Du nouveau du coté des piles à combustible!

1. Du nouveau du coté des piles à combustible! Pascal Brault Groupe de recherches sur l’Energétique des Milieux Ionisés UMR6606 Université d’Orléans – CNRS Polytech’Orléans BP 6744 45067 ORLEANS Cedex 2 Pascal.Brault@univ-orleans.fr Journées de Physique-Chimie

2. Sommaire • La politique énergétique de la France après le sommet de Rio • Action 21  programme global d’action pour un développement durable au XXIe siècle • Renforcer les bases scientifiques du développement durable • Un exemple de conversion de l’Energie Les Piles à Combustible • L’Energie Hydrogène: H2 : Un vecteur énergétique avec les vertus de l’électricité et des énergies fossiles sans les inconvénients Production, distribution, stockage • Application aux transports Journées de Physique-Chimie

3. Les étapes des accords internationaux sur le développement durable Juin1992 Déclaration de Rio du Sommet Planète Terre  prise de conscience universelle des risques multiples encourus par la planète Terre et ses habitantsau regard de la situation de l’environnement physique, biologique, économique et social  meilleure gestion des ressources de la Planète Décembre1997Protocole de Kyoto  Modalités du développement durable (Réduction émission gaz à effet serre, …) Août-Sept.2002Sommet de Johannesburg  Plan d’action :aboutir à l’éradication de la pauvreté et réaliser le développement humain. Journées de Physique-Chimie

4. in : Sommet mondial du développement durable Johannesburg 2002 LA SCIENCE AU SERVICE D’UN DÉVELOPPEMENT DURABLE Contribution des organismes publics de recherche français Les principaux axes de recherche concernent : ■l’énergie photovoltaïque, en vue d’améliorer les rendements de conversion, d’abaisser les coûts de fabrication des modules photovoltaïques et d’optimiser la gestion d’un système énergétique complet ; ■ l’énergie géothermique, en vue d’élargir les domaines d’exploitation de cette ressource actuellement limitée aux gisements sédimentaires (aquifères profonds pour le chauffage urbain) ou volcaniques (production d’électricité à partir de vapeur) vers des potentiels plus vastes (socles profonds) ; Journées de Physique-Chimie

5. ■la production de combustibles non-fossiles et leur conversion en énergie électrique, thermique ou mécanique par des piles à combustible dont les rendements sont bien supérieurs aux rendements des convertisseurs classiques (turbines, moteurs diesel...), le carburant hydrogène pouvant être obtenu par électrolyse de l’eau ou par gazéification de la biomasse ; ■le stockage de l’énergie, en visant un stockage maximal d’énergie par unité de volume et de masse, par exemple dans des batteries au lithium, ou des micro-batteries pour cartes à puces ; ■l’utilisation rationnelle de l’énergie, où un effort particulier est mené pour modéliser des systèmes thermiques et thermohydrauliques et des dispositifs très avancés en vue de réduire leur consommation énergétique. Journées de Physique-Chimie

6. e- Combustible (ex. H2) Oxydant (ex. O2) Ions + or Plaque bipolaire Plaque bipolaire Ions - Anode Cathode H2O H2O Electrolyte Le convertisseur idéal de l’hydrogène ? La (les) pile(s) à combustible(s) Journées de Physique-Chimie

7.  Pile basse température : Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC)  Pile haute température : Piles à oxyde solide (SOFC) Journées de Physique-Chimie

8. Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC) Journées de Physique-Chimie

9. Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC) tissu de carbone Couche de diffusion ( 50 µm) : carbone poreux (80 %) + PTFE (20 %) Couches Actives (10 μm ): carbone poreux + PTFE + catalyseur Membrane Nafion (30 150 µm) : polymère perfluoré acide Journées de Physique-Chimie

10. et/ou et/ou et/ou et/ou Anode Anode Cathode Cathode Electrolyte solide dense Electrolyte solide dense Pile à oxyde solide (SOFC) Pile à oxyde solide (SOFC) Journées de Physique-Chimie

11. Pile à oxyde solide (SOFC) Anode (poreuse) Ni-ZrO2/Y2O3 Sr1-1.5xYxTiO3 ZrO2-Y2O3 Electrolyte (dense) La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 Cathode (poreuse) La0.8Sr0.2MnO3 Journées de Physique-Chimie

12. Verrous scientifiques et technologiques Augmenter température de fonctionnement PEMFC ( 120°C) Baisser température de fonctionnement SOFC (1000°C  700°C) • Recherches sur les matériaux de cœur de piles Hautes performances, faibles coûts, durables, tailles • Fonctionnement et environnement de la pile Gestion des gaz, de l’eau  Pb corrosion Durée de vie > 5000h (automobile) Implantation + production + stockage H2 Journées de Physique-Chimie

