Projet ANR-13-ASTR-0004 – SUPERCAPAC : Stacks hybrides SUPERCAPACités – pile à combustible
Programme : Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation défense (ASTRID)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier LOTTIN (Fédération Jacques Villermaux (FR))
Partenaires : Fédération de Recherche Jacques Villermaux pour la Mécanique, l'Énergie, les Procédés; Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel
Montant : 291275.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Stacks hybrides SUPERCAPACités – pile à combustibleSUPERCAPAC concerne l'hybridation directe d'une pile à combustible de type PEMFC (pile à combustible à membrane polymère) et de supercapacités, avec pour objectif d'atteindre un haut degré d'intégration : construire un stack incorporant en son sein des supercapacités.Ces générateurs hybrides, d’une puissance de quelques dizaines de Watt à quelques kW, pourront convenir à un grand nombre d’applications nomades, stationnaires ou mobiles.
Améliorer la dynamique et la durée de vie des piles à combustibleLe stockage électrochimique concerne trois filières principales : les piles à combustible, les batteries, et les supercapacités. L’autonomie des piles à combustible n’est limitée que par la taille du réservoir d’hydrogène. Les batteries assurent à la fois les fonctions de stockage des réactifs (oxydant et réducteur) et de conversion électrochimique tandis que les supercapacités ne stockent que des charges électriques. Les piles à combustible présentent donc une autonomie potentiellement illimitée et une densité énergétique qui tend vers celle des réservoirs de stockage de l’hydrogène : plusieurs milliers de kWh/kg. En revanche, leur densité de puissance reste inférieure à celle des batteries et des supercapacités car elle est limitée par les flux de réactifs qu’il est possible de faire parvenir aux électrodes. A l’opposé, les supercapacités offrent d’excellentes valeurs de puissance spécifique tandis que l’énergie spécifique reste faible.Les piles et les supercapacités se distinguent également en termes de durée de vie et de cyclabilité. Les supercapacités peuvent être considérées comme robustes et donc parfaitement matures pour des applications contraignantes du point de vue de la sécurité (aéronautique) et/ou des conditions de fonctionnement (automobile : systèmes start & stop). Grâce à des progrès importants et réguliers, les piles à combustible peuvent atteindre aujourd’hui des durée de vies supérieures à 10000 heures lorsqu’elles sont utilisées en conditions stationnaires mais supportent encore assez mal les fréquents arrêts et démarrages ainsi que d’importantes variations de puissance : dans ce cas, 2000 heures de fonctionnement semblent constituer une limite difficile à dépasser.Le projet SUPERCAPAC vise donc à associer le plus intimement possible des cellules de pile à combustible à membrane et des supercapacités afin d'améliorer la densité de puissance, la densité énergétique, et la durabilité des piles de type PEMFC.
Les supercapacités au coeur des stacksL’originalité principale du projet réside dans la mise en œuvre d’une architecture innovante de stack permettant la connexion individuelle de chaque supercapacité avec une cellule de l'empilement. Comme la tension aux bornes d’une cellule ne dépasse pas 1,2 Volt, ceci autorise l’utilisation de supercapacités à électrolyte aqueux, peu chères, sans impact environnemental ni sanitaire, plus fiables et plus stables que les supercapacités à électrolyte organique aux températures de fonctionnement normales (50°C - 80°C) des piles à combustible à membrane.On utilisera dans un premier temps des supercondensateurs cylindriques standards du commerce pour développer un premier stack (empilement) hybride ; les supercondensateurs seront reliés à la pile grâce à des connecteurs externes.Au cours de cette première période, on mettra également au point des supercondensateurs plans à électrolyte aqueux destinés à être insérés dans un deuxième  stack en alternance avec chaque cellule élémentaire de la pile. Ce deuxième stack sera construit et testé au cours de la deuxième partie du projet.L'hybridation améliorera les caractéristiques de la pile à combustible en termes de puissance spécifique et celles des supercapacités en termes de densité énergétique : elle élargira leur gamme de fonctionnement. Le projet vise également l’augmentation de la durée de vie et de la fiabilité de la pile à combustible. En effet, les supercapacités permettront de limiter les transitoires de puissance auxquels la pile sera soumise ainsi que les dégradations liées aux cycles de marche/arrêt.On portera une grande attention aux coûts de fabrication, à la robustesse et à la simplicité du système, à travers le choix des composants, des matériaux et des technologies d’assemblage, et on cherchera à réduire la taille et le nombre d’auxiliaires (convertisseur DC/DC, humidificateur, et refroidissement liquide).
