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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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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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Eric Vieil
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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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Eric Vieil
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Comparaison
L’ énergie est la monnaie de la nature
« Monnaie d’échange »
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Eric Vieil
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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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Eric Vieil
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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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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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Eric Vieil
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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 :
Eric Vieil
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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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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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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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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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Perspectives
2000 h = ~ 80 j 100 € / kWSource : Ballard, Canada
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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
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Fin
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C’estfini