La pile à combustible : un générateur d’énergie électrique ... · H2 Combustible H2...
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Christophe Coutanceau,
pe "Catalyse et Milieux Non Conventionnels (MédiaCat)
Université de Poitiers, IC2MP, UMR CNRS n 7285
ponsible de l axe PACEEP du GDR CRS HySPàC n 3652
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H2
Combustible H2
Réaction totale:2 H2 + O2 2 H2O + Eelec
H+
e-
O2
comburant O2
H2O Eau
e-
e-
e
H+pla
qu
e b
ipo
lair
e
pla
qu
e b
ipo
lair
e
ano
de
cath
od
e
Ele
ctro
lyte
+ 40-50% de l’énergie est produite sous forme de chaleur
L’intéret
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’
Ce sont des piles = pas de recharge contrairement aux batteries
alcalines classiques et aux batteries
combustible (hydrogène, alcools, etc.) et en comburant (oxygène)
Donc séparation module puissance (dimension du stack) / module
10 100 100010
100
1000
10000
Den
sité
de
puis
san
ce (
W/k
g)
Densité d'énergie (Wh/kg)
Moteurs à essence
Super condensateurs
Pb/PbO2
Ni/ZnLi ion
Piles à combustible
H2 / O2
H2 / air
Systèmesnon rechargeables électriquement
40 km
100 km/h
200 km
2500 km
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’
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Mercedes Benz
General Motors
Volkswagen
Honda
Hyundai
Ford
Toyota
Nissan
Daimler
L’intéret
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L’intérêt
http://hydrogen.energy.gov/pdfs/9002_well-to-wheels_greenhouse_gas_emissions_petroleum_use.pdf
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Fuel Cell
anode cathodeélectrolyte
+-Air
IH2
H2O
Fuel Cell
anode cathodeélectrolyte
++--Air
IH2
H2O
Pile à combustible
Hydrogène : Oxygène : O2
Eau
Procédé propre
Catalyseurs à base de platine
Polymère conducteur protonique
Cogénérationdu rendement
à 80 %
Utilisation d’hydrogène très pur
combustible Energie spécifique théoriquement récupérable (kWh kg-1)
H2 gaz
Essence
CH4
32,9
10,0
16,0
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Plaque bipolaire (graphite ou metal)
Tissu de carbone
Electrode
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Nafion® (Du Pont)
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°
F
FF
F
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S. Holdcroft , Catalysis research for polymer elect rolyte fuel cel l(CARPE-FC), GDR HySPàC, Poi t iers 2014.
R. Sel l in, C. Grol leau, S. Arr i i -Clacens, S. Pronier, J. M. Clacens, C.Coutanceau, J. –M. Léger, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 21735–21744
La taille des particules
- Electrocatalyse implique des reactions de surface
- Catalyseurs basés sur des métaux nobles (métaux du groupe du platine)
=> diminution de la charge en métal=> Augmentation de la surface active
=> plus le diameter des nanoparticules est petit, plus la surface est grande
2sphere 4ππS 3
sphere πr3
4V
r
3
sphere
sphere
V
S
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M. Zeidan, Etude exper imentale et modél isat ion d’unemicropi le à combust ible à respi rat ion, Thèse de l ’Universi té
de Toulouse, 2011.
S. Holdcroft , Catalysis research for polymer electrolyte fuel cel l(CARPE-FC), GDR HySPàC, Poi t iers 2014.
R. Sel l in, C. Grol leau, S. Arr i i -Clacens, S. Pronier , J. M. Clacens, C.Coutanceau, J. –M. Léger, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 21735–21744
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M. P. Rodgers, L. J. Bonvi l le, H. R. Kunz, D. K. Slat tey, J. M. Fenton Chem. Rev. 2004, 104, 4587−4612.
