Composants électrochimiques : électrolyseur, pile à combustible, supercondensateur, accumulateur

Auteur(s) :

Pera, Marie-Cécile Découvrir l'auteur

Résumé

Panorama illustré d'exercices des bases physiques et technologiques des moyens de stockage de l'électricité dans des systèmes hybrides, qu'ils soient destinés à des applications stationnaires ou de transports. Les batteries à hydrogène, les supercondensateurs et l'accumulateur électrochimique sont notamment abordés.

Contributeur(s)
Éditeur(s)
- Hermès science publications
- Lavoisier
Date
- 2014
Notes
- Bibliogr. Index
Langues
- Français
Description matérielle
- 1 vol. (355 p.) : illustrations en noir et blanc ; 24 x 16 cm
Collections
- Génie électrique
Sujet(s)
- Piles à combustible à hydrogène
- Électrochimie
ISBN
- 978-2-7462-3813-8
Indice
- 621.35 Accumulateurs et piles, piles à combustible
Quatrième de couverture
- Génie électrique
  Nos besoins en objets électriques nomades sont croissants, et ceci dans une gamme étendue de puissance, allant du téléphone portable au véhicule électrique.
  Cet ouvrage s'intéresse aux moyens de stockage communément utilisés dans des systèmes hybrides et s'appuie sur des principes de base de l'électrochimie accessibles avec un bagage minimal de culture scientifique.
  Composants électrochimiques décrit les éléments de la filière hydrogène aboutissant à la notion de « batterie air/hydrogène », les principaux types d'accumulateurs et les supercondensateurs. Agrémenté de nombreux exercices, ce livre est destiné à un public d'industriels et d'enseignants désirant acquérir les bases physiques et technologiques pour appréhender ces systèmes.
Tables des matières
- - Composants électrochimiques
  - Électrolyseur, pile à combustible, supercondensateur, accumulateur
  - Marie-Cécile Péra
  - Daniel Hissel
  - Hamid Gualous
  - Christophe Turpin
  - Hermes Science
  - Lavoisier
  - Introduction13
  - Chapitre 1. Notions de base d'électrochimie à l'usage du génie électrique15
  - 1.1. Introduction15
  - 1.2. Descriptif rapide et principes de fonctionnement des composants électrochimiques15
  - 1.2.1. Principe de fonctionnement15
  - 1.2.2. Descriptif rapide des familles de composants16
  - 1.3. Réaction d'oxydo-réduction22
  - 1.4. Energie chimique24
  - 1.4.1. Enthalpie, entropie et énergie libre24
  - 1.4.2. Enthalpie, entropie et énergie libre de formation25
  - 1.5. Potentiel ou tension d'électrode26
  - 1.6. Potentiel réversible d'une cellule27
  - 1.7. Densité de courant faradique et loi de Bulter-Volmer28
  - 1.8. Loi de Butler-Volmer pour une cellule complète31
  - 1.9. De la loi de Butler-Volmer à la loi de Tafel32
  - 1.10. Loi de Faraday34
  - 1.11. Modèle de transfert de matière de Nernst35
  - 1.12. Notion de courant limite38
  - 1.13. Expression de la courbe de polarisation39
  - 1.14. Capacité de double couche42
  - 1.15. Impédance électrochimique42
  - 1.16. Réactifs et produits en phase gazeuse. Pression totale, pression partielle, fraction molaire et mélange45
  - 1.17. Exercices corrigés46
  - 1.17.1. Calcul de la variation d'enthalpie lors de la formation d'une mole d'eau46
  - 1.17.2. Calcul de la variation d'entropie lors de la formation d'une mole d'eau48
  - 1.17.3. Calcul de la variation d'énergie libre lors de la formation d'une mole d'eau51
  - 1.17.4. Calcul du potentiel de Nernst pour une cellule de pile à combustible PEMFC52
  - 1.17.5. Equations de Faraday pour un accumulateur au Pb53
  - 1.17.6. Calcul de la masse d'eau consommée par une cellule d'électrolyse54
  - Chapitre 2. Electrolyseurs d'eau57
  - 2.1. Introduction57
  - 2.2. Principes de fonctionnement des principaux électrolyseurs d'eau60
  - 2.3. Historique de l'électrolyse de l'eau62
  - 2.4. Eléments technologiques68
  - 2.4.1. La technologie alcaline68
  - 2.4.2. La technologie PEM74
  - 2.4.3. La technologie SO80
  - 2.4.4. Comparaison des trois technologies d'électrolyseur d'eau84
  - 2.4.5. Spécifications d'un électrolyseur commercial85
  - 2.5. Approche théorique d'un électrolyseur87
  - 2.5.1. Eléments énergétiques87
  - 2.5.1.1. Eléments thermodynamiques87
  - 2.5.1.2. Impact des pertes irréversibles92
  - 2.5.1.3. Rendement d'un électrolyseur98
  - 2.5.2. Comportement électrique en régime quasi statique103
