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Fiche 5.2.6

Révision : avril 2017 Source : AFHYPAC– Th.A.

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Méme Mémento de l’Hydrogène FICHE 5.2.6

LA PILE SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

Sommaire 1. Un peu d’histoire 2. Caractéristiques générales 3. Le principe de fonctionnement et les composants 4. Performances et caractéristiques de la cellule 5. Les technologies développées 6. Programmes de R&D 7. Acteurs industriels 8. Aspects économiques et industriels 9. La pile PCFC 10. Bibliographie Annexe : liste des industriels NB : cette fiche, spécifique de la pile à combustible SOFC, est complémentaire de la fiche thématique 5.2.1 qui explicite de manière générique les principes et caractéristiques de la technologie des piles à combustible.

1. Un peu d’histoire

Dans les années trente en Suisse, Emil Baur et H. Preis ont expérimenté des piles à combustible à haute température équipées d’un électrolyte à oxyde solide, en utilisant des matériaux tels que le zirconium, l’yttrium, le cérium, le lanthane et le tungstène. Ils se trouvèrent confrontés à des problèmes de conductivité ionique et de réactions chimiques secondaires incontrôlées. Puis dans les années quarante, O. K. Davtyan, en Russie, a exploré la même voie, en y ajoutant divers additifs, sans plus de succès. Dans les années cinquante, divers centres de recherche aux Pays-Bas et aux Etats-Unis ont amélioré les connaissances sur la technologie des électrolytes solides. Dans les années soixante, des chercheurs de Westinghouse réussirent enfin à faire fonctionner une cellule, utilisant un oxyde de zirconium et un oxyde de calcium (1962).

C’est finalement au début des années 80 que les développements ont véritablement débuté et que les performances se sont améliorées significativement (1983 chez Argonne National Laboratory, 1985 chez ECN, Pays-Bas et 1989 chez Ceramatec, USA, par exemple).

2. Caractéristiques générales Tout d’abord, il est utile de préciser la signification des divers termes associés à toute pile à combustible et qui seront utilisés par la suite :

- La cellule unitaire qui est constituée des deux électrodes emprisonnant l’électrolyte, - Le module (« stack » en anglais) qui est l’assemblage de plusieurs cellules, - Le système qui inclut un module (ou des modules) et tous les périphériques, ou sous-

systèmes, qui permettent au(x) module(s) de fonctionner et de délivrer la puissance électrique : la mise en condition du combustible (qui inclut éventuellement un reformeur), la

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gestion thermique du module, la gestion électrique du courant, les divers capteurs, le contrôle-commande de l’ensemble.

Les piles SOFC, dites à « électrolyte oxyde solide », fonctionnent à haute température, de 550 (voire 400°C) à 1000°C ; ce niveau de température est nécessaire pour que l’électrolyte utilisé ait une conductivité ionique suffisante. Ce niveau de température permet à ces piles d’être beaucoup moins sensibles que les autres aux impuretés contenues dans le combustible. Par exemple, le monoxyde de carbone CO, impureté pour une pile de type PEM, devient au contraire un combustible pour une pile de type SOFC ! Du fait d’un démarrage plus tardif de la R&D en comparaison avec les autres types de piles, ces piles SOFC sont aujourd’hui les moins développées, malgré les efforts actuels, mais sont aussi celles sur lesquelles on fonde les plus grands espoirs, en particulier pour les applications stationnaires ; en effet, leur souplesse vis-à-vis de la nature et de la pureté du combustible et l’absence de catalyseur précieux devraient conduire, à terme, à un rapport coût/performances attractif. Le point de fonctionnement généralement choisi conduit à un bon rendement électrique de l’ordre de 50-60%. Le haut niveau de température de la chaleur rejetée (500 – 700°C) permet d’améliorer sensiblement ce rendement en valorisant cette chaleur par couplage avec une turbine à gaz suivie éventuellement d’une dernière récupération de chaleur, destinée au chauffage, par exemple. Il faut noter, par ailleurs, que la température élevée de fonctionnement et la formation de vapeur d’eau permettent un reformage interne (direct ou indirect), à l’anode, d’un combustible carboné (gaz naturel, kérosène, méthanol, etc …). Cette caractéristique fait que la pile SOFC, qui peut, bien évidemment, être alimentée directement en hydrogène, est parfois, et de ce fait, décrite comme une pile au gaz naturel (reformeur intégré à l’anode).

