1,4 Mo

4.Le système complet
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Le
La
Le
La
La
La
La
traitement du combustible
gestion du comburant
stack
gestion du stack
gestion de l'électricité
gestion de la chaleur
gestion des gaz d'échappement
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
1
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Opérations de transformation du combustible entre son
stockage et l'anode de la pile
–
–
–
–
–
Purifications (élimination des poisons, des polluants)
Production locale de dihydrogène : le réformage
Humidification
Mise sous pression (compresseur)
Mise en température (notamment au démarrage)
• Ces opérations vont différer selon le type de pile et le type de
combustible initial.
• Inutiles pour les piles utilisant directement le combustible
telles que DMCF, DEFC, DFAFC
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2
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Source : Techniques de l'ingénieur
Traitement nécessaire selon le type de combustible et de type de pile
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
3
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
• Si utilisation d'un combustible secondaire hydrogéné comme
source d'énergie, la transformation en hydrogène se fait
– soit en dehors du système
– soit dans le système pile (avec optimisation des flux thermiques)
(PEMFC, PAFC)
– soit dans le cœur de pile : reformage interne (MCFC, SOFC)
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4
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Désulfuration
• Le combustible ne doit pas contenir de soufre
– Aux électrodes, contenant souvent du Ni, on aurait :
S + Ni → NiSliq
• Le gaz naturel commercial contient un additif odorisant souffré
tel que l'étylmercaptan (C2H5SH) ou le tétrahydrotiophène
(THT) C4H8S)
• Si utilisation d'un combustible contenant du soufre (gaz
naturel), il faut désulfurer :
– Réaction avec H2 sur un catalyseur Co/Mo pour produire H2S
– Piégeage dans une cartouche de ZnO
H2S+ZnO
→ ZnS + H2O
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Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Le reformage proprement dit
• Théoriquement quatre possibilités
• Vapo-reformage : CH4 + H2Ovap → CO +3.H2
• Oxydation partielle : CH4 + 1/2.O2 → CO + 2.H2
• Reformage "à sec" : CH4 + CO2 → 2CO + 2.H2
• Craquage : CH4 → C + 2.H2
• En pratique c'est surtout :
– Vapo-reformage (endothermique)
– Oxydation partielle (exothermique)
– Reformage autotherme (combinaison des deux précédentes)
• Autres procédés :
– gazéification du charbon (C + H2O → CO + H2)
– Gazéification de la biomasse (bois, moût de raisin, etc.)
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Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Le vapo-reformage
• Procédé ancien utilisé largement dans l'industrie
• Interactions complexes entre méthane et vapeur d'eau
• Trois réactions principales (cas du méthane) :
(1) CH4 + H2Ovap → CO +3.H2
ΔH°r= 206,2 kJ/mol
(2) CO + H2Ovap → CO2 +H2
ΔH°r= -41,2 kJ/mol
(3) CH4 + 2.H2Ovap → CO2 +4.H2
ΔH°r= 165,0 kJ/mol
La réaction (1) est favorisée par des températures élevées et de faibles
pressions (forte expansion gazeuse)
Les réactions ont lieu dans un lit catalytique. Le catalyseur est spécifique
du carburant utilisé.
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Le vapo-reformage
•
Nécessité d'avoir un excès de vapeur d'eau pour éviter la formation de
coke (réaction de Boudouard) :
2.CO → CO2 +C
•
Réaction globalement endothermique nécessitant un apport externe
d'énergie
•
Si réformage interne direct : la réaction a lieu directement à l'anode.
L'énergie est apportée par la pile en fonctionnement (SOFC)
•
Si le réformage interne indirect : la réaction a lieu dans un
compartiment séparé des électrodes situé dans le cœur de pile (MCFC)
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8
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Le vapo-reformage
• Le reformage externe est obligatoire pour les piles
fonctionnant au gaz naturel, à T < 650 °C.
• Dans ce cas :
– reformage dans un réacteur, sur une paroi métallique plane ou
tubulaire contenant un catalyseur au Ni.
– Chauffage assuré par les gaz chauds en sortie de pile ou par
combustion directe du combustible (brûleur ou combustion
catalytique)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
9
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Le vapo-reformage en pratique
Source : C.-E. Hubert
Fonctionnement d'un bloc reformeur (exemple)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Oxydation partielle
• Réaction exothermique
CH4 + 1/2.O2
→
CO + 2.H2
• À lieu généralement à haute température et haute pression
avec un excès de CH4.
