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

Sommaire Parallèle entre pile à combustible et machine thermique Les différents types de piles à combustible (PAC) Applications des PAC Principe de la PAC La cellule de base d’une PAC Réactions chimiques dans une PAC Construction d’une PAC Performances Objectifs de progrès

Pile à Combustible: Convertisseur d’énergie Carburant (Energie Chimique) Chaleur Energie Electrique Moteur Thermique Mécanique CARNOT Pile à Combustible

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

Exemple de Rendement Maximum d’une Machine de CARNOT Turbine à vapeur Source chaude: Température de travail T1 = 675 oK Source froide: Température des gaz condensés T2 = 325 oK % 52 . 675 325 = - h Exemple de Rendement Maximum d’une Pile à Combustible à 80 oC Tension de travail V1 = 1.18 V Tension maximum V2 = 1.47 V % 80 . 47 1 18 = h

Les Différents Types de Piles à Combustible SOFC Solid Oxide Fuel Cell Applications stationnaires Phosphoric Acid Fuel Cell Molten Carbonate Fuel Cell PAFC MCFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC NASA Applications mobiles AFC Alkaline Fuel Cell 100 200 600 900 [°C] Température de fonctionnement

APPLICATIONS Automobile Puissance 5 W Ordinateurs portables Outillage sans fil 50 W Auxiliaires 1 kW Générateurs portables 30-80 kW Automobile 200 kW Bus 1 MW Centrale Electrique

Principe de la Pile à Combustible (Electrolyse inverse) Electrolyse H2O H2 + 1/2 O2 H2 + 1/2 O2 H2O

La Cellule de Base d’une Pile à Combustible Membrane échangeuse d’ions Moteur Electrique Couche de Diffusion Tension pratique: e- Couche de Diffusion e- 0.6 – 1 Volt H2O H + H2 H2 + 1/2 O2 H2O Réaction globale : O2 1/2 O2 + 2H++2e- -> H2O Cathode H2 -> 2H++2e- Anode

Réaction Catalytique à l’Anode H2 2 e- + 2H+ Dissociation Electronique Adsorption Dissociation Désorption H2 e- H+ e- e- H+ e- Pt Pt Pt Pt Pt Pt=Platine

Pile à Combustible : 3-Phases Membrane Echangeuse d’ions H+ Particules de PLATINE (nm) Platine e- e- H+ H+ H2 Pores pour l’entrée de l’ H2 Particules de Graphite (50 mm)

Réaction Catalytique à la Cathode O2 + 4 e- + 4H+ 2 H2O OH e- H2O Pt O2 Pt Pt H3O+ e- H3O+ Pt H2O Pt Pt=Platine

Pile à Combustible : 3-Phases H2O CATHODE ANODE

Structure de la Membrane Echangeuse d’Ions Compositions de deux Nanophases: Colonne vertébrale hydrophobe qui permet l‘intégrité mécanique Le proton est conduit via des canaux hydrophiles 1 nm [ ( C F C F ) n ( C F C F ) ] 2 2 2 x : Proton O C F C F C F 2 3 O C F C F S O H 2 2 3 Acide Sulfonique

Construction d’une Pile à Combustible Deux Cellules Assemblage Bipolaire Plaque Bipolaire - + - + - + - + + => Cathode Anode Membrane Plaque Bipolaire

LA REALITE Plaque Bipolaire Plaque Membrane Bipolaire Joint d’étanchéité Diffuseurs + Electrodes

Dimensionnement 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/cellule la densité de courant est de 1300 mA/cm2

Caractéristique Tension - Courant

Durée de Vie d’une PAC Objectif 2011 5000 h

Coût d’une PAC Objectif 2011 30 $/Kw

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