La pile PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Généralités sur la PEMFC

Au début des années 1960, les PEMFCs ont été inventées par Willard Thomas Grubb et Lee Niedrach de General Electric. Des membranes en polystyrène sulfoné étaient initialement utilisées comme électrolyte, mais elles ont été remplacées en 1966 par la membrane perfluorosulfonée, Nafion®, fabriquée par la société Dupont de Nemours, supérieure en performance et durabilité [25]. Malgré les succès dans les programmes spatiaux Gemini de la NASA, les applications des piles à combustible La pile PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Chapitre I Contexte énergétique et technologique 28 PEMFC étaient limitées en raison de leur coût élevé. Malgré une forte réduction des coûts de fabrication, les PEMFC restent toujours très onéreuses, notamment à cause de l’utilisation du platine, nécessaire à l’augmentation des cinétiques des réactions électrochimiques, et du coût des membranes échangeuses d’ions [25]. I.4 .2.Principe : La PEMFC est une pile à combustible fonctionnant à basse température (< 100 °C), permettant ainsi un démarrage rapide et une grande souplesse de fonctionnement. Le principe est relativement simple et peut être décrit comme une électrolyse inverse : il s’agit d’une combustion électrochimique d’hydrogène et d’oxygène avec production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur, (cf. Figure. I. 11).

Architecture de la PEMFC

L’élément de base principal du cœur de la pile est la cellule élémentaire. Celle_ci est constituée d’un empilement regroupant les électrodes (anode et cathode), l’électrolyte (membrane), les couches de diffusion et les plaques bipolaires [27]. (cf. Figure.I.12). a) empilement des PACs b)une pac c)géomitrie de l’anode et la cathode d)représentation en 2D des couches de la pac .

Les électrodes (anode et cathode) 

Les électrodes sont le siège des réactions chimiques d’oxydoréduction qui mettent en jeu à la fois l’oxygène, les protons en solution (H+ ) et le platine (catalyseur solide). Elles créent ainsi une zone de triple contact au niveau du site réactionnel. Les électrodes ont une triple fonction [28] :  Supporter le catalyseur finement divisé et permettre son contact avec les gaz.  Permettre aux protons de se déplacer depuis les sites catalytiques d’oxydation de l’hydrogène, vers les sites de réduction de l’oxygène.  Évacuer les électrons des sites catalytiques anodiques et les redistribuer sur les sites catalytiques cathodiques. Figure. I. 13 .Représentation schématique d’un point triple. Le catalyseur : Le catalyseur le plus utilisé pour les électrodes est le platine pur ou allié à un élément de transition (Chrome, Manganèse, Nickel, Cobalt, Fer). En effet, le platine est le seul métal qui possède l’activité électro-catalytique suffisante vis-à-vis de la réduction d’oxygène et de l’oxydation de l’hydrogène. De plus, il résiste durablement à la corrosion dans un tel environnement chimique très acide. Afin de favoriser la création de la zone du triple contact, les électrodes doivent présenter les caractéristiques suivantes :  Être poreuses pour permettre la diffusion des gaz jusqu’aux sites des réactions. Elles sont généralement en feutre de carbone ou en papier carbone.   Être imprégnées d’une pâte constituée de catalyseur contenant du carbone platiné sur la face en contact avec l’électrolyte. La partie de l’électrode imprégnée de pâte constitue la zone active et la partie non imprégnée constitue la zone diffusionnelle.  Avoir un caractère hydrophobe pour faciliter l’évacuation de l’eau. Un matériau de type PTFE (Téflon) est généralement ajouté. L’évacuation de l’eau est primordiale pour une PAC afin d’éviter le noyage qui représente une source de dysfonctionnement.  Être de bons conducteurs électroniques pour assurer la collecte des électrons et leur conduction vers les plaques bipolaires.  Être flexibles pour augmenter la surface de contact avec l’électrolyte. Le platine convient parfaitement pour une alimentation en gaz très purs (hydrogène et oxygène). Côté hydrogène, on fonctionne avec une qualité dite 99,999% c’est dire qu’il n’y a que 10ppm de gaz autre que l’hydrogène (on peut trouver du gaz de qualité 99,9995% mais le prix est en conséquence). Côté anode on utilise, sauf pour les applications anaérobies de l’air ambiant. La qualité ne peut être garantie et il y a toujours présence de monoxyde de carbone (CO) qui est un véritable poison pour le platine. Les molécules de CO s’adsorbent à la surface du platine et bloquent l’accès à l’hydrogène. Pour y remédier on utilise un mélange platine-ruthénium à proportions à peu près égales. Une autre solution serait de fonctionner à température plus élevée mais nous avons vu que pour le moment, les membranes ne le permettent pas. Le soufre est également un poison pour le catalyseur et les hydrocarbures utilisés à l’entrée d’un reformeur pour générer l’hydrogène doivent être soigneusement désulfurés. 

L’électrolyte (membrane)

 L’électrolyte (cœur de la cellule) est une membrane conductrice protonique. Il est pris entre deux électrodes intégrées entre les couches de diffusion. L’ensemble de tous ces éléments est assemblé entre deux plaques bipolaires .Son rôle principal est de permettre le transfert des protons H+ de l’anode vers la cathode tout en évitant le passage des électrons [29]. Cette fonction est d’une grande importance puisque ce sont ses propriétés de conduction qui conditionnent la recombinaison électrochimique de l’hydrogène avec l’oxygène, et donc les performances de la cellule. Les pertes ohmiques qui limitent le fonctionnement à hautes densités de courant sont principalement associées à la résistance électrique de la membrane qui est fonction de son épaisseur et de sa conductivité. L’électrolyte sert aussi de séparateur entre les deux demi réactions chimiques d’oxydoréduction. De ce fait, il doit être imperméable pour l’hydrogène et l’oxygène afin d’éviter le mélange des deux gaz. Il doit présenter aussi de bonnes propriétés de résistances mécanique et chimique face aux contraintes thermiques de pression et d’hydratation. En outre, il doit avoir la capacité de maintenir une teneur en eau élevée à haute température car cela conditionne les propriétés de conduction :  il doit rester bien hydraté pour permettre le déplacement des protons 𝐻 + mais en même temps il ne faut pas qu’il soit trop humidifié pour éviter le phénomène de noyage. En effet, une sur-humidification de la membrane conduit à son noyage et bloque par conséquent la diffusion des protons. En revanche, son assèchement augmente sa résistance électrique et provoque par suite une chute de rendement. Pour cette raison, la gestion de l’eau dans ce composant est l’un des problèmes majeurs dans les PAC.