• Système plus compact et plus rapide que le vapo-réformage ⇒
intéressant pour les applications embarquées
mais
• H2 dilué dans l'azote de l'air ⇒ baisse de rendement de la pile
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Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Le reformage autotherme
• Oxydation partielle exothermique ET vapo-reformage
simultanés
• Nécessite un apport d'eau et d'oxygène (air)
• Variante du vaporeformage où la chaleur est apportée par une
combustion dans l'enceinte du réacteur, sans séparation
• Le combustible en excès réagit avec un peu d'oxygène
CH4 + 2.O2 → CO2 + 2.H2O
et
CH4 + H2Ovap → CO +3.H2
• Technique plus compacte et plus rapide que le vaporeformage,
pas d'apport externe de chaleur nécessaire
mais...
• Rendement plus faible en raison de la dilution du gaz par le
CO2 produit par la combustion et par l'azote de l'air
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Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Réaction du gaz à l'eau
• En entrée , H2, CO, (CO2, N2) (reformat primaire)
• Réaction du gaz à l'eau ou Water gas shift reaction
(2) CO + H2Ovap → CO2 +H2
ΔH°r= -41,2 kJ/mol
• Transformation du CO produit en H2
• Passage successif dans deux réacteurs adiabatiques,
respectivement vers 400 °C et 200 °C sur un catalyseur Fe/Cr
et Cu/Zn. Entre les deux, refroidissement pour favoriser la
réaction.
• En sortie, il reste encore 0,5 à 2% de CO
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
13
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Élimination du CO
Par oxydation sélective
ou
Par méthanation sélective
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
14
4.Le système
complet
Le traitement du combustible
Élimination du CO : oxydation sélective
ou Prox (pour oxydation préférentielle)
• Ajout d'air en excès au reformat
(4) CO + 1/2.O2 → CO2
(5) H2 + 1/2.O2 → H2O
• Réaction sur catalyseur Pt/Al dans le réacteur Prox pour
favoriser (4) mais (5) se produit inévitablement
⇒ Consommation d'H2
• Caractérisé par le ratio O2/CO=FO2Prox in/ FCOProx
in
• Avec un ratio 1,5 au lieu de 0,5 et un bon catalyseur, on
obtient moins d'un ppm de CO en sortie
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
15
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Élimination du CO : méthanation sélective
• Cherche à inverser la réaction (1)
(6) CO +3.H2
→ CH4 + H2Ovap
ΔH°r= -206,2 kJ/mol
• Avantage : pas de dilution du reformat dans l'air et pas
de perte de combustible
• Pour éviter d'inverser (3) CH4 + 2.H2Ovap → CO2 +4.H2 , le
CO2 est d'abord dissout dans de la soude
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16
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Élimination du CO2 : décarbonatation
• Nécessaire pour les piles alcalines (AFC) pour lesquelles le CO2
est un poison.
• Absorption par passage du gaz dans une cartouche basique
(NaOH, etc.)
Enrichissement en eau
• Nécessaire pour les piles PEMFC afin d'éviter un assèchement
de la membrane (perte de ses qualités mécaniques)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
17
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Bilan
Purification
Reformage
Prétraitement
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
18
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Exemple : Pile PEMFC 5 kW du projet Epacop
Source : F. Lapicque, LSGC, ENSIC, INPL
Les auxiliaires de traitement du gaz naturel
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
19
Le traitement du combustible
4.Le système
complet
Exemple : Pile PEMFC 5 kW du projet Epacop
Source : F. Lapicque, LSGC, ENSIC, INPL
La composition du combustible à différentes étapes du traitement
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
20
La gestion du comburant
4.Le système
complet
• Air ou dioxygène pur
• Alimentation généralement surstoechiométrique
• Usage comme comburant et comme caloporteur
• En sortie de cathode, l'air appauvri en O2 et chaud peut servir
de comburant au brûleur utilisé pour le reformage du
combustible (optimisation)
• Pour les piles fonctionnant sous pression, l'air appauvri
associé à un brûleur peut faire tourner un turbocompresseur
⇒ réduction de la consommation d'énergie pour cette