13. Verrous scientifiques et technologiques (suite) • PEMFC : Catalyseur sans platine  implication sur électrolyte (anionique OH-) • Valoriser « déchets » pétroliers comme nouveaux combustibles (glycérol) • -SOFC : Electrolyte conducteur protonique • Réduction des épaisseurs • Nouveaux matériaux d’électrode (perovskites, fluorite) • Approche système • - Plaque Graphite  matériaux emboutissable léger, non corrodable (Acier traité) • Bipolaire Coût d’une pile : 1/5 : plaque bipolaire 1/5 : électrolyte 1/5 : électrodes 2/5 : le système Journées de Physique-Chimie

14. La question de l’hydrogène Sécurité : validée Infrastructure : Transport, stockage, distribution. (voir Islande, Autoroute de l’Hydrogène (Norvège)) Journées de Physique-Chimie

15. La question de l’hydrogène (suite) Distribution Journées de Physique-Chimie

16. La question de l’hydrogène (suite) Distribution Journées de Physique-Chimie

17. La question de l’hydrogène (suite) La production Electrolyse : H2O  H2 +1/2O2 Eolien Solaire (Photovoltaïque et Thermique) Nucléaire Réformage : HC +O2 (H2O)xH2 + yCO Thermique, plasma, … Journées de Physique-Chimie

18. La question de l’hydrogène (suite) Le stockage • Stockage gazeux hyperbar (en test sur véhicule 300 bar. Etude validée 700 bar) • Hydrures métalliques (Palladium, …) • borohydrures (LiBH4, NaBH4, …) • Nanostructures de carbones Journées de Physique-Chimie

19. Perspectives … d’avenir? Applications nomades : 2010 -2020 Applications transports : 2030 – 2050 Applications stationnaires : 2050 APU : 2015 Journées de Physique-Chimie

20. Perspectives … d’avenir? Dans 100-150 ans : plus de pétrole, plus d’uranium … … mais encore de l’hydrogène, du soleil, du vent … … et des idées ? Journées de Physique-Chimie

21. 23/01/2007 : Chevrolet Volt, le diamant de GM Chevrolet Volt, pour faire le plein : essence, E85, électricité ou hydrogène ? Application aux transports Voitures PAC 26/01/2007 :Ford H2, un concept et un prototype Ford Airstream et Edge HySeries, des voitures à hydrogène qui se rechargent. 02/12/2006 :Ford Explorer à PAC Le Ford Explorer à pile à combustible, l'hydrogène pour les familles américaines. 12/09/2006 :Peugeot 207 CC Épure à PAC Peugeot 207 épure, blanche, électrique et écologique : zéro pollution. Journées de Physique-Chimie

22. 30/12/2005 :Un dragster Hyundai Hyundai Gator, le premier concept d'un dragster avec une pile à combustible. 21/05/2005 :La guerre sans polluer ? Un Chevrolet Silverado à pile à combustible pour mettre l'armée US à l'hydrogène 07/12/2004 :Buggy à PAC pour l'armée Avec le Quantum Aggressor, l'armée américaine a un coup d'avance. 07/09/2004 :Peugeot Quark, le quad à PAC Peugeot Quark, le quad français à pile à combustible qui répond à Toyota. Autres véhicules PAC Journées de Physique-Chimie

23. véhicule Honda FCVX autonomie 300 km, PAC 100 kW moteur sur roue 25 kW chassis bas  amélioration de l’habitabilité Journées de Physique-Chimie

24. véhicule GM Hy-Wire l'Hy-wire, le réservoir blindé de 75 kg contient 2 kg d'hydrogène !). Avec une autonomie de 400 km, Journées de Physique-Chimie

25. Projet GENEPAC : PEUGEOT - CEA    Peugeot Partner Taxi Pile A Combustible Compartiment moteur et pile à combustible du Peugeot Partner Taxi Rack réservoir hydrogène du Peugeot Partner Taxi Journées de Physique-Chimie

26. Projet CUTE Clean Urban Transport for Europe 9 villes d’Europe Amsterdam, Barcelona, Hamburg, London, Luxembourg, Madrid, Porto, Stockholm, Stuttgart Journées de Physique-Chimie

27. Journées de Physique-Chimie

28. 17/04/2003 Bateau à l’Hydrogène 08/04/2003 :De l'hydrogène dans l'eau ! C'est ce qui arrive quand on fait fonctionner un sous-marin avec une pile à combustible. Journées de Physique-Chimie

29. En attendant ... on peut utiliser la voiture hybride Journées de Physique-Chimie