Résumé de la soumission : SUPERCAPAC est un projet pluridisciplinaire associant des spécialistes des matériaux (IMN – Institut Jean Rouxel à Nantes), des systèmes électrotechniques (GREEN à Nancy) et des phénomènes de transport (LEMTA à Nancy).SUPERCAPAC concerne l'hybridation directe d'une pile à combustible de type PEMFC (pile à combustible à membrane polymère) et de supercapacités, avec pour objectif d'atteindre un haut degré d'intégration : construire un stack incorporant en son sein des supercapacités.Ces générateurs hybrides, d’une puissance  de quelques dizaines de watts à quelques kW, pourront convenir à un grand nombre d’applications nomades, stationnaires ou mobiles, dont :•	Les groupes électrogènes silencieux, furtifs et non polluants.•	Les dispositifs de charge rapide des batteries.•	L’alimentation d’appareils électroniques portatifs, éventuellement sous forme centralisée (un seul générateur pour plusieurs appareils) comme dans le cas des équipements portés par le fantassin.•	Les systèmes auxiliaires de puissance (APU) pour véhicules.•	L’alimentation électrique de drones terrestres, sous-marins, voire aérien, avec des gains possibles en autonomie et en masse.L’originalité principale du projet réside dans la mise en œuvre d’une architecture innovante de stack permettant la connexion individuelle de chaque supercapacité avec une cellule de l'empilement. Comme la tension aux bornes d’une cellule ne dépasse pas 1,2 V, ceci autorise l’utilisation de supercapacités à électrolyte aqueux, peu coûteuses, sans impact environnemental ni sanitaire, plus fiables et plus stables que les supercapacités à électrolyte organique aux températures de fonctionnement normales (50°C - 80°C) des piles à combustible à membrane.On utilisera dans un premier temps des supercondensateurs standards cylindriques du commerce pour développer un premier stack (empilement) hybride ; les supercondensateurs seront reliés à la pile grâce à des connecteurs externes.Au cours de cette première période, on mettra également au point des supercondensateurs plans à électrolyte aqueux destinés à être insérés dans un deuxième  stack en alternance avec chaque cellule élémentaire de la pile. Ce deuxième stack sera construit et testé au cours de la deuxième partie du projet.L'hybridation améliorera les caractéristiques de la pile à combustible en termes de puissance spécifique et celles des supercapacités en termes de densité énergétique : elle élargira leur gamme de fonctionnement. Le projet vise également l’augmentation de la durée de vie et de la fiabilité de la pile à combustible. En effet, les supercapacités permettront de limiter les transitoires de puissance auxquels la pile sera soumise ainsi que les dégradations liées aux cycles de marche/arrêt.On portera une grande attention aux coûts de fabrication, à la robustesse et à la simplicité du système, à travers le choix des composants, des matériaux et des technologies d’assemblage, et on cherchera à réduire la taille et le nombre d’auxiliaires (convertisseur DC/DC, humidificateur, et refroidissement liquide).
Résultats : L'hybridation améliorera les caractéristiques de la pile à combustible en termes de puissance spécifique et celles des supercapacités en termes de densité énergétique : elle élargira leur gamme de fonctionnement. Le projet vise également l’augmentation de la durée de vie et de la fiabilité de la pile à combustible. En effet, les supercapacités permettront de limiter les transitoires de puissance auxquels la pile sera soumise ainsi que les dégradations liées aux cycles de marche/arrêt.
Perspectives : Ces générateurs hybrides, d’une puissance de quelques dizaines de Watt à quelques kW, pourront convenir à un grand nombre d’applications nomades, stationnaires ou mobiles, dont :
•	Les groupes électrogènes silencieux, furtifs et non polluants.
•	Les dispositifs de charge rapide des batteries.
•	L’alimentation d’appareils électroniques portatifs, éventuellement sous forme centralisée (un seul générateur pour plusieurs appareils) comme dans le cas des équipements portés par le fantassin.
•	Les systèmes auxiliaires de puissance (APU) pour véhicules.
•	L’alimentation électrique de drones terrestres ou sous-marins, avec des gains possibles en autonomie et en masse
Publications et brevets : -