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0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Reference Pt / C 25% NafionR Pt-PSSa / C
Current density (A/cm²)
Vo
ltag
e (V
)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Po
wer
de
nsi
ty (
W/c
m²) 50 h
-100 µV h-1
Reference Pt / C 25% NafionR Pt-PSSa / C
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Conditions de fonctionnement :
U = 0,46 V, j = 2,7 A cm-2, P 1,25 W cm-2
Pt : 0.3 mg cm-2 / électrode => 2,1 kWe gPt-1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
E /
V
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
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=> un véhicule léger nécessitant 100 kW (Mirai, Hyundai):
Platine: 100/2,1 48 g, soit 48 x 30 1440 €
Membrane: (100000/1,25)/10000 = 8 m2 minimum 8 x 600 4800 €
=> coût total du coeur de pile ~ 6200 €
Objectifs CE/DOE:
- 40 $ / kW pour le système complet (3420 €),
- dont ~ 10 $ par kW pour l’AME,
- soit 5 $ par kW pour les catalyseurs (500 $ / 420 € pour 100 kW)
Réduction d’au moins un facteur 3,5
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J. Spendelow, J. Marcinkosk i , DOE Fuel Cel l Technologies Office Record 14012: Fuel Cel l System Cost – 2013, (2014) pp. 1-8.
M. K. Debe, Elect rocatalyt ic approaches and chal lenges for automot ive fuel cel ls, Nature 486 (2012) 43-51.ht tp:/ / fuelcel lstores.com/membrane-electrode-assembl iesht tp:/ / fuelcel lstores.com/ fuel -cel l -components
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Hydrocarbures, combustibles fossiles Hydrogène
95 %
Pas durable
Biomasse (CxHyOz)
Pyrolyse flash
Basse T 400-600°C
Haute T 800-1500°C
Huile verte SR, POx, ATR
Gaz de synthèse (CO, H2, CH4, )
Hydrocarbures
Méthanol
GazéificationAir, O2, H2O
Gaz de synthèse (CO, H2, CH4, )
SR, POx, ATR
HTWGS BTWGS
DMFC
Procédés pour CO < 10 ppm
H2/COSOFC
MCFC
H2 propre PEMFC
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Biogaz produit par méthanisation = fermentation anaérobie de matières organiques animales ou végétales
Composé essentiellement de 50 à 70 % méthane, de dioxyde de carbone (CO2), de vapeur d'eau et de sulfure d'hydrogène (H2S).
Biogaz CH4, CO2
900-800°CNi(K)/MgAl2O4
(20-25 vol. % CO)
300-400°CFe1,8M0,2 (M = Cr ou Ce)
(5 vol. % CO)
1000°Ccéramique
180-250°CCu/ZnO
(0,5 vol. % CO)
250-300°CNi/Al2O3
(5 ppm CO)
H2 pur + N2
Eau, air, chaleur
D
Réactions de vaporeformage du méthane:
CH4 + H2O CO + 3 H2 DH0298 = 206 kJ mol-1
CH4 + 2 H2O CO2 + 4 H2 DH0298 = 165 kJ mol-1
Biogaz vers hydrogène
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Electrolyse de l’eau
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Electrolysis cell
anode cathodeélectrolyte
+-H2O
I
O2
anode cathodeélectrolyte
I
H2
Electrolysis cell
anode cathodeélectrolyte
++--H2O
I
O2
anode cathodeélectrolyte
I
H2
h
Production par EnR intermitantes
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Electrolysis cell
anode cathodeélectrolyte
+-H2O
I
O2
anode cathodeélectrolyte
I
H2
Electrolysis cell
anode cathodeélectrolyte
++--H2O
I
O2
anode cathodeélectrolyte
I
H2
h
FuelDG-
/kJ mol-1E- = - DG- /nF
[V/SHE]EFC
/ V
DGcomb
/kJ mol-1EEC
/ V
MeOH - 9.3 0.016 1.213 -702 0.016
EtOH - 97.3 0.084 1.145 -1325,8 0.084
EG - 25.5 0.026 1.203 -1160.8 0.026
Gly 1 - 0.001 1.230 -1661.6 -0.001
FuelDG-
/kJ mol-1E- = - DG- /nF
[V/SHE]EFC
/ V
DGcomb
/kJ mol-1EEC
/ V
MeOH - 9.3 0.016 1.213 -702 0.016
EtOH - 97.3 0.084 1.145 -1325,8 0.084
EG - 25.5 0.026 1.203 -1160.8 0.026
Gly 1 - 0.001 1.230 -1661.6 -0.001
Electrolyse de composés issus de la biomasse
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Electrolyse de composés issus de la biomasse
U j
Hu Z, Wu M, Wei Z, Songa S, Shen PK. Pt-WC/Casa cathode electrocatalystfor hydrogen production by methanol electrolysis. JPower Sources 2007,166:458–461.
