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Annelise BRÜLL
Ingénieur d’études
05 40 00 26 98
Journée Académique de l’Union des Professeurs de Physique et de Chimie
Mercredi 3 octobre 2012
ENSCBP
ICMCB
~230 personnes y travaillent : Chercheurs, enseignants-chercheurs,
ITA, doctorants, post-doctorants, CDD, stagiaires
Organisation du laboratoire : 7 groupes de recherche 2 centres de ressources
20 services collectifs
Groupe Piles à combustible
2
Plan de l’exposé A. Les contraintes énergétiques
B. Les énergies renouvelables
C. Le vecteur hydrogène
D. Les piles à combustible (PAC)
a) Historique et fonctionnement
b) Les différents types existants
c) Les différentes architectures
d) Les applications
E. La recherche sur les PAC : exemple de l’ICMCB
F. Conclusion et perspectives
C E A
H2
H2
ELECTROLYTECATHODECATHODE ANODEANODE
O2 O2
3
Les contraintes énergétiques
4
Les contraintes énergétiques
5
hémisphère nord
va
ria
tio
n d
e te
mp
éra
ture
(°C
)
mo
ye
nn
e d
e 1
96
1 à
19
90
année
Des réserves pour combien de temps ?
URGENT de trouver des solutions !
0
JC 1000 3000 2000 -1000
Ere fossile Grecs Romains Moyen-Age
1850 2250
??
6
Les contraintes énergétiques L’objectif:
Diminuer l’utilisation des combustibles fossiles : pétrole, charbon,
hydrocarbures…
7
Les contraintes énergétiques
Les solutions envisagées :
Rationaliser nos consommations énergétiques
Séquestrer les émissions de CO2 provenant des combustibles
fossiles
Développer des carburants alternatifs pour les transports
Développer les énergies renouvelables
L’objectif:
Diminuer l’utilisation des combustibles fossiles : pétrole, charbon,
hydrocarbures…
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Les énergies renouvelables
Energie éolienne Vent + Eolienne
Géothermie Chaleur du sol + Pompe à chaleur
Biomasse Végétaux + Biogaz / Biocarburant
Energie solaire Soleil + Photovoltaique
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Energies renouvelables : quel scénario pour demain ?
Energie provenant de sources renouvelables
(ou nucléaire)
PAC
Electrolyse
Economie de l'Hydrogène
Electricité au consommateur
H2
Economie de l'électron
e-
e- e-
H2
e-
Solaire, Éolien, Géothermie, (Nucléaire)
Stockage massif difficile ?
10
L’hydrogène : source d’énergie Il est possible de le produire par des méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre
Son utilisation n’entraîne pas d’émission de gaz à l’effet de serre
Il est pratiquement inépuisable…
11
L’hydrogène : source d’énergie Il est possible de le produire par des méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre
Son utilisation n’entraîne pas d’émission de gaz à l’effet de serre
Il est pratiquement inépuisable…
Densité massique d’énergie plus élevée que celles des combustibles courants : facteur
2,4 à 2,7 (H2 = 140MJ/kg ; essence 46MJ/kg))
Vecteur « propre » : non polluant, non toxique
Retour d’expérience important (production-distribution-stockage)
Plusieurs voies d’utilisation : combustion par exemple
Les atouts majeurs :
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L’hydrogène : source d’énergie Il est possible de le produire par des méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre
Son utilisation n’entraîne pas d’émission de gaz à l’effet de serre
Il est pratiquement inépuisable…
Densité massique d’énergie plus élevée que celles des combustibles courants : facteur
2,4 à 2,7 (H2 = 140MJ/kg ; essence 46MJ/kg))
Vecteur « propre » : non polluant, non toxique
Retour d’expérience important (production-distribution-stockage)
Plusieurs voies d’utilisation : combustion par exemple
Les atouts majeurs :
Les handicaps à surmonter :
Densité d’énergie volumique faible
Coûts de production élevés (facteur 3 par rapport au gaz naturel)
Analyses technico-économiques et environnementales sur la filière
Réglementation et sûreté 13
14
Comment utiliser l’hydrogène comme source d’énergie ?