compression
• Évacuation de l'eau produite par la pile
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21
Le stack
4.Le système
complet
• Empilement de cellules élémentaires en série (typiquement de
50 à 120)
Source : C.-E. Hubert
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
22
4.Le système
complet
Le stack
La cellule élémentaire
Source : C.-E. Hubert
Plaque bipolaire
(bipolar plate)
Plaque de diffusion
Plaque de diffusion
(Backing plate)
(Backing plate)
Plaque bipolaire
(bipolar plate)
Exemple de la PEMFC
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
23
Le stack
L'assemblage membrane-électrodes
4.Le système
complet
(AME ou MEA)
•
Met en contact les électrodes, les gaz et
l'électrolyte
• Au cœur du contact triple : le catalyseur
• Électrode poreuse en carbone (PEM) avec une
face imprégnée de catalyseur
• Électrolyte en Nafion (PEM) ou autre
• L'ensemble est conçu comme une membrane
unique (sandwich)
• Humidification nécessaire
pour favoriser le contact triple
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24
Le stack
4.Le système
complet
L'assemblage membrane-électrodes (AME)
Amélioration des performances depuis 40 ans
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25
Le stack
4.Le système
complet
Les plaques de diffusion
•
•
•
Source : CEA
Fonction : collecte du courant, répartition homogène des gaz sur les
électrodes, transmission de la chaleur, interconnexion électrique entre
les cellules
Grille fine formant des micro-canaux
Étude de l'utilisation de mousses métalliques plus efficaces que les
micro-canaux
Mousse de nickel
Caractéristiques d'un pile PEM selon la nature de la
couche de diffusion
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
26
Le stack
4.Le système
complet
Les plaques bipolaires
•
•
•
•
Fonction : collecte du courant, séparation des cellules élémentaires,
distribution des gaz, évacuation de l'eau produite et des gaz non
consommés, transmission de la chaleur, interconnexion électrique
entre les cellules, structure de la pile
Matériaux imperméables aux gaz, bon conducteur électrique et
thermique, bonne tenue mécanique, inertie chimique
En général : graphite usiné, mais l'usinage coûte cher
Autres possibilités à l'étude pour réduire les coûts
– Composites organiques
• Polymères + particules de carbone
• Canaux moulés
– Tôles métalliques
• p. ex. aciers inox
• Feuilles minces mise en forme par emboutissage ⇒ réduction du volume et
division par 3 des coûts
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
27
Le stack
Les plaques bipolaires
•
4.Le système
complet
Source : J. Hamelin
Géométrie des canaux
– Doivent assurer une distribution
homogène des gaz sur les électrodes
•
Plusieurs types
–
–
–
–
Points disposés en carré (a)
Serpentin (b) (la plus utilisée)
Canaux stratifiés (c)
Cascade (d)
Source : C.-E. Hubert
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
28
Le stack
4.Le système
complet
Les plaques bipolaires
Source : CEA
Plaque bipolaire moulée en matériau composite
Matrice thermodurcissable en graphite, fibre de carbone
ou noir de carbone, associée à des éléments
métalliques conducteurs électriques et thermiques
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
29
La gestion du stack
•
•
⇒
•
•
Le stack est composé de cellules montées
en séries (pour augmenter la tension) ou
en parallèle (pour augmenter l'intensité)
Son fonctionnement est analogue à celui
d'un module de photopiles.
En cas de défaillance (p. ex. canal de
distribution bouché), une cellule peut
travailler en récepteur ce qui engendre
des risques pour l'intégrité de la pile
(destruction de l'électrolyte)
Une purge de la pile permet généralement
de résoudre le dysfonctionnement.
Certaines piles sont régulièrement
purgées.
Un système de surveillance peut être mis
en œuvre sur les piles de forte puissance
afin de détecter les défaillances. →
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
4.Le système
complet
Carte électronique de surveillance
des cellules d'un pile AFC 2,5 kW
(Fuel Cell Control Ltd.)
30
La gestion de l'électricité produite
4.Le système
complet
• La pile fournit une électricité
– à basse tension
– à courant continu
– L'intensité est liée à la tension.
