Approche intégrée des PAC : des nanomatériaux aux … · Des moyens d’assemblage des piles • Métrologie des composants • Presse d’assemblage • Banc de test d’étanchéité

1Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris

Les technologies de piles à combustible

Approche intégrée des PAC : des nanomatériaux aux systèmes

Laurent [email protected]


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



H2 O2

H2O

H2, CO

H2O, CO2

O2

CO2

H2

H2O

O2

H2 O2

H2O

preferred continuousload

Dynamicload

Anode

Fuel

H2, CO

H2O, CO2

O2

Not utilizedH2, (CO) and

reaction gas

Not utilized O2, N2 and reaction gas

O2, air

CathodeElectrolyte

Causticpotash

AFC

20 °C-90 °C OH-

PEFC

20 °C-90 °CH+

Ion con-ductingPolymer

DMFC

80 °C-110 °CH+

CH3OH

CO2

O2

H2O

PAFC

200 °CH+

Phosphoricacid

MCFC

650 °C CO3

2-Molten alkalicarbonate

SOFC

800 °C O2-

Ion con-ductingceramics



Répartition des unités produites en 2010

PEMFC PEMFC


des nanomatériaux aux systèmes


PEMFC : des nanomatériaux aux systèmes

Composants

Electrodes

Assemblages Membrane-Electrodes

Plaques bipolaires

Assemblage pile(stack)

Systèmes

Commande

CapteursActionneurs

Contrôle

Electronique de puissance

Auxiliaires


Démarche d’un développement système

1Dimensionnement/

Conception

• Spécification• Simulation système, optimisation des architectures• Conception pile

4Codes&

Standards• ISO TC 197• IEC TC 105• Certification• Sécurité

3Réalisation/

Test Système

• Robustesse• Hybridation• Compacité• Fonctionnement « réel »

2Développement/CaractérisationComposants

• performance• durée de vie• industrialisation


1. Dimensionnement/Conception

● Modèle applicable à tous les systèmes

• Spécification• Auxiliaires• Pile


1. Dimensionnement/Conception

Modèle applicable à tous les piles

467 mW/cm²

688 mV

0

200

400

600

800

1000

1200

0 200 400 600 800 1000 1200Current Density (mA/cm²)

Cell voltageSpecific powerWorking point

AME


PEMFC : des nanomatériaux aux systèmes

Composants

Electrodes

Assemblages Membrane-Electrodes

Plaques bipolaires

Assemblage pile(stack)

Systèmes

Commande

CapteursActionneurs

Contrôle

Electronique de puissance


2. Développement/Caractérisation Composants

Performances Métaux Nobles Durabilité Coûts

Fabrication AME

Catalyseurs

Couche de DiffusionManagement de l’eau

MembranesCouche active

ionomère

ModélisationMEMEPhys®

Nano-caractérisation

Performance et durabilité

Instrumentation

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0 200 400 600 800 1000Densité de courant (mA/cm2)

Tens

ion/

cel

lule

(V)

AME002AME003AME004AME006AME007



Formulation encres, caractérisations électrochimiques

Fabrication électrodes, assemblage cœurs de piles, intégration piles

Essais performances et durabilité, nouveaux composants, avec polluants…


Diminution de la quantité de platine


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]

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 500 1000 1500 2000Temps (h)

Tens

ion

(mV)

Tension de cellule

Tension à i(min)

Tension à i(max)Perte de performances

irréversibles <10% après 1700 h

0,32 gPt/kW0,32 gPt/kW


Toute une gamme d’AME


Différentes applications, différentes conditions de fonctionnement Point fort : adaptation des AME aux cahiers des charges


Un panel de piles


Design « D »500 W

Metallic stack

Design « G » 20 kW

Metallic stack

Design « F » 14 kWMetallic stack

Design « G » 80 kWMetallic stack

Marathon Shell200 W

Graphite stackRobotPAC

150 WGraphite stack

Design « F » 300 kWMetallic stack

EPICEA 3 kW

Composite stack


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



3. Réalisation / Test de Systèmes

Plaisance, maritime

TransportSpecifique Aéronautique

Systèmes CEA 5 kWelecPROSPAC EPICEA

Couplage aux EnRpour site isolé ouréinjection réseau

Stationnaireavec/sans reformage


3. Réalisation / Test de Systèmes – Voilier Zéro CO2

Motor• 23 kW (1800 r/min – 110 N.m) 835 sensors 550 safety

thresholds Monitoring

Hydrogen storage• 3 réservoirs 150 L, Type III • 35 MPa• masse H2 : 10.5 kg• 350 kWh (PCI)

Batterie

• CEA design• LiFePO4• 40 Ah et 400 V • 14.8 kWh

Système PEM CEA design (25 kW)

• 2 piles CEA

• 3 circuits de refroidissement (pile, électronique, ballons d’eau)


June 10

September 09

December 09

November 10

April 10

3. Réalisation / Test de Systèmes – Voilier Zéro CO2

July-September 10

2011


Conclusions

● 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” dansdes systèmes “plug and play”

→Transfert technologique accéléré→Détermination des axes de R&D pertinents

Approche intégrée des PAC :


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