3. Le principe de fonctionnement et les composants

Il s’agit (voir figure 1) d’une oxydoréduction électrochimique et contrôlée d’hydrogène et d’oxygène, avec production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur, selon la réaction chimique globale suivante, connue :

H2 + ½ O2 � H2O

Figure 1 – Schéma de principe d’une cellule SOFC Les électrodes La réaction électrochimique s’opère au sein d’une structure essentiellement composée de deux électrodes (l’anode et la cathode) séparées par un électrolyte solide, conducteur des ions O2-. Plus précisément, les réactions suivantes interviennent aux deux électrodes :

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à l’anode

H2 + O2- � H2O + 2e- Le matériau généralement utilisé à l’anode est du nickel poreux ou un mélange de nickel et d’oxyde de zirconium dopé à l’yttrium. à la cathode

½ O2 + 2e- � O2- Les matériaux de cathode fonctionnent en conditions très oxydantes (air ou oxygène + haute température), ce qui interdit l’emploi de matériaux classiques et oblige à l’utilisation de matériaux nobles et/ou exotiques (oxydes semi-conducteurs, oxydes métalliques conducteurs), plus onéreux donc. Le matériau le plus utilisé à la cathode est une manganite de lanthane dopée au strontium. Les résistances électriques aux électrodes sont les sources principales des pertes internes. Nota1: dans une publication du MIT en 20161 le chercheur B. Yildis fait part de résultats de recherche qui montreraient que le traitement des surfaces d'électrodes par une couche d'oxydes perovskite (en particulier avec de l'hafnium) améliorerait leurs performances et leur durée de vie en limitant leur ségrégation chimique provoquée par l'action de l'oxygène ou du CO2

à haute température. Nota2: une variante se développe; elle utilise non pas un électrolyte conducteur ions négatifs mais un conducteur de protons (pile PCFC): voir le §9 de cette fiche.

Les plaques d’interconnexion ou plaques bipolaires

Elles ont pour fonction de collecter le courant et d’assurer la distribution de combustible et d’air. Les matériaux utilisés dépendent des technologies développées et du niveau de température souhaité : ce peut être du chromite de lanthane dopé au magnésium (pour les températures supérieures à 900°C), ou des alliages à base de chrome et de fer.

Dans le cas de piles fonctionnant à une température inférieure à 700°C, ces plaques peuvent être en acier inoxydable. En février 2016, le britannique Ceres Power Holdings et Honda R&D font part de tels développements pour des piles fonctionnant dans la gamme 500-600°C; ils recouvrent une feuille d'acier perforée d'une fine couche de Cérium.

Le catalyseur Ce type de pile n’a pas besoin de catalyseurs précieux tels que le platine. Les plus utilisés sont : - à l’anode : un cermet Ni-YSZ (Ni + zircone stabilisée à l’Yttrium), - à la cathode : un composé de type LaxSr1-xMnO3. L’électrolyte Il est habituellement réalisé en zircone dopée à l’yttrium d'une épaisseur de 100 à 200μ. Si le maximum de conductivité est atteint avec un pourcentage de 8% d’oxyde d’yttrium, la baisse progressive de conductivité avec le temps peut conduire à élever ce pourcentage (jusque vers 12%). Depuis quelques années, de nombreux travaux ont permis d’abaisser cette épaisseur à 10μ, ce qui réduit les pertes électriques internes ou permet, à pertes comparables, de diminuer la température de fonctionnement. Des électrolytes à base de terres rares sont aussi étudiés pour abaisser la température (oxydes de cérium et gadolinium, gallates de lanthanides). En juin 2014, des chercheurs de Dresde ont annoncé avoir développé un composé de nanoparticules métalliques (Bi, Ir) conducteur d'ions oxygène, actif à la température ambiante, et qui pourrait être mis en œuvre dans une SOFC à basse température. Les interconnexions Elles sont généralement, du fait de la haute température, en céramique. Mais Il faut noter que l'abaissement de la température de fonctionnement au dessous d'une valeur de l'ordre de 700°C permet alors d'utiliser des interconnexions, non plus en céramique, mais en acier, ce qui améliore le comportement mécanique du module, alors capable de subir des variations de température plus

1 Journal Nature Materials

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rapides, ce qui diminue sa fragilité; en effet, une structure tout céramique supporte très mal les dilatations différentielles. La température de fonctionnement Elle se situe traditionnellement autour de 1000°C, mais la recherche de l’abaissement du coût et de l’amélioration de la tenue mécanique de la structure conduit les chercheurs à abaisser cette température autant que possible, tout en la maintenant au dessus de 650°C quand on souhaite utiliser un hydrocarbure et procéder à un reformage interne (gaz naturel, par exemple). En alimentation hydrogène, les japonais ont réussi à abaisser cette température à 550°C. Deux voies sont retenues pour abaisser la température :

- la recherche d’un électrolyte restant conducteur ionique à plus basse température. Toutefois cette voie est contrariée par le fait que les électrolytes retenus (à base de terres rares) ont la fâcheuse propriété d’être suffisamment conducteurs électroniques pour abaisser sérieusement les performances (court-circuit interne partiel).

- la mise en œuvre de couches très minces avec l’électrolyte traditionnel (Zircone yttriée) pour en diminuer la résistance interne. C’est cette dernière technologie qui donne, jusqu’à maintenant, les résultats les plus prometteurs.

