stockage

Stockage gazeux hyperbar (en test sur véhicule 300 bar. Etude validée 700 bar)

Hydrures métalliques (Palladium, …)

borohydrures (LiBH4, NaBH4, …)

Nanostructures de carbones



Perspectives … d’avenir?

Applications nomades : 2010 -2020

Applications transports : 2030 – 2050

Applications stationnaires : 2050

APU : 2015



Perspectives … d’avenir?

Dans 100-150 ans : plus de pétrole, plus d’uranium …

… mais encore de l’hydrogène, du soleil, du vent … … et des idées ?



23/01/2007 : Chevrolet Volt, le diamant de GM Chevrolet Volt, pour faire le plein : essence, E85, électricité ou hydrogène ?

26/01/2007 : Ford H2, un concept et un prototypeFord Airstream et Edge HySeries, des voitures à hydrogène qui se rechargent.

02/12/2006 : Ford Explorer à PAC Le Ford Explorer à pile à combustible,l'hydrogène pour les familles américaines.

12/09/2006 : Peugeot 207 CC Épure à PAC Peugeot 207 épure, blanche, électrique et écologique : zéro pollution.

Application aux transportsVoitures PAC

http://www.moteurnature.com/actu/2007/chevrolet-volt.php

http://www.moteurnature.com/actu/2007/ford-airstream-edge-hyseries-plug-in-hydrogene.php

http://www.moteurnature.com/actu/2006/ford-explorer-fuel-cell.php

http://www.moteurnature.com/actu/2006/peugeot-207-epure-pac-genepac-h2o.php

http://www.moteurnature.com/actu/2007/ford-airstream-edge-hyseries-plug-in-hydrogene.php

http://www.moteurnature.com/actu/2007/chevrolet-volt.php

http://www.moteurnature.com/actu/2006/peugeot-207-epure-pac-genepac-h2o.php



30/12/2005 : Un dragster Hyundai Hyundai Gator, le premier concept d'un dragster avec une pile à combustible.

21/05/2005 : La guerre sans polluer ? Un Chevrolet Silverado à pile à combustible pour mettre l'armée US à l'hydrogène

07/12/2004 : Buggy à PAC pour l'armée Avec le Quantum Aggressor, l'armée américaine a un coup d'avance.

07/09/2004 : Peugeot Quark, le quad à PAC Peugeot Quark, le quad français à pile à combustiblequi répond à Toyota.

Autres véhicules PAC

http://www.moteurnature.com/actu/2005/hyundai_gator_hydrogene_dragster.php

http://www.moteurnature.com/actu/2005/chevrolet_silverado_hydrogene.php

http://www.moteurnature.com/actu/2004/quantum_aggressor.php



véhicule Honda FCVX

autonomie 300 km, PAC 100 kW

moteur sur roue 25 kW

chassis bas amélioration de l’habitabilité



véhicule GM Hy-Wire

l'Hy-wire, le réservoir blindé de 75 kg contient 2 kg d'hydrogène !). Avec une autonomie de 400 km,



Rack réservoir hydrogène du Peugeot Partner Taxi

Projet GENEPAC : PEUGEOT - CEA

Compartiment moteur et pile à combustible du Peugeot Partner Taxi

Peugeot Partner Taxi Pile A Combustible



Projet CUTEClean Urban Transport for Europe

9 villes d’EuropeAmsterdam, Barcelona, Hamburg, London,

Luxembourg, Madrid, Porto, Stockholm, Stuttgart



17/04/2003 Bateau à l’Hydrogène

08/04/2003 : De l'hydrogène dans l'eau ! C'est ce qui arrive quand on fait fonctionner un sous-marin avec une pile à combustible.



En attendant ... on peut utiliser la voiture hybride

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