Les piles à combustible (FC) sont des dispositifs électrochimiques qui convertissent l’hydrogène en électricité. Pour la plupart d’entre eux, l’eau est le seul sous-produit. Parmi les différents types de piles à combustible développées au cours des dernières décennies, nous nous intéressons aux piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), qui représentent 75% de la puissance totale déployée. Leur principe de base repose sur une membrane semi-perméable recouverte d’un catalyseur au platine, dont les pores sont trop petits pour laisser passer les atomes d’hydrogène. Lorsque de l’hydrogène est fourni sur l’anode, seuls les ions H + positifs peuvent traverser la membrane, tandis que les électrons sont collectés pour générer du courant. Côté cathodique, l’oxygène se recombine avec l’électron et l’ion H + pour former de l’eau pure, seul sous-produit de la réaction. Chaque membrane est fixée entre des plaques (appelées plaques bipolaires ou plaques à écoulement) qui répartissent uniformément l’oxygène – de l’air – et l’hydrogène sur la surface de la membrane. Ils assurent également le transport des électrons générés à son interface.

LE PEMFC À BASSE TEMPÉRATURE (LT-PEMFC)

Le LT-PEMFC est une technologie mature utilisée dans plusieurs industries, comme la production d’énergie de secours, les chariots élévateurs, les trains ou l’alimentation à distance. Mais ils atteignent désormais également les consommateurs, avec le marché de la mobilité en pleine croissance. La technologie souffre cependant de certains inconvénients qui sapent le tableau d’ensemble.

Les performances du LT-PEMFC dépendent vraiment de la pureté de l’hydrogène.

En effet, les membranes du LT-PEMFC peuvent être empoisonnées par des impuretés (comme le monoxyde de carbone) qui se lient durablement au catalyseur et dégradent durablement les performances globales de la cheminée. Pour cette raison, cette technologie ne peut utiliser que de l’hydrogène ultra-pur qui doit atteindre au moins 99,995% de pureté. À ce jour, l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau reste la seule source de carburant acceptable pour ces systèmes.

Les LT-PEMFC sont des systèmes complexes

La chimie de la membrane implique que l’humidi fi cation d’hydrogène doit être soigneusement contrôlée pour que la pile fonctionne correctement. Cela ajoute de nombreux auxiliaires complexes et encombrants comme les humidi fi cateurs et les soufflantes, ce qui réduit l’efficacité globale de la pile. Même si des étapes importantes ont été franchies à cet égard, la complexité du système d’humidification reste un problème majeur pour la plupart des industriels. Enfin, lorsque l’hydrogène et l’oxygène se recombinent pour produire de l’eau, les gouttelettes bloquent les minuscules canaux utilisés pour l’admission du carburant. Cela conduit à une conception de plaque d’écoulement complexe et coûteuse afin d’aider à l’élimination de l’eau.

LE PEMFC HAUTE TEMPÉRATURE (HT-PEMFC) Pour atténuer les inconvénients du LT-PEMFC décrits ci-dessus, des systèmes plus simples et plus tolérants aux impuretés sont apparus. Ils utilisent des membranes dopées à l’acide phosphorique (PBI pour membrane Polybenzimidazole) et fonctionnent dans une plage de 160-180 ° C.

Système simplifié…

Le système d’humidi fi cation présent sur le LT-PEMFC n’est plus pertinent, car la membrane utilise de l’acide phosphorique comme milieu conducteur, de sorte que l’humidité hydrogène incontrôlée est juste. Toujours en parlant d’eau, les systèmes à haute température (bien au-dessus du point d’ébullition) n’ont plus d’effet de blocage de canal comme celui décrit ci-dessus.

… Pouvant utiliser différentes sources de gaz

HT-PEMFC a également l’énorme avantage d’être tolérant à une quantité massive d’impuretés. Un millier de fois plus tolérant que le LT-PEMFC! Le HT-PEMFC peut alors fonctionner avec de nombreux carburants di ff érents, de l’électrolyseur au biogaz, en passant par le méthanol ou le gaz naturel facilement disponibles.

Une efficacité plus élevée

Étant donné que les HT-PEMFC fonctionnent à des températures plus élevées, la chaleur générée peut être valorisée dans des systèmes de chaleur et d’électricité micro-combinés (micro-cogénération). Ainsi, ils sont des candidats parfaits pour un usage domestique, avec une e ffi cacité globale allant jusqu’à 95%.