Nota: en février 2017, des chercheurs sud-coréens2 annoncent qu'ils ont développé une pile SOFC travaillant dans la gamme 400-500°C, grâce à un nouvel électrolyte en film mince (Zirconate de barium - BZY) conducteur d'ions hydrogène au lieu d'ions oxygène (O2

--). Ce type de pile est généralement baptisé PCFC (Protonic Ceramic Fuel Cell).

4. Performances et caractéristiques de la cellule L’allure de la caractéristique courant-tension (ou courbe de polarisation) est la même que celle de la pile PEMFC (voir fiche 5.2.1). Le point de fonctionnement se situe (voir figure 2) autour de 0,27 W/cm² en technologie cylindrique et 4 à 5 fois plus en technologie plane.

Figure 2 – Exemple de caractéristique V(I) en technologie cylindrique3

La température élevée induit une chute de tension d’environ 100 mV par rapport aux autres types de pile (comme la MCFC), toutes choses égales par ailleurs, ce qui induit une perte de rendement de l’ordre de 6%. Le rendement énergétique s’exprime4 par la relation :

2 Professor Shim Jun-hyeong at Department of Mechanical Engineering of Korea University. Publication dans

"Nature Communications" du 23 février 2017. 3 Extrait de la référence (2), voir §8

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η = 1 – TΔS/ΔH

avec : ΔH, la chaleur de réaction à pression constante et TΔS la chaleur isotherme réversible échangée avec le milieu extérieur. Ce rendement s’exprime de façon plus simple, en tout point défini par la tension V, par la relation :

η = V/V0 ou V/1,23 (pour le couple H2/O2) Dans la pratique, le point de fonctionnement choisi se situe dans une zone de rendement électrique compris entre 50 et 60% (HHV), proche de l’optimum de puissance spécifique. La puissance spécifique est privilégiée vis à vis du rendement du fait du coût des composants.

5. Les technologies développées Deux technologies très différentes sont actuellement développées :

- la technologie tubulaire - la technologie plane qui se subdivise en technologie classique et technologie monolithique.

5.1 – la technologie tubulaire Dans cette technologie, qui a été essentiellement développée par Westinghouse Electric Corp. et Mitsubishi Heavy Industries, un cylindre en céramique poreuse (environ 50% de porosité) fermée à une extrémité, de diamètre de 15 à 20 mm et de longueur pouvant atteindre 1,5 m sert de support et est recouvert extérieurement de couches successives faisant office de cathode (avec son catalyseur), d’électrolyte et enfin d’anode (avec son catalyseur) et enfin, un dépôt (souvent obtenu par projection plasma) servant d’inter connecteur (voir figure 3). L’intérieur du tube support sert à la distribution d’air, tandis que le combustible est amené par l’extérieur. Ce concept a été testé sur 100 000 heures ce qui prouve sa fiabilité. La dégradation de performances est voisine de 0,2%/1000 heures pour une alimentation en air. Dans cette technologie, la montée en température est voisine de 200°C/heure, ce qui nécessite 5 heures pour un démarrage. Les inconvénients majeurs de la technologie cylindrique sont la faible puissance spécifique et le coût élevé de fabrication. Un des avantages de la technologie cylindrique est de pouvoir mettre les joints d’étanchéité dans une zone à température plus basse, réduisant ainsi les conséquences de contraintes mécaniques issues des contraintes thermiques et améliorant ainsi la fiabilité.

Figure 3 – La technologie cylindrique (air au centre, combustible à l’extérieur) 5.2 – la technologie plane Cette technologie (cf. Fig. 4) est plus récente, comparée à la précédente. Tous ses composants étant actifs (contrairement à la technologie cylindrique où certains composants, comme les supports de tube), ne sont pas actifs, elle permet d’obtenir des blocs plus compacts conduisant aux améliorations suivantes : abaissement de la masse, de l’encombrement, des pertes thermiques et donc montée plus rapide en température. Une difficulté de cette technologie réside dans la mise au point de plaques 4 Les piles à combustible : C. Lamy et J.M. Léger, Journal de Physique IV, Colloque C1, supplément au Journal

de Physique III, Volume 4, janvier 1994.

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d’interconnexion assurant à la fois une bonne conduction électrique, une bonne tenue mécanique (en particulier dans les transitoires de température), une bonne tenue à la corrosion et une bonne étanchéité. C’est un des avantages majeurs de parvenir à fonctionner dans la gamme basse des températures (vers 700°C), car cela permet de choisir des plaques d’interconnexion en métal et non en céramique, gagnant ainsi sur la tenue mécanique et le coût. A titre d’exemple, le Centre de Recherches de Jülich (Allemagne) (Forschungszentrum Jülich) a annoncé, en avril 2002, le bon fonctionnement d’un module de 40 cellules planes fournissant 9,2 kWe à 850°C. En octobre 2015, Jülich a annoncé avoir atteint 70 000 heures de fonctionnement continu avec un module (cf. Fig. 5) fonctionnant à 700°C, battant ainsi le record de 69 000 h atteint par Westinghouse en technologie cylindrique. La technologie monolithique Cette technologie est une variante de la technologie plane ; elle en diffère par le fait que les composants se supportent mutuellement. La figure 4 montre les différences entre ces deux variantes.

