Support pédagogique – Partie 3

Présentation au sujet: "Support pédagogique – Partie 3"— Transcription de la présentation:

1 Support pédagogique – Partie 3
Les piles à combustible (Fuel Cells)

2 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible I. Principe de fonctionnement

3 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Notions de chimie Oxydant : Un oxydant est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons. Réducteur : Un réducteur est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons. Chaque oxydant est associé à un réducteur, on parle alors de couple redox, que l’on note oxydant/réducteur. ex : couples Fe2+/Fe, H+/H2… Lors d’une réaction d’oxydo-réduction, deux couples redox sont mis en jeu. Il se passe alors simultanément 2 réactions (oxydation+réduction), et le bilan global de la réaction est : oxydant1 + reducteur2 -> oxydant2 + réducteur1

4 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Notions de chimie Réaction entre le dioxygène (O2) et l’hydrogène (H2): Couples mis en jeu : H+/H2 : H2 -> 2 H+ + 2 e- oxydation O2/O2- : O e- -> 2 O2- réduction Bilan de réaction : H2 + O2 -> 4 H+ + 2 O2- = 2 H2O

5 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Pile à combustible Oxydation des molécules H2 à l’anode Réduction du dioxygène à la cathode La tension maximale en sortie est définie par le potentiel électrochimique du couple combustible/comburant. Pour le couple (H2/O2), il est égal à 1,23 V. Le courant de sortie dépend de la surface active, i.e. la surface des électrodes (anode et cathode). Umax = 1.23 V

6 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Pile à combustible Rendement énergétique1 Le rendement d’une pile à combustible caractérise sa capacité à transformer l’énergie chimique de l’hydrogène en électricité. En génération d’électricité seulement, le rendement est le rapport Pelec/Phydrogène. En cogénération (électricité+chaleur), le rendement est égal au rapport Pelec+Pchaleur / Phydrogène, soit un rapport d’environ 100%. Pile à combustible hydrogène électricité chaleur

7 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Etapes par étapes1… Les ions H+ traversent la membrane imperméable aux e- pour réagir avec O2- et former H2O. L’air et l’hydrogène se diffusent dans les couches de diffusion gazeuse. Le dihydrogène et le dioxygène migrent vers les électrodes de la pile. Les molécules de dihydrogène se séparent en ion H+ et en électrons e-. Les électrons traversent la charge pour réagir avec O2 et former 2 O2-. Air Hydrogène O2 H2 H2 N2 H2 N2 e- H+ H+ e- H2 H2 N2 1 – Exemple du principe de fonctionnement d’une PEMFC. H20 O2- H2 O2 N2 e- H+ H+ e- H2 N2 O2 H2 N2 H2 H2 H2 O2 N2 H2 E E M GDL GDL

8 Partie 3 - Les piles à combustible Température de fonctionnement
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Les différentes technologies de pile à combustible Description Électrolyte Ions mis en œuvre Combustible (anode) Comburant (cathode) Puissance Température de fonctionnement Pile à combustible alcaline (AFC) Hydroxyde de potassium OH– dihydrogène dioxygène 10 à 100 kW 60 °C à 90 °C Pile à combustible à hydrure de bore direct( DBFC) Membrane anionique NaBH4 liquide 250mW/cm² 20 °C à 80 °C Pile à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC) Membrane polymère H+ 0,1 à 500 kW 60 °C à 100 °C Pile à combustible à méthanol direct (DMFC) méthanol mW à 100 kW 90 °C à 120 °C Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC) Acide phosphorique jusqu'à 10 MW environ 200 °C Pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) Carbonate de métaux alcalins CO32– Dihydrogène Méthane jusqu'à 100 MW environ 650 °C Pile à combustible à oxyde solide (SOFC) Céramique O2– 800 °C à1 050 °C

