Type de Pile:
PEMFC
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Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)

      Les piles à combustibles avec une membrane permettant l'échange de proton présente beaucoup de potentiel de part leur simplicité. Elles sont communement connue sous le nom de Proton Exchange Membrane ou Polymer Electrolyte Membrane (PEM). Elles sont cependant moins connue sous le noms de Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell (SPEFC) ou Solid Electrolyte Fuel Cell ou encore Ion Exchange Membrane Fuel Cell (IEMFC). Au coeur de ce type de pile à combustible se trouve l'électrolyte, membrane en polymère. Dans ce type d'électrolyte, les ions négatifs (électrons) sont retenus par la structure de la membrane. Seuls les ions hydrogène (protons) sont mobiles et libres de transporter la charge positive à travers la membrane. Cette membrane est constitué d'un composé organique, fine, solid avec la consistence d'un filme en plastique d'une épaisseur caractérisitque de 2 à 7 feuilles de papier (50 et 200µm). Cette membrane doit resté saturée d'eau pour permettre le déplacement des particules. La conductivité ionique de la membrane dépend de la température de fonctionnement, la pression des gaz utulisé ainsi que l'hydratation de la membrane.

      D'un coté de la pile à combustible se trouve l'anode. L'anode est l'électrode ou l'oxydation (la libération d'électrons) à lieu. Dans une pile à combustible l'anode est électriquement négatif. Cette anode est constitué de platine uniformement placé sur des particules de carbone. Le catalyseur a pour bute d'accélerer le processus d'oxydation qui libère les électrons. C'est au niveau de l'anode que l'hydrogène entre en contacte avec un catalyseur en platine et qu'il y a libération d'électrons.

      De l'autre coté de la pile à combustible se trouve la cathode. La cathode est l'électrode ou la réduction (la capture d'électrons) à lieu.Dans une pile à combustible la cathode est électriquement positif. C'est au niveau de la cathode qu'il y a une entré d'air ou d'oxygène pure.

      Les protons passe à travers la membrane et son recombiné avec de l'oxygène de l'autre coté pour former de l'eau. L'eau ainsi que de la chaleur etant les seul "résidut" de la reaction. Les électrons, ne pouvant pas passer par la membrane, sont conduit par un circuit électrique extèrieur fournissant ainsi du courant. L'hydrogène fournie les électrons à une électrode (anode) alors que l'oxygène les recoit au niveau de l'autre électrode (cathode). Ce flux d'électron peut fournir le courant nécessaire au fonctionement d'un moteur électrique.

      Tandis que certain concurrent (tel que Ballard) cherche à reduire les coûts de production des membrane en polymère en se lancant dans la production de masse d'autre (tel que Siemens) on choisie l'innovation pour reduire leur coût de production. A cette fin il utulisé des techniques propise à la production de masse tel que la pression de tôle ondulé. En outre des effort son fait pour faire fonctionner les piles à combustible à une pression la plus faible possible afin de limiter le coût et l'espace nécessaire à la compression d'air.

      Les piles à combustible avec une membrane permettant l'échange de proton on une température de fonctionnement de 60 à 70°C et des pressions entre 1 et 5 bars. Dans ces conditions, elles se montrent très stables et résistantes, ce qui permettrait d'atteindre des durées de vie de 3000 à 4000h. A des températures supérieures à 90°C, les membranes ne retiennent plus l'eau et peuvent donc plus assurer une migration convenable des protons. Des recherches sont faites pour augmenter ces températures de fonctionnement à des niveaux de 160 à 180°C, ce qui permettrait d'augmenter l'activité des catalyseurs en platine des électrodes et d'éviter l'empoisonnement de l'anode par le CO. Par ailleurs, une température plus élevée de fonctionnement permettrait aussi d'améliorer le rendement thermique du système en permettant d'exploiter la chaleur des gaz en sortie de pile comme avec un système de cogénération. Pour atteindre des températures plus élevées, on pourrait faire travailler la membrane sous pression, mais cela augmenterait la consommation des auxiliaires et pourrait diminuer la durée de vie de la pile. Aussi s'oriente t on davantage vers des membranes fonctionnant à 160 et 180°C mais à pression ambiante et des recherches intensives portent sur de nouveaux matéraux polymères pouvant remplacer le Nafion.

      La gestion de l'eau presente une difficulté: d'une part, la membrane doit être constamment humidifiée (trop sèche, elle peut se rompre), ce qui impose que l'air et le carburant soient suffisamment humidifiés pour maintenir la membrane convenablement hydratée; mais d'autre part l'eau est un produit du fonctionnement de la pile, elle doit donc être évacuée. L'influence de l'humidification de la membrane se fait sentir aux densités de courant élevées: la tension chute alors particulièrement pour une membrane sèche.

     De même que la membrane, les électrodes sont chères en raison du platine. On cherche donc à diminuer les quantités de Pt utilisées: de gros progrès ont été réalisés faisant passer la teneur de 4 mg/cm2 à 0,1 mg/cm2 mais il semblerait qu'on ne puisse pas diminuer encore beaucoup cette teneur. Une solution possible serait de modifier l'architecture des électrodes puisqu'il a été montré que seulement 20 à 30% de ce métal est vraiment actif. L'autre possibilité consiste à faire fonctionner les piles sous une pression plus élevée, mais avec des conséquences sur la consommation du compresseur. Enfin, des recherches sont menées sur des alliages à base de platine pour l'anode (platine/ruthénium, platine/molybdène et platine/étain) qui fonctionneraient à des températures plus élevées mais permettraient d'atteindre des tolérances de l'ordre de 500 ppm de CO. A la cathode, les recherches sont orientées sur des alliages à base de métaux tel le chrome, le nickel ou le molybdène.