Figure 4 – Les technologies plane et monolithique5

Figure 5 - Module plan testé par le Centre de Jülich

5 Extrait de la référence (1), voir §8

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6. Programmes de R&D Plusieurs pays (dont la France avec le CEA et le CNRS) ont inscrit le développement de la technologie SOFC dans leurs programmes de R&D sur les piles à combustible. Parmi ceux là, l’un des plus structurés fut le programme SECA6 (Solid State Energy Conversion Alliance Program) lancé en 2000 par l’US/DoE. Ce programme a été interrompu en 2012 sous cette forme mais se poursuit dans un autre cadre: le "Clean Coal Research Program7" du DoE/Office of Fossil Energy.

7. Acteurs industriels Ils sont extrêmement nombreux et une liste non exhaustive est donnée en annexe. Les activités de ces industriels couvrent plusieurs domaines : réalisation de composants, réalisation de cellules, réalisation de modules et/ou réalisation de systèmes complets, soit à partir de leurs technologies soit par intégration d’autres technologies.

8. Aspects économiques et industriels Très peu d’éléments sont disponibles sur le coût actuel de la technologie SOFC. Néanmoins, les objectifs sont les mêmes que pour les autres technologies : atteindre un coût de 175 $/kW pour le module (et 700 $/kW pour le système pile) pour les générateurs de grande puissance (objectifs DoE/SECA). Pour les systèmes dédiés au résidentiel (classe 0,7 kWe), le coût est plus élevé : des valeurs fournies récemment pour les chaudières électrogènes Ene.Farm (cf. fiche 9.3.2), donnent un coût de l'ordre de 15 000 € (hors installation) fin 2016 à comparer à un coût 10% inférieur pour le système PEMFC complet (reformeur inclus, c'est-à-dire alimenté en gaz naturel ou kérosène). En comparaison des autres types de piles à combustible, le nombre de piles SOFC et leur puissance cumulée commercialisés sont explicités sur la figure 6. On peut noter une forte croissance depuis 2012, essentiellement due aux programmes de piles stationnaires résidentielles au Japon et en Europe (respectivement les programmes Ene-Farm et Ene-Field) et au succès commercial des piles stationnaires de forte puissance de Bloom Energy aux USA.

Figure 6 - Evolution des ventes des divers types de piles à combustible de 2009 à 2016

6 http://www.netl.doe.gov/research/coal/energy-systems/fuel-cells/ 7 http://www.netl.doe.gov/File%20Library/Research/Coal/energy%20systems/fuel%20cells/Program-Plan-Solid-

Oxide-Fuel-Cells-2013.pdf

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9. La pile PCFC Une variante de la pile SOFC commence à intéresser certains acteurs: il s'agit d'une pile à haute température fonctionnant à température plus basse (350 - 600°C) que la SOFC, non pas par transfert d'ions négatifs (O2-), mais de protons, toujours au sein d'une céramique. Elle est baptisée PCFC, pour "Protonic Ceramic Fuel Cell". Des résultats encourageants ont été publiés, en août 2015, par la Colorado School of Mines, USA, et par le Petroleum Institute à Abu Dhabi et en mars 2016 par un laboratoire coréen8 qui a mis en oeuvre un électrolyte baptisé BCZY (Ni–BaCe0.5Zr0.35Y0.15O3−δ) d'épaisseur 2 µ et testé à 600°C.

10. Bibliographie (1) -The fuel cell review 2013 (Fuel Cell Today) http://www.fuelcelltoday.com/media/1889744/fct_review_2013.pdf (2) SOFC’s - A global Strategic Business Report– Rapport publié en septembre 2010 par Global Industry Analyst (4 500 €) – 277 pages (3) - Solid Oxide Fuel Cells - Eileen J. De Guire - 2013 - http://www.csa.com/discoveryguides/fuecel/overview.php