• L'utilisateur a besoin
– d'une tension fixe
– d'un courant alternatif
• Un convertisseur est indispensable
– Hacheur/élévateur (convertisseur DC/DC) pour régler la tension
– Onduleur pour produire le courant alternatif si nécessaire
– Un filtre pour réduire les harmoniques
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31
La gestion de la chaleur produite
•
4.Le système
complet
Deux sources de chaleur possibles :
– Le stack (pertes électrochimiques et effet joule)
– Le brûleur du reformeur (cas des piles à reformage externe)
•
Consommations :
–
–
–
–
•
Préchauffage des gaz en entrée de pile
Production de vapeur pour le vaporeformeur et la réaction du gaz à l'eau
Réaction de vaporeformage (endothermique)
Système de cogénération éventuel
Nécessite de nombreux échangeurs thermiques
– Volume et poids supplémentaires
– Certains sont intégrés aux plaques bipolaires
– Nombreuses solutions (ailettes, injection d'eau pour évaporation
•
Enjeu important :
– l'optimisation de l'autoconsommation
– Dans le secteur du transport, réduction de la taille des échangeurs par
accroissement de la température d'échange
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
32
La gestion des gaz d'échappement
4.Le système
complet
• Côté anode : Deux possibilités
– Sortie bouchée (pour les piles sans production à l'anode)
• Tout l'hydrogène est consommé
• Risque de voir les compartiments se remplir progressivement
• Perméation de gaz au travers de l'électrolyte
• Possible uniquement si H2 très pur et électrolyte peu perméable
• Purge périodique nécessaire pour évacuer les gaz inertes
– Sortie ouverte
Traitement de l'hydrogène à
l'échappement (ou à la purge)
(cas de faible quantités)
L'hydrogène est brûlé par
catalyse (sans flamme)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
33
La gestion des gaz d'échappement
4.Le système
complet
Traitement de l'hydrogène à
l'échappement (ou à la purge)
(cas de fortes quantités)
L'hydrogène est recyclé ou
brûlé pour apporter de la
chaleur à un auxiliaire
(p. ex. reformeur)
• Côté cathode
– L'air est appauvri en oxygène et chargé en eau
•
•
•
•
Rejet à l'atmosphère
Utilisation de sa température (pour cogénération, préchauffage)
Utilisation de sa pression résiduelle (turbo-compresseur)
Récupération de l'eau (pour humidification en entrée d'électrode)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
34
5. Modélisation
1. Dynamique interne de la pile
2. Modélisation d'une pile
3. Modélisation du système complet
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
35
Dynamique interne
5. Modélisation
Cinétique réactionnelle
•
La tension théorique E aux bornes de la pile correspond à sa force
électromotrice de circuit ouvert. On a un équilibre thermodynamique.
E eq =E +eq −E -eq
•
Hors équilibre, la pile débite. Le courant I est non-nul. La force
électromotrice s'écarte de sa valeur d'équilibre :
E  I = E +c  I −E -a  I ≤E eq
•
Les réactions électrochimiques ne sont pas instantanées (vitesse
limitée) ce qui crée des surtensions aux électrodes.
a =E -a  I − E -eq0
c =E eq+ −E c+  I 0
Ces surtensions sont associées à l'énergie
d'activation des réactions aux électrodes, c.-àd. à l'énergie qui doit être fournie pour que la
réaction se produise.
•
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
36
Dynamique interne
5. Modélisation
Source : Techniques de
l'ingénieur
Courbe densité de courant/potentiel pour une électrode à
oxygène
ème
Cours de piles à combustible - EPF - 5
année – septembre
2009
- S. Thiersà
combustible
et une
électrode
37
Modélisation de la tension de pile
5. Modélisation
Les modèles théoriques
•
Ils décrivent les phénomènes à partir de paramètres propres au stack
(géométriques, matériaux) et des conditions d'utilisation
•
La tension de cellule s'exprime :
Vcell(I) = ENernst – Eanode – Ecathode - Eohmique
•
Avec :
ENernst le potentiel thermodynamique (Potentiel de Nernst)
Eanode la surtension d'activation à l'anode
Ecathode la surtension d'activation à la cathode
Eohmique la surtension due à la chute ohmique
•
•
ENernst est calculable à partir de T et des pressions partielles des
réactifs
Les calculs de Eanode et Ecathode sont complexes et font intervenir
beaucoup de paramètres difficiles à évaluer (p.ex. concentration d'H2
à l'interface gaz/catalyseur, vitesse de réaction). Ecathode est
prépondérant.