Historique
Sir W. Grove 1811 - 1896
Acide sulfurique dilué Feuillards de Pt
1839 : William Grove « invente » la pile à combustible : utilisation de la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau pour produire du courant à partir de O2 et de H2 1842 : Expérience de 4 cellules en série ; la réaction ne se produit que lorsqu’il y a triple contact entre l’électrolyte, les réactifs et les catalyseurs
15
Définition d’une pile à combustible Une PAC est un système électrochimique qui convertit
l’énergie chimique en énergie électrique
16
Définition d’une pile à combustible
Elle est constituée : - de 2 électrodes : une anode et une cathode alimentées par deux gaz : O2 et H2
- d’un électrolyte qui permet d’assurer une étanchéité entre les deux électrodes et d’assurer le passage des ions en bloquant le passage des électrons
Une PAC est un système électrochimique qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique
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Définition d’une pile à combustible
H2 + ½ O2 H2O + électricité
Energie issue de la réaction globale :
Elle continue de fonctionner tant qu’elle est alimentée en réactifs
Elle est constituée : - de 2 électrodes : une anode et une cathode alimentées par deux gaz : O2 et H2
- d’un électrolyte qui permet d’assurer une étanchéité entre les deux électrodes et d’assurer le passage des ions en bloquant le passage des électrons
Une PAC est un système électrochimique qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique
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Atouts • Protection de l’air
Si utilisation H2 pur pas rejet d’oxydes de soufre ni particules
Si H2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NOx par m3 (75 fois moins que la règlementation)
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Atouts
• Économies d’énergie Courant électrique continu généré avec des rendements élevés
Rendement électrique actuel ≥ 40% 70% lors du couplage d’une pile haute-température avec une turbine à gaz Rendement total (électrique + thermique) ≈ 80%
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• Protection de l’air Si utilisation H2 pur pas rejet d’oxydes de soufre ni particules
Si H2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NOx par m3 (75 fois moins que la règlementation)
Atouts
• Limitation des nuisances sonores Pas de bruit généré par le processus électrochimique
Seuls les systèmes auxiliaires émettent un faible bruit
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• Économies d’énergie Courant électrique continu généré avec des rendements élevés
Rendement électrique actuel ≥ 40% 70% lors du couplage d’une pile haute-température avec une turbine à gaz Rendement total (électrique + thermique) ≈ 80%
• Protection de l’air Si utilisation H2 pur pas rejet d’oxydes de soufre ni particules
Si H2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NOx par m3 (75 fois moins que la règlementation)
Atouts
• Maintenance limitée
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• Limitation des nuisances sonores Pas de bruit généré par le processus électrochimique
Seuls les systèmes auxiliaires émettent un faible bruit
• Économies d’énergie Courant électrique continu généré avec des rendements élevés
Rendement électrique actuel ≥ 40% 70% lors du couplage d’une pile haute-température avec une turbine à gaz Rendement total (électrique + thermique) ≈ 80%
• Protection de l’air Si utilisation H2 pur pas rejet d’oxydes de soufre ni particules
Si H2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NOx par m3 (75 fois moins que la règlementation)
Fonctionnement
23
Les 2 électrodes sont poreuses pour laisser passer les gaz L’électrolyte est dense pour ne pas laisser passer les gaz mais les ions
Fonctionnement
24
Les 2 électrodes sont poreuses pour laisser passer les gaz L’électrolyte est dense pour ne pas laisser passer les gaz mais les ions
2 types d’électrolytes conducteurs 2 mécanismes différents
Fonctionnement
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Conduction protonique
Les 2 électrodes sont poreuses pour laisser passer les gaz L’électrolyte est dense pour ne pas laisser passer les gaz mais les ions
2 types d’électrolytes conducteurs 2 mécanismes différents
Fonctionnement
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Conduction protonique Conduction anionique
Les 2 électrodes sont poreuses pour laisser passer les gaz L’électrolyte est dense pour ne pas laisser passer les gaz mais les ions
2 types d’électrolytes conducteurs 2 mécanismes différents
O2-
Fonctionnement Exemple d’une pile
à conduction
protonique
Réduction des molécules
d’hydrogène en ions H+ qui vont migrer à travers
l’électrolyte
Siège de la réaction entre les molécules
d’oxygène et les ions H+ pour former des
molécules d’eau
Les électrons circulent dans un circuit extérieur pour former un
courant électrique
continu
A
C
B
A
C
B
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Différents types de piles
La classification dépend :
De la nature de la membrane (électrolyte) Conduction protonique ou anionique
Liquide ou solide
De la température de fonctionnement Basses températures (60 – 250°C)