Annexe

Liste des acteurs industriels

La liste ci-après rassemble une grande partie des acteurs de la technologie SOFC, qu’ils soient fournisseurs de composants, de cellules, de modules ou de systèmes. Les acteurs japonais ont été rassemblés dans une liste unique donnée à la suite. 1 - Siemens (Allemagne) avait débuté ses travaux sur le sujet dans les années 70. Il s’est associé en 1998 à Westinghouse aux USA qui était le leader en technologie cylindrique et qui avait réalisé, dès 1997, le premier prototype au monde de 100 kWe. Il a été testé à Arnhem, aux Pays-Bas, sur plus de 16 000 h, puis réinstallé à Essen (Allemagne), où il a totalisé plus de 20 000h de fonctionnement, fin 2000. Une installation d’une puissance de 220 kW a été faite à Irvine (Californie) en 2002 où elle a fonctionné 3 000h ; elle était couplée à une turbine à gaz. Son rendement électrique global a atteint 59% (figure 7). Puis, Siemens-Westinghouse devenu Siemens Energy a démarré une collaboration de 10 ans avec le programme DoE/SECA. Le modèle CHP 250 a été testé à Toronto, puis à Hanovre et en Alaska ; le dernier modèle installé date de 2006. Cette activité s'est ensuite interrompue en 2009. 2 – HEXIS AG9 (Suisse), en technologie semi-plane (cf. Fig. 8), a développé le système Sulzer Hexis. La température de fonctionnement se situe dans la gamme 900-1000°C. Les composants majeurs sont fabriqués par SOFCo, (racheté depuis par Rolls Royce), (cellule de la forme d’un disque) et Plansee, Autriche (interconnexion métallique). Son système actuel est le Galileo 1000N (cf. Fig. 9), chaudière électrogène en cogénération fournissant 1kWe + 2 kW th, déployé dans le cadre du programme allemand Callux et du programme européen Ene.Field.

8 High-Performance Protonic Ceramic Fuel Cells with Thin-Film Yttrium-Doped Barium Cerate–Zirconate

Electrolytes on Compositionally Gradient Anodes. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8 (14), pp 9097–9103 9 http://www.hexis.com/

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Figure 7 – L’installation Siemens-Westinghouse de Irvine (220 kW) (2002)

AirAir

HH22/CH/CH44

Sortie desSortie des

gazgaz

Plaque bipolaire : La, Mg, CrOPlaque bipolaire : La, Mg, CrO33

Cathode : La, Cathode : La, SrSr, MnO, MnO22

ElectrolyteElectrolyte : ZrO: ZrO22/Y/Y22OO33, CeO, CeO22

Anode : Cermet NiAnode : Cermet Ni-- ZrOZrO22

Plaque bipolairePlaque bipolaire

AirAir

HH22/CH/CH44


gazgaz

AirAir

HH22/CH/CH44


gazgaz

Plaque bipolaire : La, Mg, CrOPlaque bipolaire : La, Mg, CrO33

Cathode : La, Cathode : La, SrSr, MnO, MnO22

ElectrolyteElectrolyte : ZrO: ZrO22/Y/Y22OO33, CeO, CeO22

Anode : Cermet NiAnode : Cermet Ni-- ZrOZrO22

Plaque bipolairePlaque bipolaire

Figure 8 – La technologie Hexis 3 – FuelCell Energy10 (FCE) développe le système SOFC en complément de sa technologie MCFC Direct Fuel Cell, pour des systèmes hybrides pile SOFC/turbine à gaz dans la gamme 14 – 40 MWe. Depuis 2012, FCE teste un module de 60 kWe dont les éléments ont été fournis par Versa Power Systems Inc. 4 - Ceramatec11 (USA) est un fournisseur de technologies céramiques pour les SOFC. Il est associé depuis 2008 à CoorsTek, lui aussi spécialiste des composants en céramique et propriétaire, depuis 2010, du département « Céramiques Avancées » de St Gobain. 5 - Acumentrics Corp12. (USA) développe la technologie tubulaire pour des générateurs transportables SOFC, en particulier pour des applications militaires. 6 - Rolls-Royce Fuel Cells Systems Limited (RRFCS)13 développe des piles SOFC à technologie plane. Il avait reçu, en septembre 2003, une aide de l’UE pour le développement d’une pile SOFC

10 http://www.fuelcellenergy.com/ 11 http://www.ceramatec.com/ 12 http://www.acumentrics.com/sofc-products-fuel-cell-technology.htm

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dans la gamme du MW, alimentée en gaz naturel. Gaz de France était partenaire du projet pour l’analyse et le test du système. 7 - Delphi14 (USA), équipementier automobile, a démarré ses travaux sur la pile SOFC en 1998. Il a collaboré avec le DoE dans le cadre du programme SECA. Il développe, à partir de technologies d’autres fabricants, des générateurs type APU (Auxiliary Power Unit) de 5 kW, en technologie planaire, pour le secteur des poids lourds (des tests ont validé ce concept en 2009 sur un camion Peterbilt Model 386 (cf. Fig. 10) dont la pile a assuré les fonctions de bord électriques et l’air conditionné pendant 10 heures). La pile est alimentée en carburant liquide (notamment gazole). Depuis 2011, Delphi s'est montré très discret sur ses éventuels travaux en cours sur cette technologie.