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
38
Modélisation de la tension de pile
5. Modélisation
Les modèles théoriques
Eohmique = I.(Rélec+Rproton)
•
Rélec : Résistance électronique au niveau de la couche catalytique, de la
couche de diffusion, des plaques bipolaires
•
Rproton : Résistance électronique au niveau de la membrane
(prépondérante), fonction de sa surface A, son épaisseur e et de sa
résistivité r
Rproton = r.e/A
•
Modèle peu satisfaisant car il ne prend pas en compte la nature des
catalyseurs et la nature de la membrane
•
Permet d'avoir une meilleure connaissance des phénomènes physiques
•
Inapproprié pour la modélisation d'une pile entière, voire d'un
système complet car trop complexe (une vingtaine de paramètres)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
39
Modélisation de la tension de pile
5. Modélisation
Le modèle semi-empirique de Chamberlin et Kim
• Il décrit la tension de cellule en fonction de 5 paramètres
Vcell(I) = E - b.Ln(I) - R.I - m.exp(n.I)
Potentiel Surtension Chute Diffusion
chimique d'activation ohmique des gaz
Avec :
b, R, m et n des paramètres empiriques qui doivent être calés
expérimentalement
I la densité de courant en A/m2
E la tension de circuit ouvert (inclut les irréversibilités)
R la résistance (cm2)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
40
Modélisation de la tension de pile
5. Modélisation
Le modèle semi-empirique de Chamberlin et Kim
Source : C.-E. Hubert
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
41
Modélisation de la tension de pile
5. Modélisation
Le modèle semi-empirique de Chamberlin et Kim
• Modèle simple qui décrit des phénomènes réels
Les modèles empiriques
• Ils ne représentent pas la réalité et tous leurs paramètres
doivent être calés par l'expérience
• En pratique, le stack est utilisé dans la partie médiane de la
caractéristique
⇒ Approximation linéaire
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
42
Modélisation du système complet
5. Modélisation
• Nécessite l'utilisation de logiciels spécifiques tels que
– Aspen Plus (génie des procédés)
– Matlab/Simulink, Modélica (modélisation dynamique)
Source : C.-E. Hubert
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
43
6. Les applications
1. Les transports
– Maritime
– Automobile
– Spatial
2. Les applications portables
3. Les applications stationnaires
– Générateur de secours
– Sûreté d'alimentation
– Cogénération
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
44
Transport maritime
6. Applications
• Secteur peu médiatisé mais prometteur. Encore très
expérimental.
• Objectif : propulsion de bateaux et de sous-marins
• Utilisation de piles PEMFC ou MCFC
• Puissances entre 100 W et 250 kW
• Possibilité d'évacuer la chaleur par eau
• Intérêt
– Peu de bruit
– Pas de pollution locale ⇒ permet d'accéder à certains plans d'eau
interdit aux véhicules à moteur thermique
– Meilleur rendement à charge partielle
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
45
Transport automobile
6. Applications
•
Forte recherche dans ce secteur. Forte compétition de quasiment tous
les constructeurs.
•
Piles PEM à H2 pur ou reformé
•
Objectif depuis
– Véhicule à zéro émission (ZEV)
•
Trois applications
– Propulsion (moteur électrique) : PEMFC
(1 kg H2 = 100 km d'autonomie)
– Source d'énergie auxiliaire (APU, Auxiliary power unit) = chargeur de
batterie pour assurer le fonctionnement des auxiliaires (autoradio,
climatisation, ): PEMFC ou SOFC
– Véhicule hybride
•
Architecture
– Pile seule
– Pile associée à une batterie (Li-ion)
• La pile recharge la batterie (complément)
• Pile en parallèle avec la batterie qui peut récupérer l'énergie de freinage
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
46
Transport automobile
•
6. Applications
La propulsion automobile par pile à combustible se heurte encore à de
nombreuses difficultés.
– Si utilisation de H2 pur : problème du stockage
– Si utilisation de H2 reformé : Reformeur volumineux et lourd
– Échangeur nécessaire pour évacuer la chaleur produite, mais volumineux
car température plus basse que pour un moteur thermique
– Puissance nécessaire élevée (environ 80 kW)
•
•
•
L'application la plus viable actuellement semble être limitée à l'appoint
électrique du véhicule (APU) car la puissance requise est alors plus
faible.
45 prototypes différents entre 1994 et 2002
Technologie encore insatisfaisante et toujours expérimentale
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
47
Transport automobile
•
6. Applications
Véhicule électrique à pile à combustible
Source : CEA
Schéma de principe du prototype H2O de PSA équipé d'une pile de 5,5 kW
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
48
Transport automobile
•
6. Applications
Véhicule hybride à pile à combustible
Schéma de
principe pour un
camion frigorifique
hybride.
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
Source : Hydrogen Program
fuel cell APU du US DoE
49
Transport spatial
6. Applications
• Origine historique du développement de la pile à combustible
avec utilisation de piles alcalines et de SOFC par la NASA
• Aujourd'hui
– Travail de la Nasa sur les piles régénératives (Avion solaire)
Objectif : stockage de l'énergie solaire pour des installations spatiales
ou extraterrestres (station lunaire, exploration martienne)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
50
6. Applications
Équipements portables
•
•
•
Téléphones mobiles, ordinateurs portables, caméscopes, PMP, appareils
électroniques de toutes sortes etc.
Objectif : augmenter l'autonomie de ces équipements
Puissance : de 100 mW à 1 kW
•
Fonctionne à température ambiante
→ piles à basse température
– Piles à membrane polymère (PEMFC) et dérivées (DMFC, DEFC, DFAFC...)