Lamy C, Jaubert T, Baranton S, Coutanceau C. Clean hydrogen generationthrough the electrocatalyticoxidation of ethanol in a proton exchangemembrane electrolysiscell (PEMEC). Effect of the nature and structure ofthe catalyticanode. JPower Sources2014, 245:927–936.
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’
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M er ci de v ot r eat t en t i on
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’
Hu Z, Wu M, Wei Z, Songa S, Shen PK. Pt-WC/Casa cathode electrocatalystfor hydrogen production by methanol electrolysis. JPower Sources2007,166:458–461.
Lamy C, Jaubert T, Baranton S, Coutanceau C. Clean hydrogen generationthrough the electrocatalyticoxidation of ethanol in a proton exchangemembrane electrolysiscell (PEMEC). Effect of the nature and structure ofthe catalyticanode. JPower Sources2014, 245:927–936.
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’
2,41,921,440,960,48We/kWh (Nm3)-1
1,00,80,60,40,2Uc/V
À comparer avec l’électrolyse de l’eau:
Uc= 2 V conduit à 4,8 kWh/Nm3
)j(U10V3600
Fn)kWh/Nm(inW c3
m
3e
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P. Braul t , A. Cai l lard, S. Baranton, M. Mougenot , S. Cuynet ,C. Coutanceau, ChemSusChem 6 (2013) 1168-1171.
F. Jaouen, V. Goel lner, V. Armel, M. Sougrat i , L. St ievano, D.Jones, A. Zi tolo, E. Fonda, GDR HySPàC, Poi t iers, 2014
T. Asset , PhD Thesis, Universi té Grenoble-Alpes, Universi té de Liège, 2017
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100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
00 200 400 600 800 1000
T (°C)
Pile à combustible H2/O2
Processus de Carnot T = 25°CP = 0,1 MPa
h
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Le stockage sous pression consiste à porter l'hydrogène à des très hautes pressions dans des réservoirs hyperbares:
- environ 0,5 L/kWh à une pression de 700 bar, - environ 4,5 kg d'hydrogène avec trois réservoirs d'approximativement 35 L -
100 kW.
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0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
PtSn(3:1)/C 20 % E-TEK Pt-Sn/C 20 % carb. Pt-Sn/C 30 % carb.
E /
mV
j / A.cm-2
0
100
200
300
400
500
600
700
P / mW
.cm-2
Caractéristiques d’une pile H2/O2 à 85 °C ; anode : PtSn(3 : 1)/C 20% E-TEK, Pt-Sn/C 20% et Pt-Sn/C
30% à 0,4 mg.cm-2, cathode : Pt/C 20% E-TEK à 0,4 mg.cm-2.
Caractéristiques d’une pile H2-100 ppm CO/O2 à 85 °C ; anode : PtSn(3 : 1)/C 20% E-TEK, Pt-Sn/C 20%
et Pt-Sn/C 30% à 0,4 mg.cm-2, cathode : Pt/C 20% E-TEK à 0,4 mg.cm-2.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
PtSn(3:1)/C 20% E-TEK Pt-Sn/C 20% carb. Pt-Sn/C 30% carb.
E /
mV
j / A.cm-2
0
50
100
150
200
250
P / mW
.cm-2
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DD
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