Figure 9 – Le cogénérateur Galileo 1000 N de Hexis (2014)

8 - Topsoe Fuel Cell A/S15 (Danemark) développait des piles SOFC dans la gamme 1 – 20 kWe, en technologie plane. Cette société a mis en service, en juin 2014, son premier prototype de cogénérateur 1,5 kW baptisé Power Core. Il est installé au Danemark dans le cadre du programme national danois DMKV. Mais en août 2014, DTU Energy Conversion a décidé de cesser, pour des raisons financières, les activités "piles à combustible" de sa filiale "Topsoe Fuel

13 http://www.rolls-royce.com/energy/energy_products/fuel_cells/ 14 http://delphi.com/manufacturers/auto/fuelcells/ 15 http://www.topsoefuelcell.com/TopNavigation/Sitemap.aspx

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Cell" pour recentrer ses compétences sur l'électrolyse haute température SOEC. Néanmoins, DTU poursuit le développement de piles SOFC.

Figure 10 – APU SOFC Delphi monté sur camion (2009)

9 - Bloom Energy16, fondé en 2001, s’est fait connaître au début 2010 en présentant sa BloomBox, générateur électrique stationnaire à technologie SOFC. La cellule Bloom a une puissance unitaire de 25 We. Les modules fournissaient à l'origine une puissance de 100 kWe, mais les serveurs actuels ont une puissance unitaire de 200 kWe. Ce système est utilisé depuis juillet 2008 par plus de 25 sociétés comme eBay, Google, Walmart, AT&T ... Ce dernier avait acheté, en 2012, plusieurs systèmes pour une puissance totale de 17,1 MWe. En novembre 2013, Bloom avait installé plus de 100 MWe aux USA (cf. Fig. 11). Pour les applications plus récentes, consulter la Fiche 9.3.1. Son coût unitaire serait d’environ 700 k$. Le coût de l’électricité produite serait compris entre 9 et 10 cents$/kWh (de 10 à 14 c€/kWh), moins cher que l’électricité vendue en Californie. Le temps de retour annoncé par Bloom serait de 3 à 5 ans en Californie. Ce générateur est conçu pour deux combustibles : gaz naturel et biogaz.

Figure 11 - Une des installations Bloom chez AT&T

16 http://www.bloomenergy.com/

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10 - Wärtsilä (Finlande) développait la technologie SOFC (plane) depuis 2000. Elle fournissait des installations stationnaires dans la gamme 5 – 20 kWe sur la base de modules fabriqués par Topsoe. Son système WFC20 (20 kWe), testé en Finlande et alimenté en biogaz, a atteint 1500h de fonctionnement en février 2010. En janvier 2013, l'équipe SOFC a quitté Wärtsilä pour créer une nouvelle société baptisée Convion17 qui affiche ses ambitions dans la gamme de systèmes 50 - 300 kWe.

11 - Ceres Power18 (UK) développe –et a testé- des systèmes de cogénération de technologie SOFC pour les applications résidentielles (CHP). La technologie, de type planaire, utilise un électrolyte type CGO (Cerium Gadolinium Oxide) plutôt que le classique YSZ (Zircone stabilisée à l’oxyde d’Yttrium) ce qui permet de fonctionner à plus basse température (500 – 600°C) et d’utiliser des séparateurs bipolaires en acier inox et non en céramique. Cette technologie a été baptisée SteelCell™. La version 4 a été dévoilée en novembre 2016. L'application pour véhicules (Range Extender) est proposée.

12 - Ceramic Fuel Cells Ltd (CFCL) (Australie)19 développe des modules à pile à combustible SOFC destinés à des micro-CHP (applications résidentielles) baptisés BlueGen. Il participe à un programme de démonstration d’une trentaine de systèmes en Australie et a reçu des commandes de sociétés japonaises et européennes (en particulier en France dans le cadre d’un partenariat avec Gaz de France et de Dietrich Remeha). En septembre 2014, CFCL a annoncé avoir vendu 500 systèmes et avoir accumulé 5 millions d'heures de fonctionnement.

13 - Adaptive Materials Inc. (AMI) (USA) développe des systèmes portables en technologie SOFC pour des applications civiles et militaires.

14 - Fideris Inc.20 (USA) développe des bancs de test pour piles SOFC dans toutes les gammes de puissance.

15 - Staxera (Allemagne), filiale de Webasto AG, fabriquait des modules SOFC intégrables dans la gamme du kWe (de 1,1 à 1,7 kWe) et développait des systèmes complets jusqu’à 20 kWe pour les applications en cogénération fonctionnant au gaz naturel ou au biogaz. Elle a récemment fusionné avec la société allemande Sunfire21. A noter qu'en août 2015, Sunfire a délivré une pile de 50 kWe à ThyssenKrupp Marine Systems dans le cadre du projet e4ships. Cette pile est alimentée en diésel à bas taux de soufre (voir Fig. 12).. 16 - Versa Power Systems (USA) développait des piles SOFC en technologie plane dans la continuité de ce qui avait été étudié à partir de 1998 dans le cadre de la société Global ThermoElectric qui a disparu depuis. La technologie développée autorise un fonctionnement à 750°C dans la gamme 2 – 10 kWe. Cette société a été récemment reprise par FuelCell Energy (FCE).