•
Carburant :
– méthanol testé par Toshiba sur un ordinateur (M300). 10h d'autonomie. Pile
DMFC sans auxiliaire (air-breathing)
• Configuration hybride possible
DMFC/pile lithium-ion pour assurer les pics de puissance
• Secteur en ébullition : plus de 60 entreprises se
positionnent sur ce créneau de recherche
• Beaucoup d'effets d'annonce mais équipement
encore expérimental
Pile DMFC
pour ordinateur portable (Antig) :
→
"Fuel Cell on a chip" 3W, 1,8 V, 5x14 cm
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51
Équipements portables
6. Applications
• Exemple de générateur portable :
Chargeur de téléphone et PDA à pile Zinc/air :
Une cartouche pour trois recharges.
Chargeur : 39 $, cartouche : 10 $
Cartouche Zinc/air (Instant Power)
Ordinateur portable alimenté par une DMFC.
Autonomie : 16 à 20 h
Source : Casio
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Production stationnaire
6. Applications
Secours
• Pour les centraux téléphoniques, data centers, etc.
"Power Generation Module"
(Aperion Energy System)
Pile PEMFC
Puissance 1 kWe
Rendement 40 %
Fonctionne au H2 pur
Chargeur de batterie portatif
"Automatic Battery Charger" (Voller)
Pile PEMFC
Puissance : 70 We
Masse : 9 kg
Rendement : 40 %
Fonctionne au H2 pur
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53
Production stationnaire
6. Applications
Cogénération
• En raison de ses faibles émissions polluantes et sonores, la pile
à combustible est adaptée à la production d'électricité
décentralisée. La chaleur produite par la pile peut alors être
valorisée localement
→
Cogénération
• En France, deux études significatives par GdF
– Pile PAFC à Chelles (Seine-et-Marne) pour approvisionner 200
logements 200 kWe, 200 kWth, rendement total : 80 %
– Programme Epacop : 5 piles de 5 kWe, 7 kWth pour alimenter des
bâtiments administratifs
• En concurrence avec les autres systèmes de cogénération :
– Moteur à combustion interne
– Turbine à gaz
– Moteur Stirling (pour les petites puissances)
• Encore non compétitif
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Production stationnaire
6. Applications
(H Power)
Projet
EpaCop
(GdF)
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55
6. Applications
Production stationnaire
La pile de Chelles (77)
"Pure Cell 200" d'UTC Fuel Cell
Pile PAFC
Puissance 200 kWe et 271 kWth
Destiné aux bâtiments
collectifs, industriels,
hôpitaux, etc.
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Production stationnaire
6. Applications
Microcogénération
Destinée aux applications
domestiques
individuelles
Ici, le "Galileo 1000 N"
d'Hexis
Pile SOFC au gaz naturel
Pmaxe = 1 kWe
Pmaxth = 2,5 kWth
Brûleur additionnel : 20 kW
Rendements :
élec : 25 à 30 %
total : 85 %
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
Dimensions : 55x55x160 cm
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7. Point de vue énergétique
1. Rendement de la pile
2. Rendement de la filière
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Rendement de la pile
7. Point de vue
énergétique
• Rendement thermodynamique idéal
– Dépend du type de pile (du couple redox)
– Bien connu à T et P données
η°thermodynamique=ΔG°réaction /ΔH°réaction = -237/-285,8 = 83 % (H2/O2) (PCS)
• Rendement matière
– Part des combustibles réellement consommée
Typiquement :
ηmatière=95 %
• Rendement voltaïque
– Surtensions au niveau des électrodes en raison des conditions
variables de T et P, des différences de concentration des espèces,
de la cinétique des réactions
ηvoltaïque= Vréele/E°
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
59
Rendement de la pile
7. Point de vue
énergétique
• Rendement faradique
– Une partie des électrons n'est pas capturée (recombinaison,
migration des atomes de H2 à travers la membrane, réactions
chimiques parasites, court-circuit interne)
ηfaradique≈1 (H2), 0,3 à 0,6 (CH3OH)
• Rendement système
– L'ensemble des auxiliaires de la pile consomme une partie des
combustibles ou de l'énergie électrique produite
ηsystème (dépend de la structure du système complet)
• Rendement global
ηsystème .ηfaradique . ηvoltaïque . ηmatière . η°thermodynamique = ηglobal
Exemple : PEMFC à 80 °C (0,7 V, 350 mA/cm2)
80 % . 100 % . 60 % . 90 % . 83 % = 35,8 % (PCS)
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Rendement de la filière
7. Point de vue
énergétique
Analyse du puits à la sortie de pile, selon le mode
de production du dihydrogène (ici pile PEMFC)
Source : J. Louyrette
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7. Point de vue
énergétique
Rendement de la filière
• Si production de l'électricité par énergie renouvelable (éolien,
solaire, hydraulique) avant électrolyse :