Moyennes températures (650°C)
Hautes températures (750 – 1050°C)
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Les Piles à Combustible: caractéristiques
PEMFC
PAFC
MCFC
SOFC
100°C
200°C
650°C
800°C
Solid Electrolyte : polymer: ion H+
Liquid electrolyte H3PO4 : ion H+
Liquid electrolytes: molten carbonates Li2CO3, KCO3 : ion CO3
2-
Solid Electrolytes Ceramics YSZ, ZrO2: ion O2-
Type Electrolyte Température
DMFC AFC Liquid Electrolyte KOH : ion OH-
Methanol Solid Electrolyte : polymer: ion H+
Fuel
Hydrogen (CO < 10 ppm)
Hydrogen
Hydrogen (CO < 1%) Methanol Natural gas
Hydrogen Biomass Methanol Natural gas
Hydrogen Biomass Natural gas
T
T
29
Architectures des PAC
30
Architectures des PAC
31
Anode Électrolyte Cathode
une cellule Exemple : 10 W
=
Pas ou peu d’applications
Architectures des PAC
32
Anode Électrolyte Cathode
une cellule Exemple : 10 W
=
un stack Exemple : 15 kW
=
Un assemblage de plusieurs cellules séparées par des interconnecteurs
métalliques
Nombreuses applications possibles Pas ou peu d’applications
Architectures des PAC
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Plusieurs choix sont possibles pour réaliser les empilements :
Anode / Électrolyte / Cathode
- La technologie tubulaire,
- La technologie planaire,
- La technologie monolithique,
- La technologie intermédiaire
Architectures des PAC
Technologie Tubulaire
(25-100-200 kW), = 60% couplé à une turbine à gaz, possibilité d’atteindre 70%
avec des systèmes multi-composants (mégawatts
plants)
Anode
Electrolyte
Cathode
Interconnecteur
Siemens - Westinghouse (HT-SOFC)
Air
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Rôle très important des interconnecteurs !!
Architectures des PAC
Technologie Planaire Alimentations en gaz
transfert des électrons
échangeur thermique
CEA Fuel Air Plaques bipolaires
35
Architectures des PAC
Argonne Nationnal Laboratory (1984) :
variante de la technologie planaire (les différents
composants se supportent mutuellement)
structure plus compacte (densité de puissance élevée)
Technologie monolithique
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Architectures des PAC
Technologie Sulzer-Hexis pour la cogénération
(électricité + chaleur) :
application résidentielle
Technologie intermédiaire
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Architectures des PAC Cogénération : électricité + chaleur
38
Les premiers développements des PAC
39
Les premiers développements des PAC Les piles alcalines (KOH)
1840 …
1953 : Francis T. Bacon pile hydrogène : électrolyte alcalin(LiOH) + électrodes poreuses de Ni et NiO ; Température de fonctionnement : 80 – 200°C, P ~40 atm développement des PAC dans les programmes spatiaux
Années 60 : - NASA utilise les PAC Gemini en 1963 (pile de type PEMFC de General Electrics)
40
Les premiers développements des PAC Les piles alcalines (KOH)
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Les premiers développements des PAC Les piles alcalines (KOH)
1840 …
1953 : Francis T. Bacon pile hydrogène : électrolyte alcalin(LiOH) + électrodes poreuses de Ni et NiO ; Température de fonctionnement : 80 – 200°C, P ~40 atm développement des PAC dans les programmes spatiaux
Années 60 : - NASA utilise les PAC Gemini en 1963 (pile de type PEMFC de General Electrics) Apollo en 1968 (pile AFC de Pratt et Whitney) - U.S. Navy développe un sous-marin capable de descendre à 6000m de profondeur
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Les premiers développements des PAC Les piles alcalines (KOH)
Années 60 : Allis-Chalmers Manufacturing Company (USA): premiers prototypes de véhicules avec piles embarquées
- tracteur électrique ; pile AFC de 15 kW - Austin A40 à propulsion électrique associée ; pile AFC de 6 kW + batterie
plomb/acide. Autonomie : 300 km. Fonctionnement : 16000 km en 3 ans
43
Chronologie des applications récentes des PAC
1960 1970 1980 1990 2000
Aérospatiale (production d’électricité et d’eau pour l’équipage)
Bus
Automobile
Production stationnaire d’électricité
Submersible (production d’eau et d’électricité pour l’équipage)
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Développement des PAC
portable
spatial stationnaire
> 50 000 h
transport > 5 000 h
45
Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (MW)
Siemens-Westinghouse (SOFC)
46
Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (MW)
47
Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (MW)
Siemens-Westinghouse (SOFC) (Allemagne / USA)
Technologie tubulaire Module 100 kW (1152 tubes)
Actuellement en test Fonctionnement 20000 h
Rendement électrique 46 %
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Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (MW)
La pile de Chelles (Seine et Marne) : pile à « acide phosphorique »
49
Puissance : 200 kW électrique + 220 kW thermique
Alimente 200 foyers en électricité + chaleur
Le niveau sonore à 10m est comparable à celui d’une installation de ventilation classique
Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (quelques centaines de kW)
Les systèmes de piles à combustible BALLARD produisent 250KW qui vont être distribués sur les lignes électriques.
