PEFMC: Pile à combustible à membrane échangeuse de protons

Les Piles à combustible à membrane échangeuse de proton (Proton Exchange Membran Fuell Cell en anglais, PEFMC) permettent de transformer de l’hydrogène en électricité en n’émettant que de l’eau. Leurs principaux composants sont deux électrodes recouvertes de platine séparées par une membrane polymère.

Découvert par Sir William Grove 1839, c’est dans les années 1960 qu’on a vu apparaître les PEMFC pour équiper des missions spatiales, comme le programme Gemini. Néanmoins, les programmes spatiaux suivants ont préféré des piles alcalines. Aujourd’hui, elles sont de nouveau sur le devant de la scène en raison de leur portabilité, pour équiper les véhicules à hydrogène.

Comme toutes les piles à combustible, elles permettent de transformer de l’hydrogène

Vous avez plusieurs composants, mais le plus important, et de loin, est l’assemblage membrane-électrodes.

Le fonctionnement de la pile à combustible à membrane échangeuse de protons

La PEMFC consiste à utiliser comme électrolyte une membrane qui laisse passer les protons, mais, n’étant pas conductive, bloque les électrons, qui doivent, du coup, passer par le circuit électrique conçu pour.

La composition de l’Assemblage Membrane Electrode (AME)

Le coeur de l’appareil est son AME. Rien de métaphysique, cela signifie Assemblage Membrane Electrode (en anglais: MEA, pour « Membrane Electrode Assembly« ). Il est composé de plusieurs couches:

  • la couche de catalyste (Catalyst Layer), où la réaction électrochimique se produit, où le gaz entre en contact avec l’électrode.
  • la couche de diffusion de gaz (Gas Diffusion Layer), par laquelle le gaz arrive en contact avec l’électrode.
  • la membrane, qui va garder les deux électrodes séparées, tout en laissant passer les protons.

A l’anode se produit la réaction de réduction () et à la cathode l’oxydation ().

Les matériaux qu’elle nécessite sont l’un des problèmes de la PAC échangeuse de protons. Les électrodes sont recouvertes de platine, un métal extrêmement cher. Les membranes les plus efficaces sont composées de Naflon, une substance développée par Dupont de Nemours.

Le fonctionnement de la PEMFC

Vous avez 3 grandes zones :

  • Une anode (oxydante, émettrice d’électrons). On va y injecter de l’hydrogène.
  • Une membrane polymère, qui tiendra le rôle d’électrolyte et va conduire les ions H+ de l’anode à la cathode tout en faisant obstacle aux électrons (forcés de suivre un circuit annexe). Le type de membrane le plus efficace est le « Nafion », un fluoropolymère fabriqué par DuPont.
  • Une cathode (réductrice, collectrice d’électrons), dans laquelle on va injecter du dioxygène (=pur ou dans l’air), qui va réagir avec les ions H+ et les électrons pour former de l’eau et de la chaleur.

Reprenons dans l’ordre :

  1. On injecte du dihydrogène sur l’anode, un catalyseur « constitué de nanoparticules de platine déposées sur des grains de carbone« , ce qui produit, par oxydation catalytique, des ions H+. H2 → 2H+  + 2e– 
  2. Ces derniers migrent à travers la membrane électrolyte pour retrouver la cathode. Pendant ce temps, les électrons, qui ne peuvent, eux, pas passer, sont détournés vers le circuit électrique.
  3. Les ions H+ arrivent à la cadhode où, mis en contact avec du dioxygène et en captant les électrons qui ressortent du circuit électrique, ils vont faire de l’eau, libérant ainsi de la chaleur. O2 + 4H+ + 4 e– → 2H2O + Q (chaleur)

Elle fonctionne à basse température (20-100°C).

L’AME ressemble un peu à un processeur et la miniaturisation est important pour augmenter l’efficacité. Ils sont ensuite réunis sous forme de « stacks », c’est-à-dire la mise en série de nombreuses unités, ce qui permettra de limiter les pertes de chaleurs et d’optimiser l’efficacité de l’appareil.Son efficience (l’énergie libérée sous forme électrique) est d’environ 50% (43 à 55% dans cet essai). Le reste l’est sous forme de chaleur.

Vous pouvez trouver son principe clairement expliqué sur cette vidéo du CEA (à partir de 3’00 ») :

L’assemblage membrane électrodes de la PEFMC

Compresseur, humidificateur, détendeur … les autres composants

Il y a également d’autres composants :

  • Le compresseur, pour maintenir la pression à l’intérieur du dispositif.
  • L’humidificateur, pour humidifier l’hydrogène et éviter que la membrane ne sèche, ce qui l’endommagerait.
  • Le détendeur, pour réduire la pression de l’hydrogène à l’entrée (qui passe de sa pression de stockage, soit 350-700bars pour les voitures à moins de 20 bars …)

Considérations pratiques

La PEMFC a plusieurs grands problèmes :

  • Le prix, notamment lié à l’utilisation de platine, un métal extrêmement cher, pour les électrodes
  • Les risques de contamination, requérant un dihydrogène très pur.
  • L’efficience: seule la moitié de l’énergie produite l’est sous dorme d’électricité …
  • La durabilité de la membrane

Le prix

Actuellement, le prix des PAC PEMFC est de l’ordre de 1000€/KW ou plus. Néanmoins, le prix pourrait être radicalement réduit grâce aux économies d’échelles et à la sophistication des processus à 40$/kW.

Bahman Zohuri, Hydrogen Energy, Challenges and Solutions for a Cleaner Future, 2019, p.44 ; Fait référence à Mass production cost of PEM fuel cell by learning curve

La membrane étant corrosive, les électrodes doivent pouvoir résister à la corrosion. Pour cela, on ne peut pas utiliser le nickel, qu’on utilise pour les PAC alcalines. On doit utiliser un métal noble: le platine.

Selon Bahman Zohuri (Hydrogen Energy, Challenges and Solutions for a Cleaner Future, 2019), « Platinum represents one of the largest cost components of a fuel cell ». (p.145)

Perspectives des PEMFC

Le problème du prix des électrodes

Une grande part des PEMFC tient au prix des membranes et des électrodes.

Le catalyseur (anode et cathode), en platine, est le principal responsable du coût élevé d’une PAC, à hauteur de 50% du coût d’un « coeur » de pile, et à hauteur de 25% du coût d’un « système PAC » complet. Le CEA-Liten étudie différentes options technologiques afin de réduire la charge en platine, sans perte notable des performances électrochimiques. Aujourd’hui, l’état de l’art se situe à des performances de 0,7-0,8 W/cm2 avec 0,6 mg de platine par cm2. Le cahier des charges des industriels de l’automobile vise 1 W/cm2 avec le moins de platine possible (idéalement 0,1-0,2 gPt/kW).

CEA (2012)

Améliorer la membrane

Selon le CEA, la membrane en Nafion ne supporterait pas des températures dépassant 80°C. Or, la réaction est plus efficiente à mesure qu’on élève la température plus élevée. « Les chercheurs travaillent sur des matériaux de membranes acceptant une température de fonctionnement de 120°C, au lieu de 80°C actuellement (l’objectif ultime serait d’at teindre 180 à 200°C) ». (CEA 2012)

Améliorer notre compréhension de la PAC en condition réelles d’utilisation

Les chercheurs travaillent à la modélisation et à la caractérisation fine des
éléments pouvant perturber le bon fonctionnement de la pile : mécanismes de
dégradation de la membrane et du vieillissement des assemblages membraneélectrode
(AME), effets de l’humidification, transferts à l’interface AME…

Pour aller plus loin :

  • Sénat, Définition et implications du concept de voiture propre, Rapport n° 125 (2005-2006) de MM. Christian CABAL, député et Claude GATIGNOL, député, fait au nom de l’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques, déposé le 14 décembre 2005, https://www.senat.fr/rap/r05-125/r05-12541.html
  • CEA 2010, Article très complet p.53 et suivant : https://www.cea.fr/multimedia/Documents/publications/clefs-cea/Clefs59-materiaux-fr.pdf