– par rapport à l'électricité primaire
ηglobal ≈ 23,5 % si production centralisée
ηglobal ≈ 25 % si production décentralisée
⇒ correspond au rendement du "stockage hydrogène"
– Calcul par rapport à la ressource (cas décentralisé) :
• Éolien : maximum théorique 59 % ⇒
ηglobal ≈ 15 %
• Rendement PV : entre 10 et 20 % ⇒
ηglobal ≈ entre 2,3 et 4,6 %
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Rendement de la filière
7. Point de vue
énergétique
Exemple sur un cas de cogénération
PEMFC à reformeur gaz naturel (Projet EPACOP de GdF)
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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Rendement de la filière
7. Point de vue
énergétique
Comparaison des différentes technologies de
cogénération à gaz (ordres de grandeur)
Technologie à gaz naturel
Moteur à combustion interne
Turbine à gaz
Moteur Stirling
Pile à combustible
(données Epacop)
Rendement
Électrique Thermique
40 %
15 %
26 %
48 %
24 %
72 %
16 %
40 %
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
Total
55 %
74 %
96 %
56 %
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8. Point de vue
environnemental
1. Analyse de cycle de vie
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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Analyse de cycle de vie
8. Point de vue
environnemental
• Intérêt ?
– Évaluer l'impact environnemental de la technologie des piles à
combustibles
• Pourquoi ?
– L'utilisation des piles à combustible est censée présenter un
impact environnemental positif (pas d'émission de polluants, ni de
particules, peu de bruit, etc.)
– Les phases de fabrication et de destruction ou recyclage posent,
par contre, de nombreuses questions :
• Disponibilité des matières premières (métaux rares, lourds, etc) ?
• Impacts des procédés industriels complexes et nombreux ?
• Composants composites : le recyclage est-il possible ?
• Les résultats de l'ACV dépendent essentiellement
–
–
–
–
Du
Du
Du
De
type de pile
type d'usage
type de combustible
l'origine du combustible
• L'ACV de la pile seule n'est en général pas possible.
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
66
Analyse de cycle de vie
8. Point de vue
environnemental
• Le système retenu est souvent plus large :
"Du berceau à la tombe" (Cradle to grave)
Source : Hussain, Dincer, Li. University of Waterloo, Ontario
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Analyse de cycle de vie
8. Point de vue
environnemental
• Déjà une dizaines d'ACV réalisées
• Difficultés
–
–
–
–
Données incertaines ou absentes
Technologies en cours de développement
Fixation des limites de l'analyse difficile
Grand nombre de filières de production, de transport et de
transformation du combustible
• Mais : c'est le seul moyen permettant de comparer différentes
filières énergétiques
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Analyse de cycle de vie
8. Point de vue
environnemental
• Étude de S. Lassaux (université de Liège)
– Comparaison de plusieurs types de générateur pour la
cogénération
• PEMFC avec H2 reformé localement
• DMFC avec production de méthanol centralisée et transport
• PEMFC avec H2 produit par vapo-reformage de méthanol
• Microturbine à gaz naturel
– Unité fonctionnelle : 1 kWh d'électricité
– Selon Lassaux, l'impact environnemental croît de
• PEMFC avec H2 reformé localement
• Microturbine à gaz naturel = PEMFC avec H2 produit par vaporeformage de méthanol
• DMFC avec production de méthanol centralisée et transport
– Résultats très flous
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Analyse de cycle de vie
8. Point de vue
environnemental
• Étude de B. Sørensen (université de Roskilde, DK)
– Comparaison de trois véhicules
• Un véhicule conventionnel (Toyota Camry essence (12 km/l))
• Un véhicule efficace (VolksWagen Lupo diesel 3L (33 km/l))
• Un véhicule à pile (Daimler-Crysler F-cell)
– Unité fonctionnelle : 300 000 km
– Durée de vie : 15 ans
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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Analyse de cycle de vie
8. Point de vue
environnemental
Efficacités
EUDC : Extra Urban Driving Cycle
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Analyse de cycle de vie
8. Point de vue
environnemental
Impacts environnementaux
DC FC H2
(électrolyse par
élec. Éolienne)
DC FC H2
(reformé à partir
de gaz naturel)
VW Lupo
Toyota
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Analyse de cycle de vie
8. Point de vue
environnemental
• Conclusions de Sørensen
• Les véhicules FC ont un fort potentiel de réduction des impacts
• La réduction de la quantité de matière, de travail et du coût de