9 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Avantages et inconvénients de la technologie Avantages Bons rendements énergétiques1 Très bons en co-génération (production électricité + chaleur) Très peu ou pas polluantes en fonction du combustible utilisé Silencieuses Bonne durée de vie Peu d'entretien Points faibles Coûts élevés mais en baisse Pas d'industrialisation à grande échelle Connotation de l'hydrogène2 1 – Voir Partie 5 (ii) 2 – Souvent injustifié, on entend souvent parler de « pile nucléaire », « explosion hydrogène »…

10 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Les PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

11 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible PEMFC Réactifs : Dihydrogène + Dioxygène Le dihydrogène est utilisé sous forme gazeuse, stocké sous forme gazeuse, liquide ou solide dans des réservoirs d’hydrures métalliques. Il est alors envoyé à l’anode, par le biais d’un régulateur de pression. Le dioxygène provient de dioxygène pur ou de l’air ambiant. L’air en sortie de pile sera donc plus ou moins chargé en dioxygène. On parle alors de stœchiométrie (noté λair). La stœchiométrie est égale à 1 lorsque la quantité d’air apportée est telle que tout le dioxygène qu’il contient est « consommé ». Lorsque λair = 2, cela signifie que la quantité de dioxygène en entrée est 2 fois supérieure à la quantité réellement consommée. L’apport d’air assure aussi le refroidissement de la pile et le maintien des bonnes performances1. 1 – Lorsque la température augmente, la membrane a tendance à s’assécher. Les performances sont alors réduites (voir section iii).

12 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Composition d’une PEMFC Electrolyte : une membrane en polymère (nafion). Elle permet le passage des proton H+, et est « étanche aux électrons e- ». Electrodes : mélange de noir de carbone et de poudre de platine. Siège des réactions d’oxydo-réduction. GDL : Gaz diffusion layer (couche de diffusion gazeuse). Elle permet la diffusion du H2 et du O2 sur l’ensemble de l’électrode. Plaque bipolaires (BP) : plaques, généralement en graphite. Elles permettent la distribution du H2 et du O2 sur les GDL. Plaque de compression: plaques en métal Elles permettent de maintenir l’ensemble. MEA : membrane electrode assembly

13 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Composition d’une PEMFC (1 cellule) MEA Compression plates Current Collector SINGLE CELL Current Collector Compression plates GDL GDL BP BP

14 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Composition d’une PEMFC (STACK) 5 x SINGLE CELL

15 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Composition d’une PEMFC 1 cellule = (BP-GDL-MEA-GDL-BP) 1 STACK = ensemble (-PB-GDL-MEA-GDL-) x nombre de cellules désiré. Plaque bipolaires (PB) D’un coté, des canaux à hydrogène ; de l’autre, des canaux air. Canaux air Canaux H2

16 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Courbe de polarisation – Courbe de puissance Polarisation : Courbe représentative de la tension en fonction du courant de sortie de pile. Puissance : Courbe représentative de la puissance (U x I) en fonction du courant. pertes d’activation pertes de résistance pertes de concentration

17 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Comment dimensionner une pile à combustible de type PEMFC ? 2 paramètres : courant et tension désirés en sortie de pile. Tension nominale de fonctionnement : Ucel = 0.6 à 0.7 V par cellule. Tension désirée : U Nombre de cellule = U / Ucel Exemple : Un stack de 12V à 0,6 V/cel sera constitué de 20 cellules. Courant désiré : I D’après les courbes de polarisation on en déduit la densité de courant ( les courbes de polarisation représente souvent U en fonction de I/Sactive, en mA/cm²). On en déduit alors la taille de la surface active (taille des MEAs). Exemple : Un stack de 12V fonctionnant à 3.2 A a une surface active de 16 cm².