17 - De Dietrich Thermique22, société franco-hollandaise, a intégré, en partenariat avec GDF Suez et la société australienne CFCL (fabricant de piles SOFC), une chaudière en cogénération dont les caractéristiques sont les suivantes : 2kWe avec un rendement de 60% pour la partie électrique et 15 kW pour la partie thermique couplée à un réservoir d’eau chaude sanitaire de 200 litres. Cette société participe au programme européen de cogénérateurs individuels à pile à combustible Ene.field

17 http://www.convion.fi/download/Convion_leaflet.pdf 18 http://www.cerespower.com 19 http://www.cfcl.com.au/ 20 http://www.fideris.com/ 21 http://www.sunfire.de/ 22 http://www.dedietrich-thermique.fr/

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Figure 12 - La pile Sunfire de 50 kWe (1975)

18 - Le groupe allemand Vaillant a présenté en 2011, un prototype de cogénérateur à pile SOFC pour l’habitat particulier, alimenté en gaz naturel, dans le cadre du projet allemand Calux. Vaillant a développé son système autour de la technologie de pile SOFC fabriquée par la société Staxera (voir ci-dessus). Depuis 2006 Vaillant travaille en collaboration avec la société allemande Webasto AG.

19 - La société suisse HTceramix, devenue SOFCPOWER, développe la technologie SOFC, en géométrie planaire, depuis 1999 et plus précisément sa technologie baptisée SOFConnex™. En 2010, un rendement électrique de 65% a été annoncé sur un module SOFCPower-HTCeramix à 750°C.

20 - La société américaine General Electric développe la technologie SOFC en géométrie planaire depuis le début des années 2000. En 2006, elle a présenté un module de 6kW dans le cadre d’un contrat avec le DoE/SECA.

21 - La compagnie américaine Protonex Technology Corporation23 développe la technologie SOFC, en géométrie tubulaire, destinée à des unités de faible puissance (500 – 1000 W), en particulier pour le compte de l’US Army.

22 - La société suisse ALMUS AG24 développe des modules SOFC, en technologie planaire, dans la gamme 100 – 1000W.

23 - La société américaine Violet Fuel Cell25 développe sa technologie originale SOFC Stick™, de type monolithe, intermédiaire entre la technologie cylindrique et la technologie planaire. Violet annonce que cette technologie permet d’atteindre une densité de puissance de 15kW/litre, soit 4 à 5 fois mieux que la technologie PEM. 24 - La société britannique Franklin Fuel Cells Inc (FFC) se présente comme intégrateur-fournisseur de systèmes SOFC en s’appuyant sur des fabricants de composants. Il est propriétaire d’une technologie originale pour l’anode (cuivre-Cérium) en remplacement du nickel généralement utilisé.

23 http://www.protonex.com/products 24 http://www.almus-ag.ch/ 25 http://www.violetfuelcellsticks.com/

Fiche 5.2.6


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25 - Les sociétés, allemande CeramTec26 et américaine ENrG27, (spécialiste des céramiques) développent et commercialisent des composants de piles SOFC. 26 - La société estonienne AS Elcogen28 développe et commercialise des anodes pour piles SOFC. 27 - La société allemande Kerafol - Keramische Folien GmbH29, spécialiste des céramiques, développe et commercialise des composants pour piles SOFC. 28 - La société américaine Watt Fuel Cell30 qui affirmait (octobre 2014) avoir la capacité de fabriquer 4 à 6 000 piles/an. 29 - La société américaine Dominovas Energy Corporation31 qui assemble des systèmes mettant en œuvre la pile SOFC. Elle a signé un accord avec Delphi en octobre 2014. 30 - La start-up française Sylfen32 qui a développé avec le CEA, un système réversible pile/électrolyseur (2016).

Acteurs japonais

31 - Mitsubishi Heavy Industries (MHI)33 développe plus particulièrement, depuis 2004, des unités de puissance et a atteint une durée de fonctionnement de 3 000 h, en septembre 2009, sur une pile SOFC de 200 kWe, fonctionnant à 900°C, couplée à une micro turbine à gaz, développée par Toyota Motor Corp., qui valorise les calories rejetées à haute température (cf. Fig. 12). Le système est baptisé FCCC (Fuel Cell Combined Cycle). Le rendement global attendu pour les grosses unités, serait de 70% (LHV).

Figure 13 – Le système 200 kWe SOFC-MGT de MHI

Dans le cadre d'un contrat avec le NEDO, MHI étudie, depuis 2012, un tel système à l'échelle de plusieurs centaines de MWe (cf. Fig. 14 et 15).

