1.6.2. Piles à membrane électrolyte
polymérique (PEMFC) :
Ce type de pile a été mis au point pour les
missions spatiales Gemini de la NASA dans les années 1960, mais
fût ensuite vite remplacé par des AFC, faute de rendement
suffisant. Cette technologie a connu des progrès énormes dans les
années 1980, notamment avec l'arrivée de nouvelles membranes de
types Nafion (fabriquées par la société Dupont de
Nemours), permettant d'envisager le recours à
la technologie des piles à combustible pour la
généralisation des applications. La PEMFC fonctionne à une
température d'environ 80°C, de façon à maintenir
l'eau
à l'état liquide dans la membrane. Les
réactions suivantes se produisent: A l'anode, on a:
2 H2 4 H+ + 4 e-
et à la cathode, on a:
O2 + 4 H+ + 4 e-
·2
H2O .
L'électrolyte est une membrane polymérique mince
qui permet le passage des protons (H+). Un catalyseur à base
de platine est utilisé aux électrodes. Le monoxyde de carbone
peut être absorbé sur ce catalyseur s'il n'est pas
éliminé pendant le procédé de purification,
d'où une diminution de l'efficacité de la pile à
combustible. De nombreux centres de recherche sont à la recherche des
catalyseurs plus robustes et moins chers, et des électrolytes
polymériques échangeur d'ions plus efficaces et également
moins coûteux.
Les plaques bipolaires peuvent être faites à partir
des feuilles de graphite, de composites ou de métaux à base de
carbone. [1,2]
1.6.3. La pile à acide phosphorique (PAFC) :
La pile à combustible à acide phosphorique est
le système le plus avancé dans le développement et la
commercialisation. Elle est principalement utilisée pour des
applications stationnaires, en tant que générateur
électrique. Des centrales électriques de type PAFC ont
été installées dans différents endroits dans le
monde pour fournir de l'électricité, du chauffage et de l'eau
chaude à certains villages, usines ou hôpitaux.
Les avantages des PAFC sont sa facilité de fabrication,
sa stabilité thermique et chimique et la faible volatilité de
l'électrolyte aux températures de fonctionnement (entre 150 et
220°C). Ces facteurs ont facilité le développement
commercial de ce type de système. Les réactions qui se produisent
dans une PAFC sont les mêmes que dans le cas de la PEMFC, avec des
températures de fonctionnement variant de 180 à 220°C, on a
donc
à l'anode:
2 H2
4 H+ + 4 e-
et à la cathode:
O2 + 4 H+ + 4 e-
·2
H2O
Les composants de ces deux dernières piles à
combustible (PAFC et PEMFC) sont très semblables, sauf pour ce qui est
de l'électrolyte. Dans le cas de la PAFC,
l'électrolyte est de l'acide phosphorique (aussi un
électrolyte conducteur de protons), un liquide, alors qu'il s'agit d'un
polymère solide dans le cas de la PEMFC. Au début du
développement des PAFC, on a utilisé l'acide phosphorique en
solution afin de limiter la corrosion de certains constituants de la pile. Mais
avec les progrès faits dans les matériaux utilisés pour la
construction des piles, la concentration en acide est maintenant de 100%.
L'acide est généralement stabilisé dans une matrice
à base de SiC. La forte concentration en acide augmente la
conductivité de l'électrolyte et réduit la corrosion du
support des électrodes en carbone.
Comme dans le cas des PEMFC, cette pile utilise des
électrodes de carbone, avec un catalyseur à base de platine, qui
permettent la diffusion des gaz. Les plaques bipolaires sont deux plaques
poreuses séparées par une mince feuille de graphite pour former
un substrat côtelé dans lequel l'électrolyte peut
être stocké. On procède actuellement à l'essai
d'autres catalyseurs pour ce type de piles à combustible: fer-cobalt,
titane, chrome, zirconium. [1,2]
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