ENI Fuel Cells 2012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire 1 Défi de l’enseignement pluridiscipinaire: Exemple du domaine ‘Piles à combustible’
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2012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire 1
Défi de l’enseignement pluridiscipinaire: Exemple du domaine ‘Piles à combustible’
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Afin de décortiquer le sujet…
“I keep six honest serving men
They taught me all I knew
Their names are What and Why and When
And Where and How and Who”
- R. Kipling.-
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En d’autres termes…
1) Qu’est-ce ?
2) Comment ça marche?
3) A quoi ça sert ?
4) Qui en fabrique ? Où ?
5) Quand les verra-t-on?
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1. Qu’est-ce une pile à combustible ?
un assemblage de 3 couches de matériaux
alimenté de part et autre en gaz combustible et air (O2)
capable de convertir l’énergie de réaction chimique entre le gaz combustible et l’oxygène de l’air
directement en courant électrique
(sans passer par la combustion)
par le principe de la batterie ‘pileà combustible’
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Illustration
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Fuel (gaz naturel, biogaz,…)
Air
Electricité 50% Chaleur 40%
empilement de 72
cellules en série (50 V) de 50 cm2
(20 A)
100%
€
50V * 20 A =1 kWel
2kWth
0.8kWth
1kWel
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Sans le cycle mécanique ‘classique’
Energie
chimique
Energie
électr.
Chaleur Travail
Fuel Cell
conversiondirecte
Emissions
- utilisation rationelle des énergies fossiles (rendement) - abaissement des emissions (systèmes intégrés) - valorisation électrique de combustibles renouvelables (biogaz, H2, gaz de bois,..)
62012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire
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2. Comment ça marche? • “combustible” implique combustion
• combustion = réaction avec l’oxygène O2 de l’air
• = ‘oxydation’
• oxydation implique échange d’électrons
+
2H2 O2 2H2O
+ énergie (beaucoup!)
• dans une PàC, cet échange d’électrons est détourné dans un circuit électrique externe
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Enzoomsurles3couchesencoupe
Régimed’opérationpourcettepile:700‐800°C1bar(jusqu’à5bar)
Plaque mét. bipolaire
Plaque mét. bipolaire
Distributeur d’air + Collecteur courant
Distributeur de fuel + Collecteur courant
air
fuel
N2, O2
H2O, CO2
0.8 V
100 cm2
50 A
=1cellule
Electrolyte (solide)
Cathode
Support anode
H2, CO
O2-
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Empilement de cellules (“pile”) H2
Air
courant I (proportionel à la surface)
6ΔV
+
+
+
+
+
+
‐
‐
‐
‐
‐
‐
mise en série de plusieurs éléments = augmentation du voltage
APPLICATIONS
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3. A quoi sert la PàC? • Conversion de l’énergie de réaction…..
• ….directement en électricité (sans turbine ni moteur)
– à rendement élevé (50% et plus)
– à petite (kWel) et moyenne (MWel) puissance
+
2H2 O2 2H2O
1L/s=10kW
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Production d’électricité: comparatif
Technologie Rendement Taille
Hydraulique 90% 10-100 MWe
Nucléaire 33% 1 GWe
Fossile 40% 20%
100 MWe (centrales) 50 kWe (voitures)
Eoliennes 30% 1 MWe
Photovoltaïque 10% 1 kWe
PàC 50% 10 W - 1 kW - 1 MW
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En + : un rendement ≈ constant
5kW 50kW
30%
moteur
PàCrendement
puissance
“charge partielle”, “modulation de la puissance”
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En + : multi-fuel
• H2 (qui peut être renouvelable)
• Gaz naturel
• Essence, diesel, alcool,…
• Charbon
• Biogaz (renouvelable)
• Bois (renouvelable)
• ….
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Et encore … • assez silencieux
• relativement peu exigeant en manutention
• modulaire
• “cogénération”, ou couplage chaleur-force CCP(électricité + chaleur utile font ensemble 80-90% de rendement)
donc idéal pour emplacement en zone urbaine
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Les familles (types, filières) Type AFC PEFC PAFC MCFC SOFC
Membrane Alcalin Polymère Acide Sel fondu Céramique
Température Ambiante Ambiante 200°C 600°C 800°C
Catalyseur air
Pt, (Ag) Pt Pt Oxide oxide
Catalyseur fuel
Pt, (Ni) Pt Pt Ni Ni
Séparateur Acier Graphite Graphite Inox Ferritique
Taille 500 cm2 500 cm2 1 m2 1 m2 400 cm2
FUEL H2 H2, (méthanol)
H2 Hydro-carbures
Hydro-carbures
Application mobile, portable stationnaire
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La température, paramètre clé
• À température ambiante, on ne peut utiliser que la combinaison hydrogène + platine (Pt), à cause de la faible réactivité
• A température plus élevée (plus réactif), on peut utiliser des matériaux non-nobles (p.ex. Ni) et des combustibles disponibles (p.ex. gaz naturel, biogaz)
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Quelques exemples d’application
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L’électronique portable (W)
- autonomie ~ 20 h - pas de recharge nécessaire
- Tube réservoir de H2
ou
- Cartouche de méthanol
http://batteryuniversity.com/learn/article/the_miniature_fuel_cell
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Véhicule électrique (100 kW)
• Daimler Chrysler • B-class F-CELL • 30’000 km test • 700 bar H2 réservoir stocké dans le sol • 400 km autonomie • 100 kW, 290 Nm • série de 40’000 voitures annoncée pour 2014