  - 2.5.2.1. Potentiel réversible105
  - 2.5.2.2. Surtension d'activation105
  - 2.5.2.3. Surtension de transport des espèces107
  - 2.5.2.4. Surtension ohmique (transport des charges)114
  - 2.5.2.5. Bilan du comportement quasi statique d'un électrolyseur115
  - 2.5.3. Comportement électrique en régime dynamique fort signal120
  - 2.5.3.1. Couplage des phénomènes d'activation et de double couche électrochimique121
  - 2.5.3.2. Dynamique des phénomènes de transport des espèces122
  - 2.5.3.3. Modèle dynamique fort signal d'un électrolyseur124
  - 2.5.4. Comportement électrique en régime dynamique petit signal (impédance)126
  - 2.6. Caractérisation expérimentale du comportement électrique d'un électrolyseur129
  - 2.6.1. Courbe de polarisation (caractérisation quasi statique)132
  - 2.6.1.1. Escaliers de courant133
  - 2.6.1.2. Balayage en courant à très basse fréquence134
  - 2.6.1.3. Comparaison des deux techniques134
  - 2.6.2. Spectroscopie d'impédance (caractérisation dynamique petit signal)135
  - 2.6.3. Echelons de courant136
  - 2.6.4. Balayages en courant (caractérisation dynamique fort signal)137
  - 2.6.5. Couplage des approches de caractérisation (approche avancée)138
  - 2.7. Procédés de paramétrisation des modèles139
  - 2.7.1. Approche combinatoire minimale des caractérisations expérimentales140
  - 2.7.2. Approche multispectres d'impédance140
  - 2.7.3. Approche multibalayages basses fréquences141
  - 2.7.4. Vers une exploitation combinatoire optimale et systématique des caractérisations expérimentales142
  - 2.8. Association à une pile à combustible. Concept de la « batterie à hydrogène »143
  - 2.8.1. Considérations générales144
  - 2.8.2. Caractéristique statique d'une batterie H₂/O₂146
  - 2.8.3. Bande morte d'une batterie H₂/O₂147
  - 2.8.4. Etat des lieux succinct des développements industriels149
  - 2.9. Quelques exemples d'applications des électrolyseurs151
  - 2.9.1. Eléments sur la production d'hydrogène industriel par électrolyse152
  - 2.9.2. Etat de l'art des applications couplant solaire photovoltaïque et hydrogène ; zooms sur les projets français Myrte, Petite et Janus154
  - 2.9.2.1. Etat de l'art des applications couplant solaire photovoltaïque et hydrogène154
  - 2.9.2.2. Zooms sur les projets français Myrte, Petite et Janus159
  - 2.10. Eléments sur le stockage de l'hydrogène163
  - 2.11. Conclusions et perspectives164
  - 2.12. Exercices corrigés165
  - Chapitre 3. Pile à combustible179
  - 3.1. Introduction179
  - 3.2. Classification des technologies de piles à combustible180
  - 3.2.1. Classification milieu acide/milieu basique181
  - 3.2.2. Classification en fonction de la température de fonctionnement182
  - 3.2.3. Classification en fonction du type d'électrolyte183
  - 3.2.3.1. Les piles PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)183
  - 3.2.3.2. Les piles MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)184
  - 3.3. Pile à membrane échangeuse de protons (PEMCF)185
  - 3.3.1. Constitution185
  - 3.3.2. Caractéristiques188
  - 3.3.2.1. Performances électriques188
  - 3.3.2.2. Le comportement dynamique193
  - 3.3.2.3. La gestion de l'eau194
  - 3.3.2.4. Sensibilité aux contaminants195
  - 3.4. Pile à oxyde solide (SOFC)196
  - 3.5. Systèmes pile à combustible200
  - 3.5.1. Généralités200
  - 3.5.2. Systèmes PEMFC201
  - 3.5.2.1. Le circuit combustible202
  - 3.5.2.2. Le circuit comburant203
  - 3.5.2.3. Le circuit d'humidification205
  - 3.5.2.4. Le circuit de gestion thermique206
  - 3.5.2.5. Bilan de puissance d'un système PEMFC207
  - 3.5.3. Systèmes SOFC207
  - 3.5.3.1. Le circuit combustible208
  - 3.5.3.2. Le circuit comburant et la gestion thermique209
  - 3.6. Applications des piles à combustible209
  - 3.6.1. Applications portables210
  - 3.6.2. Applications stationnaires211
  - 3.6.3. Applications transports213
  - 3.6.3.1. Les applications aériennes213
  - 3.6.3.2. Les applications maritimes215
  - 3.6.3.3. Les applications terrestres216
  - 3.7. Exercices corrigés219
  - 3.7.1. Calcul du coût du platine pour une électrode219
  - 3.7.2. Dimensionnement d'un module de pile à combustible « standard »220
  - 3.7.3. Calcul des débits de gaz réactifs en entrée de pile220
