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Pile à Combustible (document provisoire) 1 Aspects généraux (source http://club

Pile à Combustible (document provisoire) 1 Aspects généraux (source http://club.pac.free.fr/version3/index2.html) La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC en anglais : Proton Exchange Membrane Fuel Cell) est certainement le type de pile à combustible jouissant des efforts les plus importants de recherche et développement. La principale origine en est que les PEMFC touchent potentiellement tous les secteurs d'activité et s'ouvrent ainsi des marchés importants. La principale caractéristique de la PEMFC est l'utilisation d'une membrane organique sélective aux protons qui joue le rôle d'électrolyte et de séparateur physique entre les deux électrodes d'une cellule élémentaire. La plus utilisée reste à ce jour le Nafion® (propriété de Dupont de Nemours). Nous verrons plus loin que des alternatives existent. Le principal écueil à l'utilisation de cette membrane est que, comme toute membrane organique, elle résiste mal aux températures élevées et impose ainsi que la pile de type PEMFC fonctionne à de basses températures, c'est à dire inférieures à 100 °C.Ainsi, à de telles températures, l'usage de catalyseurs aux électrodes devient une nécessité pour atteindre de bons rendements lors des conversions électrochimiques.Les principaux avantages des PEMFC résident dans leur compacité et, compte tenu de la température relativement basse, d'un temps de démarrage court, par comparaison aux technologies dites à haute température (MCFC et SOFC). Principe de fonctionnement Comme quasiment toutes les piles à combustible, le cœur de la PEMFC est alimentée en hydrogène (combustible) et en oxygène (comburant). Le dihydrogène, alimentant l'anode (pôle négatif), est oxydé en protons et libère deux électrons. Les deux électrons circulent vers la cathode via un circuit électrique extérieur (travail électrique) pendant que les protons rejoignent la cathode en traversant la membrane sélective aux protons. La cathode est quant à elle alimentée en oxygène de l'air et le réduit, créant ainsi ces ions oxyde. Combinés aux protons provenant de l'anode, ces ions oxyde conduisent à la formation d'une molécule d'eau.Cette réaction électrochimique est exothermique, ce qui implique qu'il faut extraire la chaleur produite par le cœur de la pile. Cette chaleur peut être dispersée vers l'extérieur de la pile ou mise à profit et exploitée. Les réactions mises en équation Anode : H2 > 2H+ + 2e— Cathode : O2 > 2 O2— Bilan : 2 H2 + O2 > 2 H2O A condition de ne faire entrer dans le cœur de pile que de l'hydrogène et de l'oxygène, la pile ne produit que de l'électricité, de la chaleur et de l'eau. 2 Les matériaux du cœur de pile L'électrolyte La PEMFC fonctionne à basse température, c'est à dire à une température généralement inférieure à 100 °C. La raison en est que le matériau faisant office d'électrolyte est une membrane échangeuse de protons. Autrement dit une membrane organique. Son rôle essentiel est d'assurer de manière sélective le passage de protons depuis l'anode, lieu de leur production, vers la cathode, lieu où ces protons s'associent aux ions oxyde pour former de l'eau. Si la pile fonctionnait à des températures supérieures, la membrane s'en trouverait endommagée de manière irreversible.Par ailleurs, les membranes existantes ont besoin d'être hydratées pour remplir leur rôle d'électrolyte. Des températures supérieures à 100 °C posent donc problème car l'eau est alors sous forme de vapeur. Si l'on réussit, dans les années à venir, à mettre au point des polymères qui résistent à des températures plus élevées, à la pression, tout en conservant leur caractère échangeur de protons, il suffira d'augmenter la pression à l'intérieur de la pile pour conserver l'eau sous sa forme liquide. La membrane aujourd'hui utilisée est généralement le NafionTM, un polymère carboné perfluoré (tous les atomes d'hydrogène sont remplacés par des atomes de fluor) contenant des groupements sulfonés, et d'une épaisseur de quelques centaines de micromètres au plus. Cette membrane est la propriété d'une société, Dupont de Nemours, et en possède donc l'exclusivité. Formule chimique développée du NafionTM. C'est pourquoi de nombreuses recherches sont menées depuis de nombreuses années afin de mettre au point un polymère de substitution qui répondrait mieux aux éxigences d'une PEMFC. Les objectifs à atteindre sont les suivants : un prix moins élevé (le Nafion coûte aujourd'hui près de 700 euros/m²) une meilleure résistance mécanique, notamment à des pressions plus élevées que la pression atmosphérique une meilleure conductivité ionique, c'est à dire une meilleure aptitude à laisser passer les protons une meilleure étanchéité aux combustibles injectés à l'anode, principalement s'il s'agit de méthanol (voir l'exposé technique sur les DMFC) une meilleure résistance aux nombreux