18 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Formules de base pour une PEMFC Avec P la puissance de la pile, Vc la tension par cellule… Consommation d’hydrogène Conso H2 = 1, x λH2 x P/Vc [kg.s-1] Consommation d’air Conso Air = 3, x λair x P/Vc [kg.s-1] Production d’eau Production d’eau = 9, x P/Vc [kg.s-1] Rendement1 RendementPCS PàC = Vc/1.48 x 100% RendementPCI PàC = Vc/1.25 x 100% 1 – Rendement PCS signifie par rapport au pouvoir de combustion supérieur de l’hydrogène (142MJ/kg) Rendement PCI signifie par rapport au pouvoir de combustion inférieur de l’hydrogène (121MJ/kg)

19 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Influence des paramètres et optimisation

20 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Quels sont les paramètres influents sur les performances de la pile ? Charge de platine Le platine est un catalyseur recouvrant les électrodes. Charge normale : 0,6 mg/cm² à la cathode (coté air) 0,3mg/cm² à l'anode (coté H2) La charge de platine constitue une part importante du coût de la pile. Les recherches tendent aujourd’hui à réduire ces charges tout en conservant les performances des cellules1. 1 – Voir Partie 5 (iii).

21 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Quels sont les paramètres influents sur les performances de la pile ? Alimentation en air et influence du coefficient stœchiométrique Relation liant la charge à la quantité de O2 consommée : O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O Charge = nombre d’électrons x F (constante de Faraday) nombre d’électron = 4 x nombre de moles de O2 d’où Charge = 4.F x quantité de O2 Conso O2 = I/4F [moles.sec-1] L’air est composé à 21% de dioxygène. Donc Conso Air = I/4.F/0.21 [moles.sec-1] En remplaçant F par sa valeur (96 485 C), I=P/Vc, et sachant que Mair = g.mol-1, ρair = g/L, on obtient : Conso Air = 18,2 x 10-3 x P/Vc [L.min-1] Alimentation en air = Conso Air x λair (coef. stœchiométrique1)

22 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Quels sont les paramètres influents sur les performances de la pile ? Alimentation en air et influence du coefficient stœchiométrique Si le coefficient stœchiométrique est trop faible ? Certaines technologies de pile utilise le flux d’air comme moyen de refroidissement (pile à cathode ouverte), empêchant ainsi l’échauffement de celles-ci et l’assèchement de la membrane. Plus la membrane est sèche, moins elle est perméable aux ions H+. Les performances de la pile sont donc diminuées. Si le coefficient stœchiométrique est trop élevé ? Un trop grand flux d’air engendre lui aussi un assèchement de la membrane et donc une baisse des performances.

23 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible Quels sont les paramètres influents sur les performances de la pile ? Humidité de l’air La membrane doit rester humide pour avoir une bonne conductivité. La membrane est hydrophobe. Les GDL sont traitées pour retenir l'eau au niveau de l'électrolyte. Si l'air est trop sec (HR < 60% en sortie de pile), la membrane sèche et sa résistivité augmente. Si l'air est trop humide (HR = 100% en sortie de pile), l'eau condense dans la pile et noie les électrodes. Pour un maintien des bonnes performances (humidité de l’électrolyte, résistances minimales au sein de la pile), la stœchiométrie de l’air doit être contrôlée de près. En pratique, λair doit être compris entre 3 et 6 pour une pile à cathode ouverte, environ 1.2 pour une pile à cathode fermée). De nombreuses applications de grande puissance intègrent des modules de contrôle de la température et de l’humidité de l’air injecté à la cathode.

24 Partie 3 - Les piles à combustible
I. Principe de fonctionnement II. Les PEMFCs III. Influence des paramètres et optimisation Partie Les piles à combustible CONCLUSION Une pile à combustible… Permet d’exploiter l’énergie de l’hydrogène par la mise en œuvre d’une réaction électrochimique d’oxydoréduction. Permet de répondre à un ensemble varié d’applications, stationnaires ou mobiles, allant de quelque watts à des centaines de mégawatts (cogénération). Les PEMFCs utilisent comme combustible du dihydrogène pur, et ne rejette que de l’eau. Une technologie déjà présente sur le marché, mais faisant l’objet de nombreuses recherches (intéresse fortement l’industrie automobile). Un coût encore élevé mais en voie de diminution.

25 Contact Pierre Forté Email: pierre.forte@pragma-industries.com
Phone: Paul Boutitie Phone: