Pile à combustible à membrane d'échange de protons - Définition

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- Introduction - Fonctionnement - Marché des PEMFC - Historique

Introduction

Diagramme d'une PEMFC.

Les piles à combustible à membrane d'échange de protons, connues aussi sous le nom de piles à combustible à membrane électrolyte polymère (ou PEMFC selon l'acronyme des expressions anglaises proton exchange membrane fuel cells ou polymer electrolyte membrane fuel cells) sont un type de piles à combustible développées pour des applications dans les transports aussi bien que pour des applications dans les portables. Leurs caractéristiques propres incluent un fonctionnement des gammes de basses pressions et températures et une membrane électrolyte polymère spécifique.

Fonctionnement

Réactions

Une PEMFC transforme l'énergie chimique libérée durant la réaction électrochimique du dihydrogène (H₂) et du dioxygène (O₂) en énergie électrique, processus "opposé" à la réaction thermochimique de ces deux corps produisant de l'énergie thermique. Un jet d'hydrogène est dirigé vers le côté anode de l'assemblage de la membrane-électrode (MEA). Il est à cet instant divisé catalytiquement en protons et électrons. Cette réaction d'oxydation dans la demi-cellule est décrite par :

$\mathrm{H}_2 \rightarrow \mathrm{2H}^+ + \mathrm{2e}^-$

Dans le même temps, un flux d'oxygène est dirigé du côté cathode du MEA. Les molécules de dioxygène réagissent avec les protons traversant la membrane électrolyte polymère et les électrons arrivant par le circuit externe afin de former des molécules d'eau. Cette réaction de réduction dans la demi-cellule électrolytique est :

$\mathrm{4H}^+ + \mathrm{4e}^- + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{2H}_2\mathrm{O}$

PEMFC : schéma d'application.

Membrane électrolyte polymère

Afin de fonctionner, la membrane doit conduire les ions hydrogène (protons), mais pas les électrons qui créeraient un court-circuit dans la pile à combustible. La membrane ne doit permettre à aucun gaz de passer de l'autre côté de la cellule, un problème aussi connu sous le nom de gas crossover (croisement de gaz). Enfin, la membrane doit être résistante à l'environnement réducteur à l'anode et, en même temps, à un environnement oxydant à la cathode.

Malheureusement, si la séparation de la molécule d'hydrogène est relativement facile en utilisant comme catalyseur du platine, séparer la molécule d'oxygène plus solide est plus difficile, ce qui cause des pertes électriques significatives. Un matériau de catalyse approprié pour ce processus n'a pas encore été découvert, et le platine reste la meilleure option. Une autre source significative de pertes est la résistance de la membrane au flux de protons, qui est minimisé en rendant cette membrane aussi fine que possible (de l'ordre de 50 μm).

La PEMFC est un candidat de premier plan pour les véhicules et d'autres applications mobiles de toutes tailles (jusqu'au téléphone mobile) en raison de sa compacité. Cependant, la gestion de l'eau est cruciale pour les performances : trop d'eau noiera la membrane, trop peu l'assèchera; dans les deux cas, le rendement sera faible. La gestion de l'eau est un sujet très pointu dans les systèmes PEM. De plus, la catalyse par platine sur la membrane est facilement empoisonné par le monoxyde de carbone CO (moins d'un ppm est habituellement accepté) et la membrane est sensible à des choses comme les ions métalliques, qui peuvent être introduits par la corrosion des palettes bipolaires métalliques.

Les systèmes PEM qui utilisent du méthanol (CH₃OH) reformé ont été proposés, comme dans le Necar 5 de Daimler Chrysler; le reformage du méthanol - c'est-à-dire le faire réagir pour obtenir de l'hydrogène - est cependant un processus très complexe, qui nécessite aussi une élimination du monoxyde de carbone produit par la réaction. Un catalyseur platine-ruthénium est nécessaire car du monoxyde de carbone va inévitablement atteindre la membrane. Le niveau atteint ne doit pas excéder les 10 ppm. On notera de plus que les temps nécessaires de démarrage de ces réacteurs de reformation sont de l'ordre d'une demi-heure. Cependant, et de manière alternative, le méthanol et autres biocarburants peuvent alimenter la PEMFC sans être reformés, ce qui en fait une DMFC. Ces procédés fonctionnent avec un succès limité.

Le type de membrane le plus couramment utilisé est le nafion ® de DuPont ®, qui est fndé sur une humidification de la membrane par de l'eau liquide pour le transport des protons. Cela implique une température de fonctionnement en deçà de 80 - 90 ˚C sous peine de voir la membrane sécher. D'autres types de membranes plus récents, basés sur le polybenzimidazole (PBI) ou l'acide phosphorique, peuvent atteindre 220 ˚C sans nécessiter de gestion d'eau : les hautes températures permettent de meilleurs efficacités et densités énergétiques, facilitent le refroidissement (en raison des marges de températures plus importantes), réduisent la sensibilité à l'empoisonnement au CO et accroissent le contrôle sur le processus (absence de gestion d'eau pour la membrane). Cependant, ces nouveaux types ne sont pas courants et la plupart des laboratoires de recherche utilisent le nafion, ce qui se retrouve dans leurs publications scientifiques. Parmi les entreprises produisant des membranes PBI on retrouve Celanese et PEMEAS, et il existe actuellement un projet de recherche européen travaillant sur ces membranes.