  - 3.7.4. Calcul du contenu en eau de l'air en entrée de pile et en sortie de pile. Calcul du point de rosée en sortie de pile222
  - 3.7.5. Calcul du rendement d'une PEMFC226
  - 3.7.6. Autonomie d'un sous-marin d'exploration227
  - 3.7.7. Alimentation d'une ferme en site isolé229
  - 3.7.8. Générateur à pile à combustible pour véhicule particulier233
  - Chapitre 4. Stockage de l'énergie électrique par supercondensateurs237
  - 4.1. Introduction237
  - 4.2. Fonctionnement et caractéristiques énergétiques des supercondensateurs à doubles couches électriques239
  - 4.2.1. Structure et fonctionnement d'un supercondensateur240
  - 4.2.2. Caractérisation électrique et énergétique des supercondensateurs243
  - 4.3. Dimensionnement des modules de supercondensateurs249
  - 4.3.1. Dimensionnement basé sur la puissance249
  - 4.3.2. Dimensionnement basé sur l'énergie stockée par le supercondensateur251
  - 4.3.3. Equilibrage des supercondensateurs254
  - 4.4. Modélisation des supercondensateurs256
  - 4.4.1. Détermination des paramètres de la branche principale260
  - 4.4.1.1. Identification de R₁260
  - 4.4.1.2. Identification de C0261
  - 4.4.1.3. Identification de K262
  - 4.4.2. Paramètres de la branche lente262
  - 4.4.2.1. Identification de R2262
  - 4.4.2.2. Identification de C2263
  - 4.5. Convertisseur DC/DC associé à un modèle de supercondensaeurs264
  - 4.6. Thermique des supercondensateurs265
  - 4.6.1. Modélisation thermique des supercondensateurs266
  - 4.6.2. Modélisation par analogie thermique-électrique268
  - 4.7. Composant hybride de stockage de l'énergie électrique LIC (Lithium Ion Capacitor)270
  - 4.8. Exercices corrigés272
  - Chapitre 5. Les accumulateurs électrochimiques283
  - 5.1. Introduction283
  - 5.2. Les accumulateurs au plomb283
  - 5.2.1. Principe de fonctionnement283
  - 5.2.2. Avantages et inconvénients de cette technologie284
  - 5.3. Les accumulateurs au nickel285
  - 5.3.1. Accumulateur nickel-cadmium (Ni-Cd)285
  - 5.3.2. Accumulateur nickel-métal-hydrure (Ni-MH)286
  - 5.3.3. Accumulateur nickel-zinc288
  - 5.4. Les accumulateurs au lithium289
  - 5.4.1. Pourquoi le lithium ?289
  - 5.4.2. Principe de fonctionnement289
  - 5.4.3. Avantages et inconvénients de ces technologies290
  - 5.4.4. La technologie lithium-ion291
  - 5.4.5. La technologie lithium-métal-polymère292
  - 5.4.6. Autres technologies293
  - 5.4.6.1. Accumulateur lithium-phosphate294
  - 5.4.6.2. Accumulateur lithium-ion-polymère294
  - 5.5. Caractéristiques d'un accumulateur ou d'une batterie294
  - 5.5.1. Capacité295
  - 5.5.2. Résistance interne297
  - 5.5.3. Tensions297
  - 5.5.4. Energie298
  - 5.5.5. Etat de charge d'une batterie299
  - 5.6. Modélisation d'une batterie300
  - 5.6.1. Modèle de Thévenin300
  - 5.6.2. Modèle de Thévenin amélioré301
  - 5.6.3. FreedomCar model301
  - 5.7. Vieillissement des batteries302
  - 5.8. Exercices corrigés304
  - Chapitre 6. Système électrique hybride307
  - 6.1. Introduction307
  - 6.2. Définitions307
  - 6.2.1. Généralités307
  - 6.2.2. Cas particulier du véhicule électrique hybride308
  - 6.2.3. Système électrique hybride309
  - 6.3. Intérêts de l'hybridation309
  - 6.3.1. Diagramme de Ragone310
  - 6.3.1.1. Description générale310
  - 6.3.1.2. Tracé du diagramme dans un cas générique311
  - 6.3.1.3. Localisation des tracés obtenus313
  - 6.3.2. Différents types d'énergie ?314
  - 6.3.3. Prise en compte de critères non énergétiques dans le choix d'une solution hybride de stockage d'énergie électrique317
  - 6.4. Gestion des flux d'énergie dans un système hybridé320
  - 6.4.1. Stratégies basées sur une optimisation321
  - 6.4.1.1. Méthodes reposant sur une optimisation globale321
  - 6.4.1.2. Méthodes applicables en temps réel322
  - 6.4.2. Stratégies à base de règles322
  - 6.4.3. Critères pour la supervision des flux énergétiques324
  - 6.5. Exemple d'application dans le domaine des transports : la plate-forme ECCE (évaluation des composants d'une chaîne de traction électrique)324
  - 6.6. Exercices corrigés328
  - 6.6.1. Diagramme de Ragone d'une batterie idéale328
  - 6.6.2. Diagramme de Ragone d'un condensateur idéal330
  - 6.6.3. Dimensionnement d'un véhicule électrique333
  - 6.6.4. Gestion d'énergie dans un véhicule électrique338
  - Bibliographie341
  - Index353
Origine de la notice:
- FR-751131015