Eric Vieil

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Les piles à combustibles,Qu’est-ce ?

Eric Vieil

GRENOBLE FRANCE

Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie

des Matériaux et des Interfaces

CNRS Centre National de la Recherche Scientifique

Grenoble-INP Institut National Polytechnique

UJF Université Joseph Fourier de Grenoble

LEPMI

Unité Mixte de Recherche N°5679

Eric Vieil

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Le LEPMI

Laboratoire

d'Electrochimie

et de Physico-chimie

des Matériaux

et des Interfaces

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Eric Vieil

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Thèmes Scientifiques du LEPMI

Energie

Environnement

Micro-nano

Piles à combustible

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Matériaux : Électrochimie - Génie des procédés

Plateforme scientifique M2E : Matériaux Électrochimiques pour l’Énergie

Eric Vieil

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Définition

Appareil alimenté en combustible qui le convertit en électricité

Combustible : Substance gazeuse, liquide ou solide susceptible de donner son énergie chimique

Pile à combustibleCombustible Electricité

Entrée Sortie

PaC = Pile à Combustible

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Eric Vieil

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Une invention ancienne

1839-1842 : Sir William GROVE découvre la PaC

Sir William Sir William GroveGrove

(1811(1811--1896)1896)

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La pile à combustible de Grove

(4 cellules en série)

Eric Vieil

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Du gros au petit

Stationnaire (> 100 kW)

Embarqué (véhicule)

Portable (~ 100 W)Mini –portable (~1 W)

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Eric Vieil

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Origine

Energie ?

(energeia) « Force en action »

1807 : Thomas Young (1773-1829)

1678 : Gottfried Wilhelm von Leibnitz

(1646-1716)

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Eric Vieil

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Acquis phénoménal

Un immense progrès du XIXe siècle:

Energie mécanique = Energie thermique

Même unité : Joule (J)

Travail = Chaleur

W = Q

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Eric Vieil

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Formes de l’énergie

Chimique

...

ÉlectriqueElectrostatique

Magnétique

MécaniqueCinétique

Elastique

100 gGravitationnelle Potentielle

HydrodynamiqueHydro-cinétique

Hydrostatique

Chaleur9

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Conversion

Le passage d’une forme d’énergie à une autre :

CONVERSION !

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Transformation

Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme...

Antoine Laurent Lavoisier (1743- 1794)

Joseph Louis Lagrange (1736- 1813)

« Il ne leur a fallu qu’un moment pour faire tomber cette tête et cent années peut-être ne suffiront pas pour en reproduire une semblable »

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Rendement

Rendement : 100 Energie Sortie « noble »

Energie Entrée

ConvertisseurForme 1 Forme 2

Entrée Sortie « noble »

Sortie dégradée

Chaleur

Q

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Eric Vieil

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ConvertisseurForme 1 Forme 2

Entrée principaleSortie « noble »

Entrée secondaire

Chaleur

Q

Inversion

Rendement : 100 Energie Sortie « noble »

Energie Entrée?

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Eric Vieil

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Irréversibilité

Rendement : 100 Energie Sortie « noble »

Energie Entrée

ConvertisseurForme 1 Forme 2

Sortie « noble » Entrée

Sortie dégradée

Chaleur

Q

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Combustion incontrôlée

Comburant

Combustible Activation

Explosion

Produits de la combustion

W

Q

Enceinte

(mécanique)

chaleur

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HydrogèneEssence

Intérêt

140 kJ / g = 2,7 x Essence

46 kJ / g

55 – 60 %30 – 35 %

Déchets :

Rendement :

Pouvoir énergétique :

EauNOx, CO et CO2

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Comparaison

L’ énergie est la monnaie de la nature

« Monnaie d’échange »

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Leçon d’économie

Prixpar entité(€ / kg)

Nombre d’entités

(kg)

600 g= x

Coût

= 3 €

Potentiel électrique

(J / C = volt)

Nombre de charges

(C : coulomb)

Energie électrostatique

(J)

+V= x + +

+ ++

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Leçon de physique

rG

Enthalpie libre de réaction

(J / mol)

Nombre de moles

(mol : mole)

Energie chimique(J)

= x

Potentiel électrique

(J / C = volt)

Nombre de charges

(C : coulomb)

Energie électrostatique

(J)

+V= x + +

+ ++

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Choux et carottes

=

Energie

par entité

/Entité

Nombre

d’entités

/Entité

+

400 g 600 g1000 g +

=

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Energie chimique

Substrats initiaux Produits finaux

Energie

Mole rG = -237 kJ / mol(Conditions standard:1 atmosphère, 25°C)

"Enthalpie libre de réaction"

2H2 + O2 2H20

H2 + ½O2 H20

ou

+

+

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Energie chimique

Avancement de la réaction

Potentiel = Energie

Mole

rG‡

Activation

Etat de transition

rG= -237 kJ / mol

(Conditions standard)

Substrats initiaux

Produits finaux

(chimique)J / mol

"Enthalpie libre de réaction"

H2 + ½O2 H20

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Eric Vieil

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Séparation des réactions

H2 + ½O2 H20Réaction complète :

H2 2H+ + 2e-

½O2 + 2H+ + 2e- H20

2 Demi-réactions :

Transfert d électronsTransfert de protons

n = 2 électrons par molécule

Nombre d’ électrons transferés :

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Combustion contrôlée

Séparateur Conducteur mixteions + électrons

Q

W

Activation

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Eric Vieil

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Conversion d’énergie

V = 1,23 V(Conditions standard)

Faraday 96,485 kC / mol = Avogadro NA e Charge élémentaire

= -237 kJ / mol

-2 96,485 kC / mol

Charge = -2F Mole

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n = 2 électrons par molécule

