défi de l’enseignement pluridiscipinaire -...

ENI Fuel Cells

2012-Sep-26 10ième Colloque enseignants secondaire 1

Défi de l’enseignement pluridiscipinaire: Exemple du domaine ‘Piles à combustible’

ENI Fuel Cells


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


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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6

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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8

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

2012-Sep-26 15 10ième Colloque enseignants secondaire

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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

19

(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


ENI Fuel Cells

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

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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


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


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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.


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Merci de votre attention !

Pour info : leniwww.epfl.ch

www.htceramix.ch www.hexis.com

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