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(G.G. Scherer, Tutorial, European Fuel Cell Forium, July 2011, Lucerne)
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Bus électrique (Siemens MAN)
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(G.G. Scherer, Tutorial, European Fuel Cell Forium, July 2011, Lucerne)
Cellules : 320 Puissance : 120 kW Courant : 560 A Voltage : 215 V Température : 80°C Dimensions : 1.76 m * 0.53m * 0.5 m Poids : 900 kg Rendement : 56% (à pleine charge)
: 68% (charge partielle 20%)
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CCP résidentiel (kW)
• pour maison individuelle ou collective • en remplacement du boiler à gaz • fournit l’électricité + du chauffage + de l’eau chaude sanitaire
1.5 – 2 kWel
0.5 – 1 kWthermique
modulation 0..100%
55-60% rendement net ac
85% rendement global
www.bluegen.info
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CCP pour un bâtiment / quartier
• petite et moyenne puissance (100 kW - 1 MW) • 40-45% électricité + 40-45% chaleur • pour: hôpitaux, supermarchés, banques, écoles, hôtels, usines,…
PAFC de 200 kWé + 200 kWth
exploité par SIG en 1995
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Les défis à relever…
1. Abaisser les coûts – matériaux en partie onéreux (notamment platine, Pt) – pas encore de fabrication de masse (économie d’échelle) – disponibilité de l’hydrogène (pour applications mobiles)
2. Augmenter la durée de vie – phénomènes de dégradation de performance avec
opération prolongée
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4. Qui en fabrique? Où ? • USA : Westinghouse, PlugPower, UTC, FCE, Ford, GM,…
• CAN : Ballard
• JAP : Mitsubishi, Toto, Toyota, Mazda, Toshiba, …
• AUS : Ceramic Fuel Cells Limited CFCL (produit: Bluegen)
• UK : Rolls-Royce
• DK : Haldor Topsø, Danish Power Systems, Dantherm
• D : Siemens, FZJuelich, EBZ, MTU, Daimler,…
• F : GdF, EdF, Helion, PSA, Renault,…
• CH : HEXIS, HTceramix, Belenos (swatch group),…
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5. Quand les verra-t-on..?
• Dans l’électronique portable : en démo – la concurrence des batteries est très forte
• Sur le marché résidentiel : produits pilotes, chers – besoin de subvention et mesures cadre
• Voitures : séries en 2015; après… ? – probablement pas au-delà de 5-10% du marché
• Marché d’électricité (stationnaire, moyenne CCP): ? – des pilotes de 100 kWe sont en phase test – n’ira pas au-delà de quelques MW (pour 1 unité)
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électrochimie corrosion
électronique
gestion thermique
thermomécanique dynamique des fluides
catalyse
design
couplé
auxcroisementsdelamécanique,électricité,chimieetsciencedesmatériaux
Un domaine pluridisciplinaire par excellence
contrôle
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Quelques exemples de la recherche pluridisciplinaire
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Revêtement des aciers pour meilleure durabilité
0.90 0.90
0.85 0.85
0.80 0.80
0.75 0.75
0.70 0.70
0.65 0.65
0.60 0.60
0.55 0.55
0.50 0.50
av
era
ge r
ep
eat
ele
men
t v
olt
ag
e (
V)
3500300025002000150010005000
time / h
-30 mV/kh
-10 mV/kh
800°C
0.46 A/cm2 (uF = 40%)
H2 = 8 ml/mincm2
5-cell HTc stack MS95, ECN ASC1 cells, Crofer without coating 4-cell HTc stack MS117, ECN ASC1 cells, Crofer with coating
Durabilité améliorée d’un facteur 3
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Identification de contamination de la cathode Polluants identifiés par microscopie électronique + analyse chimique
• Chrom(desoxydesvolatilesdescomposantsaciers)
• Silicium(d’unjointenverre‐céramique)
• Soufre(del’aircomprimé,mêmeà10ppb)
29 2012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire
Zacharie Wuillemin, Thèse EPFL, 2009
ENI Fuel Cells
Interactions à échelle nano �
30
La
Mn
Zr
Sr
CrDépôt de CrOx de 4 nm
Formation de phases isolants (‘SZO’) aux interfaces des particules du catalyseur
2012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire
Dr Aïcha Hessler-Wyser, CIME, EPFL, 2011
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Développement de céramique robuste • À l’aide d’un plan d’expériences • 4 variables avec 3 valeurs
– taille des particules de poudre 1 – taille de particules de poudre 2 – rapport de mélange entre les 2 poudres – ajout de pore-former
• des 34 = 81 combinaisons, ‘seul’ 25 étaient fabriquées • mesure des observables:
– retrait au frittage – porosité – conductivité électronique – expansion après réoxydation
Oct-11-12 31
A. Faes (PhD thesis, EPFL, 2011)
a permis de formuler + valider de nouvelles compositions 2012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire
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Steam/Carbon
Oxygen/Carbon
Fuel utilization Air Excess
Temperature Pressure Turbine inlet temperature
Current density
Modélisation système: 30 kWe hybride
• PàC pressurisée
• micro turbine à gaz à haute vitesse
N. Autissier, thèse EPFL, 2008
espace de recherche : paramètres de décision >50’000 configurations calculées
2012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire
ENI Fuel Cells
Résumé
• Les piles à combustibles constituent un domaine propice à la recherche et à l’enseignement, au carrefour de multiples disciplines.
• Elles avancent lentement mais sûrement, et pourront fournir une contribution significative dans le paysage énergétique futur.
2012-Sep-26 33 10ième Colloque enseignants secondaire
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2012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire 34
Merci de votre attention !
Pour info : leniwww.epfl.ch
www.htceramix.ch www.hexis.com