Energie

ChargeEnergie

Mole= / (-2F)V =

PotentielélectriqueJ / C ou V

Potentiel chimiqueJ / mol

Eric Vieil

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Conversion d’énergie

Avancement de la réaction

Potentiel = Energie

Charge

V

Activation

Etat de transition

Substrats initiaux

Produits finaux

V = 1,23 V(Conditions standard)

Faraday 96 485 C mol-1 (= NA e)

H2 + ½O2 H20

réaction complète :

H2 2H+ + 2e-

½O2 + 2H+ + 2e- H20

demi-réactions :

(électrique)J / C ou V

= -237 kJ / mol

-2 96,485 kC / mol

Charge = -2F Mole

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Eric Vieil

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Pile non renouvelable

Séparateur(AME : Membrane

électrolyte + Electrodes)

Q

Pile = "Batterie primaire"

Conducteursélectroniques

W=V.qélectrique

non renversable non renouvelable

Conducteur ionique Conducteur ionique

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Accumulateur non renouvelable

Accumulateur = "Batterie secondaire"renversable non renouvelable

charge (récepteur)

générateurV

(Etat stable)(Etat stable)

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Eric Vieil

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Pile renouvelable

Pile à combustible (PaC)non renversable renouvelable

Q

W=V.q électrique

Ouvertures

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Eric Vieil

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Piles & Accus

Processus Combustible non renouvelable

Combustible renouvelable

Non renversable

Pile (batterie primaire)

PaC = Pile à combustible

RenversableAccumulateur

(batterie secondaire)Accumulateur à combustible

(Pile + électrolyseur)

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Eric Vieil

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Pile à membrane échangeuse de protons

PEMFCProton Exchange Membrane

FC = Fuel Cell

H2 2H+ + 2e-

anode

½O2 + 2H+ + 2e- H20cathode

H+

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25 °C à 80 °C

Température de fonctionnement :

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Plusieurs combustibles pour une PEMFC

Marian Chatenet

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Hydrogène

H2 2 H+ + 2 e-

Méthanol (Eau) Gaz carbonique

CH3OH + H2O CO2 + 6 H+ + 6 e-

Du côté de l’anode (« porte d’entrée » des charges +) :

Eric Vieil

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½O2 + H20 + 2e- 20H-

cathode

Tout dépend de qui traverse

AFCAlcaline

PEMFCProton Exchange Membrane

FC = Fuel Cell

H2 + 2OH- H20 + 2e-

anode

H2 2H+ + 2e-

anode

½O2 + 2H+ + 2e- H20cathode

H+ 0H-

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25 °C à 80 °C

25 °C à 80 °C

Eric Vieil

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½O2 + 2e- 02-

cathode

H2 + O2- H20 + 2e-

anode

Tout dépend de qui traverse

02-

SOFCSolid Oxide

FC = Fuel Cell

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800 °C à 1000 °C

Eric Vieil

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Points critiques

Performance des contacts électriques

Gestion de la chaleur

Etanchéité à l’eau du séparateur

Gestion de l’eau

Non-conduction électrique du séparateur

Etanchéité aux gaz

Bonne conduction ionique du séparateur

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Eric Vieil

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Atouts environnementaux

Efficacité PaC >> Efficacité des machines thermiques

(Pas de cycle de Carnot)

PaC relativement propre

Marian Chatenet

Renouvelable : pas de production de CO2

seule H2O (propre) est dégagée

Origine de l’hydrogène

Fossile : NOx, CO et CO2 sont produits mais en bien moindre proportion que dans les moteurs thermiques

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Eric Vieil

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Avantages des PaC

Réactifs stockés en dehors des cellules

• Optimisation aisée selon puissance

• Recharge rapide du combustible

• Autonomie facilement adaptable

La matière active n’est pas consommée/produite

•Durée de vie des électrodes théoriquement infinie

Electrolyte solide et réactifs gazeux (en général)

•Pas de fuites

•Stabilité physique du système

Marian Chatenet

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Eric Vieil

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Inconvénients des PaC

Gestion des flux nécessaire

• Réactifs

• Produits : H20 vapeur , (CO2)

• Energie thermique Q (mais avantage si cogénération)

Coût des matériaux utilisés

•Catalyseurs

•Membrane Electrolyte

•Plaques bipolaires (multi-cellules)

Difficultés technologiques

•Durée de vie des membranes

•Contacts et collecte du courant

•Joints d’étanchéité (haute température)

Marian Chatenet

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Verrous technologiques des PaC

PaC basse température (PEMFC, DMFC, AFC)Performances électrochimiques des matériaux d’électrode, de membrane

Matériaux de contact électrique (« plaque bipolaire>)Gestion des fluidesOptimisation et coût des systèmesDurée de vie

PaC haute température (SOFC)Performances mécaniques et physiques des matériaux (contrainte de haute température, étanchéité)Utilisation d’autres gaz (méthane, biomasse)Optimisation et coût des systèmes

Marian Chatenet

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Eric Vieil

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Le fonctionnement influe sur les matériaux

Chaleur

Q = Fonction du courant i

(Effet Joule)

Fonction de la température

i

i = V

RLoi d’Ohm

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Eric Vieil

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Perspectives

2000 h = ~ 80 j 100 € / kWSource : Ballard, Canada

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Eric Vieil

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PileApplication

StackCouplage de plusieurs cellules

De l’appliqué au fondamental

Membrane, électrocatalyseurs,électrodes à gaz,plaques bipolaires, AME (Assemblage Membrane Electrode)

Cellule

MatériauFondement42

Eric Vieil

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Fin

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C’estfini