Actuellement, il y a 9 systèmes en Amérique du Nord, en Europe et au Japon
Plus de 3,5 millions de KW d’électricité ont été produits jusqu’à aujourd’hui
50
Développement des PAC Petits systèmes stationnaires (quelques kW) en
cogénération électricité - chaleur
51
Développement des PAC Petits systèmes stationnaires (quelques kW) en
cogénération électricité - chaleur
Technologie mixte planaire / tubulaire
Module 1 kW élec. / 3 kW therm. Gaz naturel
Rendement global 85 % Secteur résidentiel
Commercialisation ???
Sulzer-Hexis (Suisse) : chaudière « électrogène » (SOFC)
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Développement des PAC Transport : traction (véhicules lourds)
MAN / Siemens / Linde (Europe): Bus PEMFC de 120 kW
Stockage H2
9 réservoirs à 250 bars Autonomie > 250km
Piles PEMFC
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Développement des PAC Transport : traction (véhicules lourds)
1/ Les 4 modules Siemens
2/ Le système avant intégration
3/Intégration dans le bus
4 / le système après intégration
MAN / Siemens / Linde (Europe): Bus PEMFC de 120 kW
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Développement des PAC Transport : traction (véhicules légers)
Projet européen : Hydro – Gen Partner (2001)
1 - Pile elle-même 2 - Convertisseur électrique continu/continu 3 - Circuit de recirculation d'hydrogène 4 - Réservoir d'hydrogène HP (700bars)
Partenaires : CEA / PSA / Renault / Nuvera / Solvay Autonomie : 600km Vitesse maxi : 100km/h
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Développement des PAC Transport : traction (véhicules légers)
La PAC de Mercedes
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Développement des PAC Transport : traction (véhicules légers)
De nombreux autres projets…
Ford Focus FCV (Fuel Cell Vehicle)
NISSAN Xterra HONDA CXV 3 BMW CleanEnergy 750hl sedan
Daimler-Chrisler : projet NECAR 5 (nov 2000) (New Electric Car)
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Développement des PAC Transport : traction (scooters)
Manhattan Scientifics (2001) PAC : 3kW
Autonomie : 200km Vitesse maxi : 60 km/h
Prix : 2300 euros Réservoir H2 : 2L
Hydrocycle (2001) PAC : 3kW
Autonomie : 70 à 100 km Vitesse maxi : 30 km/h
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Développement des PAC Transport : traction (auxiliaires de puissance)
Global Thermoelectric Inc. (Canada)
Technologie planaire Module 3-5 kW
Tension de sortie 42 V Périphériques automobiles
Delphi (USA): avec BMW
Technologie planaire (SOFC) Module 50W
Tension de sortie 15 V Périphériques automobiles
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Développement des PAC Transport : traction (auxiliaires de puissance)
Axane (Air Liquide) :
Le concept Easy Cell : maintenance simplifiée des éléments critiques
Le concept Evopac : choix des composants pour une architecture parfaitement adaptée aux besoins (500W - 10kW).
Applications pour sites éloignés comme
une antenne de télécommunication
Roller Pac : application
(2kW - 110/230V AC)
60
Développement des PAC Micro-générateurs et portables
* Stack-in-a-box : PAC 75W (continu)
½ litre d'hydrogène compressé fournit 1h30 d'énergie. Ce système a été testé avec succès pour fournir de l'énergie à différentes machines : TV, PC, machine à glace, ...