fabrication est essentiel pour atteindre cet objectif
• Une réduction substantielle des impacts peut être réalisée à
moindre coût en favorisant les véhicules les plus efficaces
• Dans les deux cas, l'internalisation des coûts externes est
essentielle
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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9. Point de vue économique
• Etude EasyPac Elyo/CEA/CSTB (2001)
• Etude prospective du prix des piles PEMFC et SOFC pour les
applications stationnaires et automobiles entre 2000 et 2010
• Hypothèses
• Fort développement de la filière qui réduisent fortement les coûts
de fabrication
• Sauts technologiques forts (membrane en PTFE au lieu de Nafion)
• Prix du Pt considéré : prix moyen entre 1980 et 2000 ⇒
actuellement 2 à 3 fois plus cher
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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9. Point de vue économique
• Pile PEMFC 22,5 kW (150 cellules de 650 cm2)
• Répartition des coûts entre la MEA, les plaques bipolaires et les plaques de
refroidissement (variable selon scénario)
• Malgré la réduction de la quantité de Pt, le coût de Pt représente une part
importante du coût total
• Un système hybride SOFC-micro turbine à gaz (500 kWe / 160 kWth)
31 €/g juin 2009
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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9. Point de vue économique
• Etude EasyPac Elyo/CEA/CSTB (2001)
Structure du prix d'une PEMFC
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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9. Point de vue économique
• Coût 2000 prohibitifs mais possibilité d'atteindre le coût d'une
TAG si :
• Industrialisation
• Développement d'une filière, notamment grâce aux applications
automobiles
• Si réduction du coût d'investissement, les coûts de maintenance
apparaissent en raison de la complexité du système (nombreux
auxiliaires)
• Dans les meilleurs scénarios, la cogé PEMFC devient comparable à
la cogé TAG
• La SOFC est moins fiable en raison des hautes températures
• Seule la configuration hybride SOFC-μTAG permet de rentabiliser
la pile, mais production thermique moins intéressante (220 °C)
• Objectifs des industriels à l'horizon 2010
• PEMFC à 500 €/kW
• SOFC à 1000 €/kW
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9. Point de vue économique
Prix de vente des piles (PEM de petites puissances)
en 2007 et 2009
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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Conclusions
• L'avenir de la pile à combustible est entre les mains des
chercheurs et des industriels
• Objectifs multiples
–
–
–
–
–
–
Réduire la quantité des matériaux rares
Augmenter la densité de puissance
Augmenter la durée de vie et la fiabilité
Réduire les coûts de fabrication et de maintenance
Réduire le nombre, le volume, la masse des auxiliaires
Augmenter le rendement énergétique global du système
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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Sources
•
•
•
•
•
•
•
Ressource sur l'histoire des piles à combustible aux États-Unis
http://americanhistory.si.edu/fuelcell
"Système de piles à combustible pour la cogénération. État de l'art."
Rapport pour l'ADEME, J-J Bezian, Centre d'énergétique de l'école des
mines de Paris
Cours R. Metkemejer, mastère OSE, ENSMP
"Étude technico-économique de la filière hydrogène", J. Louyrette,
thèse professionnelle, mastère OSE, ENSMP
"Etude du fonctionnement et optimisation de la conception d’un
système pile à combustible PEM exploité en cogénération dans le
bâtiment" Thèse de doctorat, C.E. Hubert, ENSMP.
"Etude, conception et réalisation d'une pile à combustible miniature
pour applications portables", Thèse de doctorat, T. Pichonat, LPMO
"Modélisation et caractérisation de la pile PEM pour l'étude des
interactions avec les convertisseurs statiques", Thèse de doctorat, G.
Fontès, INP Toulouse
Cours de piles à combustible - EPF - 5ème année – septembre 2009 - S. Thiers
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Sources
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Rapport de fin d'études, F. Amrouche, USTHB
Association française de l'hydrogène, www.afh2.org
US Department of Energy, www.eere.energy.gov
Commissariat à l'énergie atomique, www.cea.fr
"Piles à combustible", Techniques de l'ingénieur.
"Pile à combustible" Site web d'A.-S. Corbeau, www.annso.freesurf.fr.
Fuel Cell Today, www.fuelcelltoday.com
Veille technologique sur la PàCo : www.alphea.com
Les clefs du CEA No 50-51
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