LES PILES A LES PILES A COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE

Antonio DelfinoAntonio Delfino

Conception et DéveloppementConception et Développement MICHELINMICHELIN

1762 Givisiez1762 Givisiez

1)1) Parallèle entre pile à combustible et machine thermiqueParallèle entre pile à combustible et machine thermique

2)2) Les différents types de piles à combustible (PAC)Les différents types de piles à combustible (PAC)

3)3) Applications des PACApplications des PAC

4)4) Principe de la PACPrincipe de la PAC

5)5) La cellule de base d’une PACLa cellule de base d’une PAC

6)6) Réactions chimiques dans une PACRéactions chimiques dans une PAC

7)7) Construction d’une PACConstruction d’une PAC

8)8) PerformancesPerformances

9)9) Objectifs de progrèsObjectifs de progrès

SommaireSommaire

Pile à Combustible: Pile à Combustible: Convertisseur d’énergieConvertisseur d’énergie

Pile à Combustible

Carburant(Energie Chimique)

Chaleur

Energie Electrique

MoteurElectrique

Moteur Thermique

EnergieMécanique

CARNOT

Machines Thermiques« CARNOT »

Rendement Maximum

1

21

T

TT

Piles à Combustible« GIBBS »

Rendement Maximum

maxTENSION

TENSIONtravail

1 Kg/kw

à

3 Kg/kw0.15 à 2 Kg/Kw

0.3 à 3 Kg/Kw

Exemple de Rendement Maximum d’une Machine de CARNOT

Turbine à vapeur

Source chaude: Température de travail T1 = 675 oKSource froide: Température des gaz condensés T2 = 325 oK

%5252.0675

325675

Exemple de Rendement Maximum d’une Pile à Combustible à 80 oC

Tension de travail V1 = 1.18 VTension maximum V2 = 1.47 V

%8080.047.1

18.1

App

licat

ions

m

obile

s

100 200 600 900 [°C]

PE

MF

C

AF

C

PA

FC

MC

FC

Molten Carbonate Fuel Cell S

OF

C Solid Oxide Fuel Cell

PhosphoricAcidFuel Cell

Température de fonctionnement

Alkaline Fuel Cell

ProtonExchangeMembrane Fuel Cell

App

licat

ions

st

atio

nnai

res

Les Différents Types de Piles à CombustibleLes Différents Types de Piles à Combustible

NASA

Puissance

5 W

50 W

1 kW

30-80 kW

1 MW

Auxiliaires

Ordinateurs portables

Générateurs portables

Outillage sans fil

AutomobileBus

Centrale Electrique

200 kW

APPLICATIONSAPPLICATIONS

Electrolyse

H2 + 1/2 O2 H2O

Pile à Combustible(Electrolyse inverse)

Principe de la Pile à CombustiblePrincipe de la Pile à Combustible

H2O H2 + 1/2 O2

H +

H2O

O2

H2

Moteur Electrique

e-

La Cellule de Base d’une Pile à CombustibleLa Cellule de Base d’une Pile à Combustible

H2 -> 2H++2e-

Anode

1/2 O2 + 2H++2e- -> H2O

CathodeH2 + 1/2 O2 H2O

Réaction globale :

Tension pratique:

0.6 – 1 Volte-

Couche deDiffusion

Membraneéchangeuse d’ions

Couche deDiffusion

Adsorption DissociationH2

Dissociation Electronique

Désorption

Pt

e-

e-

e-

e-

H+

H+

H2 2 e- + 2H+

Réaction Catalytique à l’AnodeRéaction Catalytique à l’Anode

Pt Pt Pt PtPt=Platine

H2

MembraneEchangeused’ions H+

Particules deGraphite

Particulesde PLATINE (nm)

Pores pour l’entrée de l’ H2

H+

H+

e-

e-

Pile à Combustible : 3-PhasesPile à Combustible : 3-Phases

(50 m)

Platine

O2 + 4 e- + 4H+ 2 H2O

Réaction Catalytique à la CathodeRéaction Catalytique à la Cathode

O2

Pt

Pt=Platine

Pt

H3O+

H3O+

OH

e-

e-

H2O

H2O

Pt

H2O

H2O

Pte-

e-

H3O+

H3O+

Pt

Pile à Combustible : 3-PhasesPile à Combustible : 3-Phases

O2

e-

e-

H2H+H+

e-

e-

H2O

e-

CATHODE ANODE

Structure de la Membrane Echangeuse d’IonsStructure de la Membrane Echangeuse d’Ions

• Colonne vertébrale hydrophobe

qui permet l‘intégrité mécanique

• Le proton est conduit via des canaux hydrophiles

[(CF2 CF2 )n (CF2 CF)]x

SO3 HCF2CF2

O

O

CF3CFCF2

Compositions de deux Nanophases:

Acide Sulfonique

: Proton

1 nm

Deux Cellules Assemblage Bipolaire

+ =>

MembraneCathode

Anode Plaque Bipolaire

Construction d’une Pile à CombustibleConstruction d’une Pile à Combustible

Plaque Bipolaire

- - - -+ ++ +

LA REALITELA REALITE

PlaqueBipolaire

PlaqueBipolaire

Jointd’étanchéité

Membrane

Diffuseurs +Electrodes

Dimensionnement d’une PAC de 20 KwDimensionnement d’une PAC de 20 Kw

Hypothèse: Assemblage des cellules en série - Chaque cellule fournit entre 0 et 1.1 Volts

- La tension est dépendante du nombre total de cellules

- Le courant est dépendant de la surface totale d’une cellule

- Pour un rendement de 60%:

- Choix 200 cm2 de surface active par cellule I=260A

- Avec 122 cellules on a U=122*0.63V = 77 Volts

- La puissance P=U*I = 77V * 260A = 20 Kw

la tension de travail est 0.63V/cellulela densité de courant est de 1300 mA/cm2

Caractéristique Tension - CourantCaractéristique Tension - Courant

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Densité de Courant ( mA/cm2 )Ten

sio

n M

oye

nn

e p

ar C

ellu

le

( V

)

0

10

20

30

40

50

60

Pu

issa

nce

( K

w )

Durée de Vie d’une PACDurée de Vie d’une PAC

200

700

19002200

2500

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

Année

Du

rée

de

vie

de

la P

AC

(h

eure

s) Objectif 2011

5000 h

125120

8173

65

0

20

40

60

80

100

120

140

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

Année

Co

ût

($/

Kw

)

Objectif 2011

30 $/Kw

Coût d’une PACCoût d’une PAC

Pour conclure, retenons:Pour conclure, retenons:

• La PAC convertit directement de l’énergie chimique en énergie électrique

• La PAC n’émet que de l’eau i.e. une pollution zéro

• La PAC fonctionne silencieusement

• La PAC a un rapport poids puissance important (1 Kg/Kw)

• La PAC travaille à haut rendement (entre 80% et 60%)

• La PAC est constituée de très peu d’éléments différents

• La PAC a peu de constituants mobiles

• L’objectif: atteindre 5000 h et 30 $/Kw en 2011