* CASIO : PAC pour ordinateur portable
Les prototypes de piles à méthanol pour PC portables et autres équipements multimédias
61
Développement des PAC Micro-générateurs et portables
* Fraunhofer ISE’s : micro PAC pour téléphonie
mobile
* Warsitz Enterprises : PAC portable (éclairage)
* Fraunhofer ISE’s : micro PAC pour ordinateur
portable
62
Développement des PAC Micro-générateurs et portables
PAC méthanol direct (portable)
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SOFC Power (Italie)
Développement des PAC
64
75 cells 12x12 cm²
Cell : 375 µm 12x12 cm²
Power Core: 1.5 kW
Haldor-Topsoe (Danemark)
Développement des PAC
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Applications et principaux avantages des PAC
Applications caractéristiques
Equipements de portables électroniques
Voitures, bateaux et cogénération domestique
Génération de puissance distribuée, cogénération, bus
Puissance (W) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 1 M 10 M
Principaux avantages
Énergie plus importante que les batteries classiques, recharge plus
rapide
Émission nulle de gaz polluants, plus haute
efficacité
Plus haute efficacité, moindre pollution, silencieux
Domaine d’application des différents types
de PAC
PEMFC
AFC
PAFC
MCFC
SOFC
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La recherche sur les PAC : exemple de l’ICMCB
Les piles SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
Température de fonctionnement ≥ 750°C
Diminuer cette température pour diminuer les coûts
ELECTROLYTE ELECTRODES
67
Mise en forme d’une PAC au laboratoire
68
Mise en forme d’une PAC au laboratoire
Cellule à anode
support
Cellule à électrolyte
support
69
PAC : vers le marché ? The DoE Hydrogen and
Fuel Cells Program Plan
Dec 2010
70
PAC : vers le marché ? Aujourd'hui, le coût d'investissement élevé (sur une base € / kW) a conduit à un
effort important porté à la réduction des coûts
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Conclusion et perspectives De nombreux programmes de développement existent :
En 2011, le Japon annonce 1000 stations pour la distribution de l’hydrogène et la production de 2 millions de véhicules en 2025.
L’Allemagne annonce la construction de 150 stations à hydrogène et plus de 1000 stations en 2017.
Mill
iard
s/a
n
2020
2030
11 - 11 € milliards/an pour les alimentations portatives (marché stable) 14 - 31 € milliards/an pour les systèmes stationnaires en 10 ans 18 - 97 € milliards/an pour le transport en 10 ans
Connecticut Center for Advanced Technology From DOE H2FC 2010 Program Plan 2010
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Conclusion et perspectives Les verrous technologiques identifiés :
un problème de matériau :
- conductivité électronique et ionique des matériaux
- température de fonctionnement
- L’assemblage électrode/membrane et les interconnecteurs (comme
les plaques bipolaires)
- La tenue au vieillissement des assemblages (sous différentes
sollicitations : climatiques, transitoires, chocs, …)
le problème des auxiliaires :
- L’optimisation des compresseurs, humidificateurs, refroidissement,
convertisseur DC-AC, …
le problème de l ’hydrogène :
- La production, la distribution et le stockage, … (sécurité)
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Conclusion et perspectives Objectifs de coûts et de durée de vie à atteindre :
Systèmes Stationnaires :
inférieur à 1500 Euros/kW
Aujourd’hui, le coût des PAC est situé entre 10 000 et 20 000 Euros/kW
fiabilité : > 40 000heures
Transport :
50 euros/kW pour la traction des véhicules particuliers (> 5000 heures)
200 euros/kW pour le transport urbain
250 euros/kW pour les APU d’une voiture de luxe
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Conclusion et perspectives De nombreuses défis à relever:
Capacité de fonctionner dans des conditions difficiles
Augmentation de la densité de puissance et la durée de vie
Réduction de la taille et du poids des systèmes (avec les auxiliaires)
Atteinte des objectifs de sécurité, normes, acceptabilité, …
75
Actualité récente
76
Première voiture de course fonctionnant avec une PAC aux 24h du Mans 2013
SymbioFCell (société française CEA/PSA) a développé cette pile
400 kW de puissance (≈554 chevaux)
PEMFC 18 stacks de 20 kW
T < 80°C
Green GT H2
77