Les technologies de piles à combustible
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Les technologies de piles à combustible Approche intégrée des PAC : des nanomatériaux aux systèmes Laurent ANTONI [email protected] Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 1 Sommaire 1. Les technologies de piles à combustible 2. Approche intégrée des PAC : des nanomatériaux aux systèmes ● ● ● ● Dimensionnement Développement et caractérisation des composants Réalisation et test des systèmes Normalisation et sécurité 3. Conclusions Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 2 Les technologies de piles à combustible Not utilized H2, (CO) and reaction gas Ion conducting ceramics SOFC H2, CO 800 °C H2O, CO2 H2, CO H2O, CO2 H2 Molten alkali MCFC carbonate 650 °C Phosphoric acid Ion conducting Polymer PAFC 200 °C DMFC CH3OH 80 °C-110 °C CO2 PEFC H2 20 °C-90 °C Caustic potash AFC H2 20 °C-90 °C H2O O2- CO32- H+ H+ H+ OH- O2 O2 CO2 O2 H2O O2 H2O O2 H2O O2 Not utilized O2, N2 and reaction gas preferred continuous load Dynamic load O2, air Fuel Anode Electrolyte Cathode Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 3 Les technologies de piles à combustible Répartition des unités produites en 2010 PEMFC PEMFC Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 4 des nanomatériaux aux systèmes Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 5 PEMFC : des nanomatériaux aux systèmes Composants Electrodes Assemblages Membrane-Electrodes Plaques bipolaires Systèmes Auxiliaires Electronique de puissance Capteurs Actionneurs Assemblage pile (stack) Commande Contrôle Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 6 Démarche d’un développement système 1 • Spécification • Simulation système, optimisation des architectures • Conception pile Dimensionnement/ Conception 2 Codes& Standards Développement/ Caractérisation Composants • ISO TC 197 • IEC TC 105 • Certification • Sécurité • performance • durée de vie • industrialisation 4 3 Réalisation/ Test Système • • • • Robustesse Hybridation Compacité Fonctionnement « réel » Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 7 1. Dimensionnement/Conception • Spécification • Auxiliaires • Pile ● Modèle applicable à tous les systèmes Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 8 1. Dimensionnement/Conception AME 1200 Cell voltage Specific power Working point 1000 800 688 mV 600 467 mW/cm² 400 200 0 0 200 400 600 800 Current Density (mA/cm²) 1000 1200 Modèle applicable à tous les piles Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 9 PEMFC : des nanomatériaux aux systèmes Composants Electrodes Assemblages Membrane-Electrodes Plaques bipolaires Systèmes Electronique de puissance Capteurs Actionneurs Assemblage pile (stack) Commande Contrôle Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 10 2. Développement/Caractérisation Composants Fabrication AME 1 0,95 0,9 Tension/ cellule (V) Performance et durabilité 0,85 0,8 0,75 0,7 Membranes Couche active ionomère AME002 AME003 AME004 AME006 AME007 0,65 0,6 0,55 0,5 0 Instrumentation 200 400 600 Densité de courant (mA/cm2) 800 1000 Performances Métaux Nobles Durabilité Coûts Nano-caractérisation Modélisation Catalyseurs Couche de Diffusion Management de l’eau MEMEPhys® Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 11 2. Développement/Caractérisation Composants Formulation encres, caractérisations électrochimiques Fabrication électrodes, assemblage cœurs de piles, intégration piles Essais performances et durabilité, nouveaux composants, avec polluants… Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 12 2. Développement/Caractérisation Composants Diminution de la quantité de platine 1000 900 0,32 gPt/kW Tension (mV) 800 700 600 500 Tension de cellule Tension à i(min) 400 Tension à i(max) 300 Perte de performances irréversibles <10% après 1700 h 200 0 500 1000 1500 2000 Temps (h) 1500 heures de fonctionnement pour un AME faiblement chargé en platine (0,25 gPt/kW), dans les conditions représentatives de l’application transport [chargements typiques 0,5‐0,8 gPt/kW] Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 13 2. Développement/Caractérisation Composants Toute une gamme d’AME Différentes applications, différentes conditions de fonctionnement Point fort : adaptation des AME aux cahiers des charges Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 14 2. Développement/Caractérisation Composants Design « F » 300 kW Metallic stack Design « G » 80 kW Metallic stack Un panel de piles Design « F » 14 kW Metallic stack RobotPAC 150 W Graphite stack Marathon Shell 200 W Graphite stack Design « D » 500 W Metallic stack EPICEA 3 kW Composite stack Design « G » 20 kW Metallic stack Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 15 2. Développement/Caractérisation Composants Des moyens d’assemblage des piles • Métrologie des composants • Presse d’assemblage • Banc de test d’étanchéité depuis 2005 > 900 kW and >220 piles assemblées > 25 000 h de test de piles Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 16 3. Réalisation / Test de Systèmes Transport Specifique Aéronautique Systèmes CEA 5 kWelec PROSPAC EPICEA Stationnaire avec/sans reformage Plaisance, maritime Couplage aux EnR pour site isolé ou réinjection réseau Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 17 3. Réalisation / Test de Systèmes – Voilier Zéro CO2 Système PEM CEA design (25 kW) • 2 piles CEA • 3 circuits de refroidissement (pile, électronique, ballons d’eau) Batterie • CEA design • LiFePO4 • 40 Ah et 400 V • 14.8 kWh Hydrogen storage Motor • 23 kW (1800 r/min – 110 N.m) 835 sensors 550 safety thresholds Monitoring • 3 réservoirs 150 L, Type III • 35 MPa • masse H2 : 10.5 kg • 350 kWh (PCI) Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 18 3. Réalisation / Test de Systèmes – Voilier Zéro CO2 November 10 2011 July-September 10 June 10 April 10 December 09 September 09 Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 19 Conclusions Approche intégrée des PAC : ● Intégration de ruptures technologiques par les nanomatériaux et/ou par l’intégration système ● Développement de composants “sur mesure” pour les applications visées ● Validation rapide des innovations “matériaux” et “architectures” dans des systèmes “plug and play” → Transfert technologique accéléré → Détermination des axes de R&D pertinents Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 20 Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris 21
