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LES PILES A COMBUSTIBLE Antonio Delfino Conception et Développement MICHELIN MICHELIN 1762 Givisiez.

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1 LES PILES A COMBUSTIBLE Antonio Delfino Conception et Développement MICHELIN MICHELIN 1762 Givisiez

2 1)Parallèle entre pile à combustible et machine thermique 2)Les différents types de piles à combustible (PAC) 3)Applications des PAC 4)Principe de la PAC 5)La cellule de base dune PAC 6)Réactions chimiques dans une PAC 7)Construction dune PAC 8)Performances 9)Objectifs de progrès Sommaire

3 Pile à Combustible: Convertisseur dénergie Pile à Combustible Carburant (Energie Chimique) Chaleur Energie Electrique Moteur Electrique Moteur Thermique Energie Mécanique CARNOT

4 Machines Thermiques « CARNOT » Rendement Maximum 1 21 T TT Piles à Combustible « GIBBS » Rendement Maximum max TENSION travail 1 Kg/kw à 3 Kg/kw 0.15 à 2 Kg/Kw 0.3 à 3 Kg/Kw

5 Exemple de Rendement Maximum dune Machine de CARNOT Turbine à vapeur Source chaude: Température de travail T 1 = 675 o K Source froide: Température des gaz condensés T 2 = 325 o K % Exemple de Rendement Maximum dune Pile à Combustible à 80 o C Tension de travail V 1 = 1.18 V Tension maximum V 2 = 1.47 V %

6 Applications mobiles [°C] PEMFC AFC PAFC MCFC Molten Carbonate Fuel Cell SOFC Solid Oxide Fuel Cell Phosphoric Acid Fuel Cell Température de fonctionnement Alkaline Fuel Cell Proton Exchange Membrane Fuel Cell Applications stationnaires Les Différents Types de Piles à Combustible NASA

7 Puissance 5 W 50 W 1 kW kW 1 MW Auxiliaires Ordinateurs portables Générateurs portables Outillage sans fil Automobile Bus Centrale Electrique 200 kW APPLICATIONS

8 Electrolyse H 2 + 1/2 O 2 H 2 O Pile à Combustible (Electrolyse inverse) Principe de la Pile à Combustible H 2 O H 2 + 1/2 O 2

9 H + H2OH2O O2O2 H2H2 Moteur Electrique e-e- La Cellule de Base dune Pile à Combustible H 2 -> 2H + +2e - Anode 1/2 O 2 + 2H + +2e - -> H 2 O Cathode H 2 + 1/2 O 2 H 2 O Réaction globale : Tension pratique: 0.6 – 1 Volt e- Couche de Diffusion Membrane échangeuse dions Couche de Diffusion

10 AdsorptionDissociation H2H2 Electronique Désorption Pt e-e- e-e- e-e- e-e- H+H+ H+H+ H 2 2 e - + 2H + Réaction Catalytique à lAnode Pt Pt=Platine

11 H2H2 Membrane Echangeuse dions H + Particules de Graphite Particules de PLATINE (nm) Pores pour lentrée de l H 2 H+H+ H+H+ e-e- e-e- Pile à Combustible : 3-Phases (50 m) Platine

12 O e - + 4H + 2 H 2 O Réaction Catalytique à la Cathode O2O2 Pt Pt=Platine Pt H3O+H3O+ H3O+H3O+ OHOH e-e- e-e- H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O e-e- e-e- H3O+H3O+ H3O+H3O+

13 Pile à Combustible : 3-Phases O2O2 e-e- e-e- H2H2 H+H+ H+H+ e-e- e-e- H2OH2O e-e- CATHODE ANODE

14 Structure de la Membrane Echangeuse dIons Colonne vertébrale hydrophobe qui permet lintégrité mécanique Le proton est conduit via des canaux hydrophiles [(CF 2 CF 2 ) n (CF 2 CF)] x SO 3 HCF 2 CF 2 O O CF 3 CFCF 2 Compositions de deux Nanophases: Acide Sulfonique : Proton 1 nm

15 Deux CellulesAssemblage Bipolaire + => Membrane Cathode Anode Plaque Bipolaire Construction dune Pile à Combustible Plaque Bipolaire

16 LA REALITE Plaque Bipolaire Plaque Bipolaire Joint détanchéité Membrane Diffuseurs + Electrodes

17 Dimensionnement dune 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 dune cellule - Pour un rendement de 60%: - Choix 200 cm 2 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/cellule la densité de courant est de 1300 mA/cm 2

18 Caractéristique Tension - Courant

19 Durée de Vie dune PAC Objectif h

20 Objectif $/Kw Coût dune PAC

21 Pour conclure, retenons: La PAC convertit directement de lénergie chimique en énergie électrique La PAC német que de leau 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 déléments différents La PAC a peu de constituants mobiles Lobjectif: atteindre 5000 h et 30 $/Kw en 2011

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