2021-2022 / CHIM0664-1

Electrochemical energy conversion and storage

Durée

15h Th, 15h Labo.

Nombre de crédits

 Master : ingénieur civil en chimie et science des matériaux, à finalité3 crédits 
 Master : ingénieur civil électricien, à finalité3 crédits 
 Master : ingénieur civil électromécanicien, à finalité3 crédits 
 Master : ingénieur civil physicien, à finalité3 crédits 

Enseignant

Nathalie Job

Langue(s) de l'unité d'enseignement

Langue anglaise

Organisation et évaluation

Enseignement au premier quadrimestre, examen en janvier

Horaire

Horaire en ligne

Unités d'enseignement prérequises et corequises

Les unités prérequises ou corequises sont présentées au sein de chaque programme

Contenus de l'unité d'enseignement

Le cours aborde le principe de fonctionnement des différents systèmes de stockage et de restitution de l'énergie par voie électrochimiques existant sur le marché (ou toujours à l'étude) comme les batteries, les piles à combustible ou les supercapacités.


Le cours comprend cinq chapitres :
1- Introduction : bref rappel du contexte, de l'historique et des perspectives de développements des PACs, des batteries et des supercapacités ;
2- Electrochimie générale - systèmes en fonctionnement réversible : rappel des notions élémentaires d'électrochimie (réactions rédox, cellules électrochimiques, force électromotrice standard et non standard) et de thermodynamique (thermodynamique des systèmes électrochimiques réversibles) ;
3- Description des cellules électrochimiques : principe de fonctionnement des générateurs primaires (piles) et secondaires (batteries), des différents types de piles à combustible, des capacités et supercapacités, et comparaison des différents domaines de fonctionnement de ces systèmes ;
4- Cellules réelles en fonctionnement : rendement, relation tension-courant, surtensions, cas du fonctionnement réel détaillé des piles à électrolyte membrane polymère (PEMFCs), méthodes de caractérisation des éléments et des systèmes en fonctionnement;
5- Gestion du combustible hydrogène (production, stockage et distribution), gaz naturel, autres ; aspects « sécurité » liés à l'hydrogène : propriétés de l'hydrogène, risques associés, normes et règlementations.

Acquis d'apprentissage (objectifs d'apprentissage) de l'unité d'enseignement

Au terme du cours, l'étudiant sera capable de
1- détailler le fonctionnement des systèmes électrochimiques, en particulier les piles à combustible mais également les batteries et les supercapacités ;l
2- identifier et expliquer les sources de pertes de rendement (limitations) liées au fonctionnement réel des systèmes électrochimiques ;
3- identifier les avantages/difficultés liées au fonctionnement et à l'utilisation de chacun des systèmes électrochimiques étudiés (PACs, batteries, supercapacités), les coûts associés et les possibilités d'amélioration des systèmes ;
4- identifier les risques liés à la fabrication, au stockage et à l'utilisation des différents combustibles ;
5- réaliser la caractérisation électrochimique complète d'une PEMFC, d'une supercapacité ou d'une batterie Li-ions sur banc d'essai.

Savoirs et compétences prérequis

Le cours s'appuie sur des notions élémentaires de physique, de chimie et de thermodynamique.
Cours prérequis :
Chimie (CHIM9272-2 et CHIM9273-1) 
Eléments de thermodynamique (CHIM0286-1)
Physique (PHYS2020 et PHYS2021)
ou équivalent

Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement

Le cours repose (i) sur des exposés en présentiel (15 heures) and (ii) sur des travaux pratique en laboratoire (15h).
Plus spécifiquement, les travaux de laboratoire portent sur des mesures de caractérisation électrochimiques de systèmes tels que les piles à combustible de type PEM, les supercapacités ou les batteries Li-ions, et le calcul de paramètres de fonctionnement.
Ces différentes approches de la matière sont complémentaires et forment un tout cohérent. Le cours étant généralement dispensé à de petits groupes d'étudiants, l'interaction avec l'enseignant durant le cours et les travaux pratiques de laboratoire restent la voie privilégiée d'échange d'information et de résolution de questions précises.

Mode d'enseignement (présentiel, à distance, hybride)

Cours (6 x 2h30) et travaux pratiques (3 demi-journées) en présentiel. Présence obligatoire aux séances de travaux pratiques. Cours dispensé en anglais.

Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours

Les présentations projetées pendant le cours théorique sont mises à disposition de l'étudiant via e-Campus. Comme le cours est donné en mode "séminaire", ces slides peuvent ne pas être autoporteurs et nécessitent une prise de note des étudiants qui pourra être complétée par des recherches personnelles. Une liste bibliographique recommandée est mentionnée dans les notes de cours, mais les étudiants sont encouragés à la compléter.

Modalités d'évaluation et critères

Examen(s) en session

Toutes sessions confondues

- En présentiel

évaluation orale

Travail à rendre - rapport


Explications complémentaires:

  • Un examen oral est organisé pendant la session de janvier et celle de septembre. L'examen comporte à la fois des questions de base portant sur la maîtrise et la connaissance des notions fondamentales enseignées au cours, et sur la résolution de problèmes semblables à ceux rencontrés lors des travaux pratiques (calcul de paramètres de fonctionnement des systèmes électrochimiques à partir de données mesurables expérimentalement). Ces questions ouvertes permettent une évaluation de la capacité de l'étudiant à comprendre et appliquer les concepts enseignés plutôt qu'à les restituer tels quels.
 






  • En ce qui concerne le travail de laboratoire, une date de remise du rapport est fixée en accord avec les étudiants. Tout dépassement de cette date entraîne une pénalité au niveau de la note concernant les séances pratiques (-2 points sur la note finale par jour de retard, week-end inclus).
 






  • La note finale est établie sur base de l'examen oral (70%), du rapport de laboratoire et sur sa participation active aux travaux pratiques (30%). Si elle est supérieure ou égale à 10/20, la note du laboratoire peut être reportée de la première à la seconde session.  En cas d'échec en seconde session, aucune dispense partielle n'est accordée pour l'une des activités organisées dans le cadre du cours. 

Stage(s)

Remarques organisationnelles

Le cours est dispensé au premier quadrimestre (6 séances, le mardi après-midi à partir du 15/09)

Les laboratoires sont organisés en 3 demi-journées au premier quadrimestre (horaire à définir)

Contacts

Prof. Nathalie Job
Department of Chemical Engineering, B6a
Tel: 04/366.35.37 - Nathalie.Job@uliege.be