Élaboration et caractérisation de nouvelles membranes composites à conduction protonique pour les piles à combustible
Piles à combustible
Les piles à combustible sont des systèmes découverts au milieu du XIXe siècle, vers 1839, par Sir William Grove juriste au Royal Institut de Londres. Elles représentent aujourd’hui un enjeu considérable dans le cadre du développement des énergies renouvelables peu polluantes. Mais il a fallu attendre les années 1960 et les missions spatiales Gemini (1963) et Apollo (1969) de la NASA pour que cette technologie suscite à nouveau un intérêt. La pile à combustible (PAC) est un système électrochimique capable de convertir directement l’énergie chimique d’un carburant de type hydrogène ou méthanol en énergie électrique avec un haut rendement et une faible émission de polluants. Elle est constituée d’un empilement de différents éléments, anode, électrolyte solide et cathode, reliés par l’intermédiaire d’inter connecteurs formant ainsi un dispositif désigné le plus souvent par le terme anglais « Stacking ». Il est à noter que, le choix du combustible utilisé, la nature de l’électrolyte et la température de fonctionnement sont fonction du domaine d’application de la pile. En effet, cette approche de type PAC représente aujourd’hui un enjeu considérable dans le cadre du développement des énergies renouvelables peu polluantes et considérée comme une technologie prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre.
Les différents types de piles à combustible
Les piles à combustible sont des systèmes électrochimiques convertissant en électricité et en chaleur l’énergie chimique issue de réactions d’oxydo-réduction. L’hydrogène est oxydé à l’anode, tandis qu’à la cathode, l’oxygène est réduit dans son approche la plus classique . La réaction globale des piles à combustible est donc : H2 + ½ O2 → H2O Ces systèmes sont propres et ne rejettent le plus souvent que de l’eau. Il existe donc un grand nombre de familles de piles à combustible répertoriées dans le Tableau 1. Elles diffèrent de par la nature de électrolyte solide qu’elles utilisent, la température de fonctionnement et les réactions chimiques intermédiaires mises en jeu, mais le principe général reste inchangé . État de l’art Une caractéristique utilisée pour classer les piles est leur température de fonctionnement. En effet nous distinguons les PAC hautes températures ayant une température de fonctionnement supérieure à 250 °C telles que les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), les piles à carbonate fondu (MCFC) ou encore les piles à combustible à céramique conductrice de protons (PCFC) et les PAC ayant une température de fonctionnement inférieure à 250 °C constituées par les piles à acide phosphorique (PAFC), les piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEMFC), les piles à combustible à méthanol direct et au final, les piles à combustible alcaline (AFC)
Domaines d’application
Les piles à combustible (PAC) sont de plus en plus utilisées et ce dans divers secteurs industriels. Cependant, la majorité des études restent, pour l’instant, à l’échelle pilote du fait que ces systèmes ne sont pas technologiquement aboutis. En effet, le système PAC est encombrant ce qui limite ses champs d’utilisation à quelques secteurs où l’encombrement ne constitue pas un facteur limitant tel que le secteur aérospatial. Il permet aussi un meilleur rendement avec plus d’autonomie, le tout avec peu ou sans pollution par rapport aux batteries actuelles. De plus, les piles à combustibles n’ont pas besoin d’être rechargées, elles fonctionnent en continu et ce, tant qu’il reste du combustible. Les applications de telles piles sont nombreuses, et ont été envisagées pratiquement dans tous les secteurs économiques. Nous distinguons trois grands domaines d’applications : stationnaire, transport et portable. Pour les applications stationnaires, nous retrouverons préférentiellement les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et les piles à carbonate fondu (MCFC). Leur température de fonctionnement très élevée permet l’utilisation de gaz naturel comme combustible sans reformage préalable.La pile de type PEMFC et sa « cousine » à combustion directe du méthanol (DMFC) ont été retenues par tous les grands constructeurs automobiles comme convertisseur électrochimique pour des véhicules légers et par toutes les grandes sociétés de matériel électronique pour l’alimentation de leurs produits portables (téléphones, etc.). Mes travaux de thèse portent sur la pile PEMFC qui présente de nombreux avantages : i) aucune émission de dioxyde de carbone ii) un dispositif compact, léger et silencieux et iii) un électrolyte solide ce qui induit un assemblage plus facile et moins cher de ce type de dispositif. Sa description détaillée est présentée dans le paragraphe ci-après.
Principe d’une pile à combustible échangeuse de protons
La mise au point de piles à combustible à membrane à échangeuse de protons (PEMFC), performantes représente une étape critique dans le domaine des économies d’énergie proposées [10]. Elles sont aussi appelées piles à combustible à polymère solide (SPFC). Ces dispositifs ont été développés et fabriqués à petite échelle par General Electric aux États-Unis dans les années 1960 pour être utilisés par la NASA sur leurs premiers véhicules spatiaux habités. Ce type de pile fait actuellement l’objet des plus gros efforts de développement car elle permet de convertir l’énergie chimique d’un carburant (hydrogène, méthanol ou acide formique) en énergie électrique avec un haut rendement (60 %) et un minimum de pollution environnementale. Étant donné que les PEMFC sont modulaires et ont un design simple, elles peuvent être adaptées en fonction des exigences pour une variété d’applications ; elles ont le potentiel de révolutionner le transport, qui consomme 60 % de la production de pétrole dans le monde , d’améliorer la production d’électricité en mode stationnaire et peuvent aussi être utilisées pour des productions à petite échelle . La commercialisation généralisée et faciles des PEMFC a été bloquée par un coût de production élevé, notamment à cause des métaux précieux utilisés, la nécessité de progrès significatifs dans la production et le stockage de l’hydrogène et une durée de vie limitée en conditions de fonctionnement. Le cœur de la PEMFC repose sur une membrane électrolyte polymère (PEM) qui sépare les gaz réactifs et permet de conduire les protons comme il est montré dans la Figure 1.
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