arrêts et redémarrages de la pile, c'est à dire une durée de vie accrue Bien sûr, le futur polymère se devra de ne pas présenter de danger lors de sa manipulation 3 et être aussi facile à recycler que possible. Les électrodes Les éléctrodes sont aujourd'hui à base de platine. Ce métal répond à plusieurs impératifs : Compte tenu de la température relativement faible à laquelle fonctionne la PEMFC, les éléectrodes doivent catalyser les réactions d'oxydation du combustible et de réduction du comburant. Le platine est généralement un excellent catalyseur. Les électrodes doivent être stables dans le temps. Or la membrane aujourd'hui utilisée est fortement acide, ceui qui proscrit d'emblée des matériaux qui seraient certes de bons catalyseurs, mais qui subiraient la corrosion du fait de l'environnement acide du coeur de pile. A ce jour, le platine apparaît donc comme l'une des seules solutions possibles à ce problème. Le principal inconvénient de cette solution est que le platine est un métal rare et noble, donc coûteux. De nombreuses recherches sont faites dans le monde pour tenter de remplacer le platine par d'autres matériaux et pour tenter de diminuer les quantités contenues dans les électrodes. Pour se donner une idée de la quantité de platine embarquée dans une pile, il faut savoir que'il faut compter entre 0,1 mg et 1 mg de platine par centimètre carré d'électrode. Une pile complète embarquera donc plusieurs grammes de ce précieux métal. Le platine est employé sous forme de particules nanométriques dispersées dans un support poreux et conducteur, généralement de la poudre de carbone. L'assemblage Une cellule élémentaire est l'assemblage des trois éléments essentiels : une anode, un électrolyte et une cathode. Dans le cas de la PEMFC, cet assemblage est solide et a une épaisseur de quelques centaines de micromètres. A ces trois éléments de base, il faut ajouter les couches de diffusion, qui permettent aux gaz (combustible et comburant) de se diffuser à la surface des électrodes, et les plaques bipolaires dont le rôle est multiple : elles permettent de distribuer les gaz, de collecter le courant électrique généré aux électrodes et éventuellement de réguler la température du coeur en faisant circuler un fuide caloporteur (généralement de l'eau) dans leur épaisseur. 4 Photographie d'un assemblage MEA (Membrane Electrode Assembly : assemblage électrodesmembrane) Vue éclatée d'une cellule de PEMFC. 1. Joint d'étanchéité 2. Couche de diffusion de gaz + collecteur de courant 3. Catalyseurs anodiques 4. Membrane 5. Catalyseurs cathodiques 6. Couche de diffusion de gaz + collecteur de courant 7. Joint d'étanchéité Le système complet Le coeur de la pile est le siège des réactions électrochimiques, seules génératrices du courant électrique. 5 Photographie d'un coeur de pile PEMFC (empilement de cellules élémentaires) Cependant, le coeur de pile ne peut fonctionner seul. Un certain nombre d'auxiliaires permettent au coeur de fonctionner. Il faut notamment compter : Un circuit de combustible (pompes, compresseurs, canalisations, reformeur). Le reformeur est un organe essentiel dans beaucoup d'installations : il permet de convertir un combustible primaire (gaz naturel, alcool, hydrocarbure,...) en hydrogène. Il est généralement directement accolé au coeur de pile qu'il dessert à la demande. Un éventuel système de stockage de combustible (hydrogène gazeux, liquide ou stocké sous forme chimique) Un circuit de comburant (pompes, compresseurs, canalisations) Un éventuel système de récupération de chaleur. Cette partie du système et essentielle dans le cas, par exemple, d'une installation stationnaire : elle sert à exploiter la chaleur dégagée par le système et à produire, par exemple, de l'eau chaude. La pile dégageant systématiquement de la chaleur, si celleci n'est pas exploitée, il conviendra alors de l'évacuer afin de ne pas provoquer une surchauffe du système. Le système de récupération de chaleur sera alors remplacé par un dispositif capable de la dissiper. Dans le cas d'une pile stationnaire, un onduleur est nécessaire pour transformer le courant électrique continu produit par la pile en courant alternatif. Un système de contrôlecommande qui pilote le système complet. 6 Schéma de principe d'un système complet (également valable pour d'autres types de piles que les PEMFC) Applications Quasiment tous les secteurs d'activité peuvent être touchés par la pile à combustible de type PEMFC. Le plus important est sans doute celui des transports. Il suffit de consulter des sites spécialisés sur les piles à combustible pour se rendre compte que très rares sont les constructeurs d'automobiles à ne pas avoir réalisé au moins un prototype de véhicule équipe d'une pile à combustible. Cette démarche répond à des impératifs forts : à court terme, la pression en termes de contraintes environnementales se fait chaque jour un peu plus forte et à long uploads/Finance/ pile-combustible.pdf