Stacks hybrides SUPERCAPACités – pile à combustible – SUPERCAPAC

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 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).

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.

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

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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).