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]
2Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
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
3Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
Les technologies de piles à combustible
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
4Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
Les technologies de piles à combustible
Répartition des unités produites en 2010
PEMFC PEMFC
5Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
des nanomatériaux aux systèmes
6Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
PEMFC : des nanomatériaux aux systèmes
Composants
Electrodes
Assemblages Membrane-Electrodes
Plaques bipolaires
Assemblage pile(stack)
Systèmes
Commande
CapteursActionneurs
Contrôle
Electronique de puissance
Auxiliaires
7Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
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
8Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
1. Dimensionnement/Conception
● Modèle applicable à tous les systèmes
• Spécification• Auxiliaires• Pile
9Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
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
10Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
PEMFC : des nanomatériaux aux systèmes
Composants
Electrodes
Assemblages Membrane-Electrodes
Plaques bipolaires
Assemblage pile(stack)
Systèmes
Commande
CapteursActionneurs
Contrôle
Electronique de puissance
11Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
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
12Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
2. Développement/Caractérisation Composants
Formulation encres, caractérisations électrochimiques
Fabrication électrodes, assemblage cœurs de piles, intégration piles
Essais performances et durabilité, nouveaux composants, avec polluants…
13Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
Diminution de la quantité de platine
2. Développement/Caractérisation Composants
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
14Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
Toute une gamme d’AME
2. Développement/Caractérisation Composants
Différentes applications, différentes conditions de fonctionnement Point fort : adaptation des AME aux cahiers des charges
15Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
Un panel de piles
2. Développement/Caractérisation Composants
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
16Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
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
2. Développement/Caractérisation Composants
17Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
3. Réalisation / Test de Systèmes
Plaisance, maritime
TransportSpecifique Aéronautique
Systèmes CEA 5 kWelecPROSPAC EPICEA
Couplage aux EnRpour site isolé ouréinjection réseau
Stationnaireavec/sans reformage
18Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
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)
19Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
June 10
September 09
December 09
November 10
April 10
3. Réalisation / Test de Systèmes – Voilier Zéro CO2
July-September 10
2011
20Conférence “L'Hydrogène, vecteur énergétique de l'avenir ? », L. Antoni - 27 mars 2012- Paris
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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