Pile à combustible à membrane d'échange de protons

Article détaillé : Pile à combustible.

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 :

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 pour former des molécules d'eau. Cette réaction de réduction dans la demi-cellule électrolytique est :

PEMFC : schéma d'application.

Membrane électrolyte polymère

Pour 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 assez facile en utilisant comme catalyseur du platine, séparer la molécule d'oxygène plus solide est plus complexe, ce qui cause des pertes électriques significatives. Un matériau de catalyse approprié pour ce processus n'a pas toujours été toujours 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 envisageable (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) à cause de sa compacité. Cependant, la gestion de l'eau est principale 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 particulièrement pointu dans les dispositifs PEM. Qui plus est , la catalyse par platine sur la membrane est aisément empoisonné par le monoxyde de carbone CO (moins d'un ppm est généralement 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 dispositifs PEM qui utilisent du méthanol (CH₃OH) reconstitué ont été proposés, comme dans le Necar 5 de Daimler Chrysler; le reconstituage du méthanol - c'est-à-dire le faire réagir pour obtenir de l'hydrogène - est cependant un processus particulièrement complexe, qui nécessite aussi une élimination du monoxyde de carbone produit par la réaction. Un catalyseur platine-ruthénium est indispensable car du monoxyde de carbone va infailliblement atteindre la membrane. Le niveau atteint ne doit pas excéder les 10 ppm. On notera qui plus est que les temps nécessaires de démarrage de ces réacteurs de reconstituation sont de l'ordre d'une demi-heure. Cependant, et de manière alternative, le méthanol et autres biocarburants peuvent alimenter la PEMFC sans être reconstitués, ce qui en fait une DMFC. Ces procédés fonctionnent avec un succès limité.

Le type de membrane le plus fréquemment utilisé est le nafion ® de DuPont ®, qui est basé sur une humidification de la membrane par de l'eau liquide pour le transport des protons. Cela implique une température de fonctionnement en deça 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, favorisent le refroidissement (à cause des marges de températures plus importantes), diminuent la sensibilité à l'empoisennemt 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 majorité 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 aujourd'hui un projet de recherche européen œuvrant sur ces membranes.

Le rendement des PEM est de l'ordre de 40 à 50 %.

Historique

Avant l'invention des PEMFC, les types de piles à combustible existants comme les piles à combustible à oxyde solide étaient uniquement employés dans des conditions extrêmes. De telles piles nécessitaient qui plus est des matériaux particulièrement coûteux et ne pouvaient être utilisées que pour des applications statiques à cause de leur taille. Ces questions se posaient aussi pour les PEMFC. Les PEMFC furent découvertes au début des années 1960 par Willard Thomas Grubb et Lee Niedrach de General Electric (voir [1] en (en) ). Des membranes en polystyrène sulfonaté furent originellement utilisés pour les électrolytes, mais elles furent remplacées en 1966 par l'ionomère nafion, supérieur en performance et durabilité.

Les PEMFC furent utilisées pour les engins spatiaux du programme Gemini de la NASA, mais elles furent remplacées par des piles à combustible alcalines lors du programme Apollo et dans la navette spatiale. En parallèle avec Pratt & Whitney, General Electric développa la première pile à combustible à membrane échangeuse de protons pour les missions spatiales Gemini au début des années 1960. La première mission à utiliser les PEMFC fut Gemini V. Cependant, les missions spatiales Apollo et leurs "héritiers" Apollo-Soyouz, Skylab et la navette spatiale ont employé des piles à combustible basées sur les plans de Bacon, développés par Pratt & Whitney.

Des matériaux extrêmement coûteux furent utilisés, et les piles à combustible requéraient de l'hydrogène et de l'oxygène particulièrement purs. Les premières piles tendaient aussi à fonctionner sous hautes températures, constituant ainsi un problème pour de nombreuses applications. Cependant, les piles à combustible étaient perçues comme intéressantes à cause des larges quantités de combustibles disponibles (H₂, O₂).

Malgré leurs succès dans les programmes spatiaux, les dispositifs à piles à combustible étaient limités aux missions spatiales et autres applications spécifiques pour lesquels des coûts élevés pouvaient être tolérés. Ce ne fut qu'à la fin des années 1980 et du début des années 1990 que les piles à combustible devinrent une option réelle pour des applications de bases plus larges. De nombreuses innovations intéressantes, comme une baisse du besoin en platine comme catalyseur ou des électrodes en couches minces, conduirent à diminuer les coûts, rendant plus ou moins réaliste le développement des dispositifs PEMFC. Cependant, il existe un débat important sur l'intérêt de l'hydrogène comme combustible pour les véhicules depuis quelques décennies (on pourra voir à ce propos The Hype about Hydrogen par Joseph J. Romm, publié en 2004).

Marché des PEMFC

On pourra citer comme frabricants :

Liens externes

• (en) Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells
• (en) chembytes e-zine 2000 - Powering ahead
• (en) ReliOn, Inc. - About PEM Fuel Cells

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d'une traduction de l'article de Wikipédia en anglais intitulé «Proton exchange membrane fuel cell».