cœu de pile à omustile flexile à - anr
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FLEXIPAC Cœur de pile à combustible flexible à collecteurs de courant intégrés Vincent FAUCHEUX – CEA Grenoble [email protected]
Coordinateur : Vincent FAUCHEUX- CEA Grenoble Organismes de recherche : LAAS-CNRS (Toulouse) LERMPS-UTBM (Belfort)
Entreprises : IREPA LASER (Illkirch)
Projet labélisé par le(s) pôles(s) de compétitivité :
Date de démarrage : 01/01/2010 Date de fin : 31/12/12
Budget (M€) Aide (M€) Nombre de personnes.ans
1436631 714167 11
Objectifs du projet : - réalisation d’une pile à membrane auto-supportée - diminution de la masse (W/kg) & du coût des piles Défis scientifiques et techniques : - Utilisation de la membrane comme support mécanique - Dépôt de grilles métalliques, assurant à la fois la collecte des électrons et la diffusion gazeuse, par des techniques non destructives vis-à-vis de la membrane
Résultats majeurs escomptés : - Puissance de 150 mW/cm2 sur des surfaces de 5 cm2 pour un cœur de pile cationique - Identification d’un procédé de réalisation bas coût et industrialisable des collecteurs de courant
Membrane
Collecteur de courant
Couche active
Anode
Cathode Air
C œ ur de PAC vue en coupe
Combustible
Membrane
É paisseur ~ 50 µ m Membrane
Couche active Air
C œ ur de PAC vue en coupe
Collecteurs
int é gr é s
Pile souple
Support
r é duit
Connexions
des collecteurs
Membrane
Couche active Air
C œ ur de PAC vue en coupe
Combustible
Membrane
É paisseur ~ 50 µ m Membrane
Couche active Air
C œ ur de PAC vue en coupe
Collecteurs
int é gr é s
Pile souple
Support
r é duit
Connexions
des collecteurs
Programme de travail et jalons :
•T1: (100% ; validé à T0+30) Identification des procédés de réalisation et définition de l’architecture de la pile •T2: (90% ; complété à T0+30 à partir des premiers résultats) •T3: (100% au niveau du choix et du process) Réalisation de bi-couches et tri-couches à la demande •T4: (50%) -T4.2: Dépôt Au PVD + ablation laser suivant modèle -T4.3:Fabrication et dépôt de poudres (faible Tf) par PVD ou fusion globale+ ablation laser -T4.4: benchmark des techniques liées au laser+ dépôt des grilles •T5: (75%): •T6: (50%): monocellule dans chambre
T3: d é pots couches actives
Proc é d é s bas co
T2: dimensionnement collecteurs
de courant (LAAS)
T0
: co
ord
ina
tio
n (
CE
A)
T1: CdC et sp é cifications techniques (CEA)
T4: r é alisation des collecteurs de courant
T4.4
d
T4.3
fabrication poudres
T6: int
T3: d é pots couches actives
Proc é d é s bas coût
T2: dimensionnement collecteurs
de courant
T0
: co
ord
ina
tio
n
T1: CdC et spécifications techniques
T4: r é alisation des collecteurs de courant
Dépôt PVD et
ablation laser
T4.4 Dépôt localisé
assisté par laser
T4.3
fabrication poudres
et frittage laser
T5: caractérisation électrochimique
des cœurs de piles
T6: intégration des
cœurs de piles
T4.2
Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:
T2:
CdC
-Matériaux: Au; Sn 48 In 52(Tf=117°C); In 51 Sn16.5 Bi32.5 (Tf=62.5°C)
-Architecture: Dimensionnement des ≠ couches
-Microstructure des grilles (forme, dimensions/chaque technique de réalisation)
-Données d’entrée: performances (80mW/cm2), conductivités, température …
Réalisation d’un modèle (COMSOL Multiphysics)
-Détermination des architectures de grilles collectrices de courant
-Lien microstructure/performance
Définir le meilleur compromis forme de la
grille/matériau(x)/taux d’ouverture permettant
d’assurer la meilleure collecte électronique tout
en maintenant une bonne accessibilité aux gaz
Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:
T2:
à 0.6V
Avec 7.4% d’Au (épaisseur 1 mm) → des perf. de 55%
(mais < 150 mW/cm2)
Dépôt des couches actives par spray (tri-couches)
+
Dépôt Au (1 mm) par PVD
T4.2 :
Réalisation de 8 masques pour ablation Laser
(Wopen = 500x mm & Wrib= 40 x mm)
Nafion 115
Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:
T4.2 :
Wrib: 40 mm
Wopen : 500 mm
Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:
T4.3 :
Réalisation de poudres Sn 48 In 52 (Tf=117°C) & In 51 Sn16.5 Bi32.5 (Tf=62.5°C)
Dépôt sur Nafion 115 puis fusion (épaisseur: ~20 mm) idem avec C/Pt
Ablation (masque CAO)
P=15W
P dist = 40 µm
t expo = 10 µs
spot size = 70 µm
Ablation
Ablation de l’ensemble
métal-C/Pt
régularité de l’ablation =
f (ép. métal)
Travail sur des
épaisseurs
plus faibles (PVD)
Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:
Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants: T4.4 :
Benchmark des solutions pour la réalisation de grilles :
- dépôt localisé de matériaux en fusion
(injection de poudres dans un faisceau laser focalisé)
- transfert par choc laser
-projection de matière fondue à partir
d’une feuille métallique
Membrane détruite à faible P aucun dépôt métallique
Transfert mais pas d’adhérence sur la zone active
métallisation
transfert
dépôt
Faisceau
laser
Feuille métallique
Masque
Substrat
b
a
Øspot Transfert mais dégradation de la membrane.
Laser capable d’expulser un max. de matière
en un mini. de pulse pour :
- assurer la continuité élec. des pistes
-limiter l’impact thermique sur la membrane
(laser INNOSLAB: 60mJ/4 ns)
T5/T6 : caractérisation / intégration
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300 350
courant (mA/cm2)
U (
V)
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
pu
issa
nce
(m
W/c
m2)
temoin
grille
101 mW/cm2
115 mW/cm2
1 mV/sec
25°C
H2
Au : 1 mm
Wrib: 40 mm
Wopen : 500 mm
7.4% d’Au
Modèle :80 mW/cm2 → 124 mW/cm2 (+55%)
Exp : 101 mW/cm2 →
115 mW/cm2 (+14%)
Marge d’erreur
Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants: Résultat majeur
Conclusions :
Retombées et perspectives scientifiques et industrielles : - 1 publi & 1 brevet Micro PEM fuel cell current collector design and optimization with CFD 3D modeling I. Zahi , C. Rossi, V. Faucheux, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, Issue 22, November 2011, Pages 14562-14572 Dispositif pour piéger et évacuer l’eau dans la chambre anodique d’une pile à combustible
- technologie tout plastique en cours de transfert industriel Le projet Flexipac contribue à ↗les perf. (+14%) et ↘les coûts (-92.6% Au)
La réalisation d’une grille collectrice permet d’augmenter les performances des PEMFC tout en diminuant leur coût, reste: - A revoir la modélisation / l’expérimentation - A augmenter les performances (remplacement du Nafion 115 par le XL, augmenter les épaisseurs) - A diminuer les coûts (remplacement de l’Au & fusion)