26 http://www.ceramtec.com/products/ 27 http://www.enrg-inc.com/ 28 http://www.elcogen.com/en/ 29 http://www.kerafol.com/ 30 http://www.wattfuelcell.com/ 31 http://www.dominovasenergy.com/ 32 http://sylfen.com/fr/accueil/ 33 https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/e483/e483009.pdf

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Figure 14 - Vue d'artiste d'une centrale MHI FCCC de plusieurs dizaines de MWe

32 - Chubu Electric Power Co.34 développe des systèmes SOFC (technologie plane) depuis 1995 en collaboration avec Mitsubishi Heavy Industries dans la gamme des dizaines de kWe. Des tests ont été réalisés sur des modules de 5 kW (1996), 15 kWe (2000) avec 7500 h de fonctionnement et 50 kWe (2003).

Figure 15 - Schéma de principe d'une centrale Mitsubishi FCCC

34 http://www.chuden.co.jp/english/corporate/rd/20000911_1.html

Fiche 5.2.6


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33 - Kansai Electric Power Co.35 développe des systèmes SOFC-IT fonctionnant dans la gamme 600 – 800°C grâce à l’utilisation d’un électrolyte en oxyde à base de gallate de lanthane. Cette gamme de température permet la mise en œuvre de séparateurs métalliques. La puissance des CHP développés est de 10 kWe et sont testés depuis 2006 dans le cadre de programmes du NEDO. 34 - Nippon Steel Corp.36 développe avec Sumitomo Corp. (Acumentrics aux USA) un générateur SOFC d’une dizaine de kWe en géométrie cylindrique : des tests ont été faits en 2007 sur une unité de 8,8 kWe qui a atteint 8 000 h de fonctionnement. 35 - NGK Insulators, Ltd.37 est un spécialiste des céramiques qui développe une technologie SOFC plane à moyenne température (600 – 800°C) grâce à la mise en œuvre d’un électrolyte céramique (zircone yttriée) ultra mince. 36 - Hosokawa Micron Corp.38 et l’Université d’Osaka développent des électrodes pour des piles SOFC à basse température (600°C) 37 -Toho Gas Co., Ltd39 développe une pile dans la gamme du kWe pour les applications résidentielles (CHP) (programme Ene.Farm), en collaboration avec Sumitomo Precision Products Co., Ltd. Il met en œuvre un électrolyte en oxyde de Zr stabilisé avec du Sc2O3. Ses démonstrations ont débuté en 2003. Il développe aussi des systèmes dans la gamme 3 – 5 kWe. 38 - Tokyo Gas, Kyocera Corp40 (fournisseur des modules SOFC), Osaka Gas, Toyota et Aisin développent une pile résidentielle (CHP) (programme Ene.Farm) dans la gamme du kWe (700 We) depuis 2004. Les premiers tests ont débuté en décembre 2009. Les rendements obtenus sont typiquement de 45% (LHV) en électrique + 40% (LHV) en thermique. 39 - Hitachi Shipbuilding Co., Ltd. a décidé de démarrer en 2014 la fabrication de piles SOFC de grande taille (50 kWe), en collaboration avec le fabricant finlandais Wärtsilä qui fabriquerait les stacks, le système étant développé par Hitachi. 40 - Nippon Oil Corp. et Kyocera Corp. se sont associés pour développer une pile stationnaire de type SOFC pour l’habitat, de la classe 1 kW (programme Ene.Farm). La taille serait deux fois plus petite qu’une pile de type PEFC et le coût serait abaissé.

41 - Osaka Gas Co., Ltd. a annoncé en novembre 2009 qu’elle commençait des tests sur la pile stationnaire SOFC pour l’habitat. Cette pile a été développée en collaboration avec Kyocera Corp. Toyota Motor Corp. et Aisin Seiki Co., Ltd.. 42 - Japan Energy, Sumitomo Precision Products., Co Ltd. et NGK Insulators, Ltd. ont annoncé en novembre 2009 le développement d’un cogénérateur (CHP) SOFC de 3 kWe alimenté en kérosène. 43- TOTO41 a annoncé en 2014 avoir développé un module SOFC commercial (de technologie cylindrique) fonctionnant à 700°C.

35 http://www.kepco.co.jp/english/ 36 http://www.nssmc.com/en/ 37 http://www.ngk.co.jp/english/research/energy.html 38 http://www.hosokawamicron.fr/template.asp?paid=180 39 http://www.tohogas.co.jp/lang-n/en/corporate/ 40 http://global.kyocera.com/news/2009/1204_kode.html 41 http://www.toto.co.jp/company/profile_en/technology/sofc/index.htm

la pile sofc - afhypac.org 5.2.6 - sofc... · nb : cette fiche, spécifique de la pile à...

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