Les PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell) sont actuellement le type de pile le plus étudié. Leurs applications sont multiples autant dans le domaine automobile que dans le domaine stationnaire et portable. Elles portent également d'autres noms: SPEFC (Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell), Solid Electrolyte Fuel Cell ou encore Ion Exchange Membrane Fuel Cell (IEMFC).
Si elles sont si populaires par rapport aux autres types de piles, c'est qu'elles présentent plusieurs avantages:

  • elles ne sont pas sensibles au CO2 (comme l'est l'AFC);
  • leur faible température de fonctionnement, permettant un démarrage rapide, une plus grande souplesse de fonctionnement et une meilleure gestion thermique (moins de chaleur à évacuer);
  • elles sont multi-usage (effets de synergie) et couvrent un large spectre de puissance.
Cependant, elles présentent encore des problèmes qui doivent être réglés:
  • elles sont très sensibles au CO;
  • leur faible température de fonctionnement ne permet pas de bien valoriser la chaleur (notamment dans le cas d'applications stationnaires);
  • le catalyseur (Platine) coûte cher, de même que les plaques bipolaires et la membrane.

 

Caractéristiques des PEMFC     

Le coeur des piles de type PEMFC est constitué d'une membrane (l'électrolyte), des électrodes, des plaques de diffusion (backing) ainsi que des plaques bipolaires.

La PEMFC et ses composants

Membrane

L'une des caractéristiques essentielle de chaque type de pile est son électrolyte. Pour les AFC, l'électrolyte était liquide, ce qui entraînait soit la noyade des électrodes en cas d'excès de celui-ci, soit leur assèchement en cas de fuite; pour les piles PEMFC, l'électrolyte est une membrane polymère ionique de type acide: en général, il s'agit d'une membrane perfluorée sur laquelle sont greffés des groupements acides sulfonates SO3- ou COOH. Le premier modèle qui reste aujourd'hui de référence est celui de la firme Du Pont de Nemours: le Nafion, mais des membranes sont actuellement aussi fabriquées par d'autres concurrents: Asahi Chemicals, Gore, Dow Chemicals.

Dans ce type d'électrolyte, les ions négatifs sont retenus dans la structure de la membrane. Seuls les ions hydrogène H+ sont mobiles et libres de transporter la charge positive à travers la membrane, de l'anode vers la cathode et c'est ce mouvement associé à la circulation des électrons qui est à l'origine du courant produit. La conductivité ionique de la membrane dépend de la température, de la concentration en groupe acide et et de l'hydratation de la membrane: celle ci doit toujours rester saturée d'eau pour permettre le déplacement des ions H+.

Structure de la membrane Nafion

Autre propriété de la membrane: elle doit séparer efficacement les gaz: en effet tous sont susceptibles de passer à travers, en particulier l'hydrogène qui est le plus petit mais aussi l'azote ou l'oxygène. Il faut cependant éviter un court circuit chimique (par ex.: une réaction entre l'hydrogène et l'air) ou une baisse de rendement par dillution de l'hydrogène par l'azote.
Enfin, les électrons ne doivent pas pouvoir franchir la membrane.

Ces membranes fonctionnent à une température entre 60 et 90°C et à des pressions entre 1 et 5 bars. Dans ces conditions, elles se montrent très stables et résistantes, ce qui permettrait d'atteindre des durées de vie de 3000 à 4000h pour les transports d'ici 2005. Au delà de ces températures, leurs performances commencent à se dégrader.

Ces membranes ont une épaisseur entre 50 et 200µm. Les surfaces nécessaires dans une pile sont fonction de sa puissance; une pile de 30 kw doit posséder une surface de membrane de l'ordre de 10 m2 (avec 0,5 A/cm2 à 0,7 V). Mais elles restent encore très chères, de l'ordre de 2000 à 3000F/m2 en raison de leur fabrication délicate: pour être viables économiquement, il faudrait descendre au niveau de quelques centaines de francs/m2.

Le fonctionnement de ces membranes se révèle encore assez difficile en raison de la température de fonctionnement et de la gestion de l'humidité.
A des températures supérieures à 90°C, les membranes ne retiennent plus l'eau et peuvent donc plus assurer une migration convenable des protons. Des recherches sont faites pour augmenter ces températures de fonctionnement à des niveaux de 160 à 180°C, ce qui permettrait d'augmenter l'activité des catalyseurs en platine des électrodes et d'éviter l'empoisonnement de l'anode par le monoxyde de carbone. Par ailleurs, une température plus élevée de fonctionnement permettrait aussi d'améliorer le rendement thermique du système en permettant d'exploiter la chaleur des gaz en sortie de pile comme avec un système de cogénération. Pour atteindre des températures plus élevées, on pourrait faire travailler la membrane sous pression, mais cela augmenterait la consommation des auxiliaires et pourrait diminuer la durée de vie de la pile. Aussi s'oriente t on davantage vers des membranes fonctionnant à 160 - 180°C mais à pression ambiante et des recherches intensives portent sur de nouveaux matéraux polymères pouvant remplacer le Nafion.
Une solution actuellement à l'étude par le CEA est celle des membranes polyimides sulfonées, pouvant r6eacute;sister à de plus hautes températures. Des résultats semblent montrer que ces membranes ont des performances comparables à celles du Nafion.

La deuxième difficulté concerne la gestion de l'eau: d'une part, la membrane doit être constamment humidifiée (trop sèche, elle peut se rompre), ce qui impose que l'air et le carburant soient suffisamment humidifiés pour maintenir la membrane convenablement hydratée; mais d'autre part l'eau est un produit du fonctionnement de la pile, elle doit donc être évacuée. L'influence de l'humidification de la membrane se fait sentir aux densités de courant élevées: la tension chute alors particulièrement pour une membrane sèche.

Les électrodes

Dans la PEMFC, les électrodes sont à base de métaux précieux, surtout du platine, dont la teneur est de 0,1 à 1 mg/cm2. Il est sous forme de très fines particules sur du charbon actif à très grande surface spécifique. Les électrodes doivent permettre de dissocier l'hydrogène et le transfert des protons vers l'électrolyte.

Zone de triple contact

A l'anode, l'hydrogène diffuse à travers le matériau jusqu'à ce qu'il rencontre une particule de platine. Sous l'action du catalyseur, la molécule d'hydrogène se scinde en deux atomes d'hydrogène. Ceux ci forment alors une liaison avec deux atomes de platine, puis chacun se scinde en un électron et un proton H+ qui pourra alors traverser la membrane de l'anode vers la cathode.

Les réactions précédentes sont celles en présence du catalyseur Platine: la première est une étape longue d'adsorption et de dissociation.

A la cathode, on utilise aussi des catalyseurs à base de platine. Le mécanisme de réaction est là aussi assez complexe (étapes multiples).

Réaction dans la PEMFC

Bien qu'on utilise de l'air pour simplifier le système, l'utilisation d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène permet d'améliorer sensiblement les performances de la pile. Il reste à savoir si cette méthode qui est contrebalancée par une complexification du système est globalement bénéfique ou non.

Bien qu'elles ne soient pas consommées lors de la réaction, elles peuvent "s'user" par suite du frittage progressif des particules de catalyseur. Lorsque la pile est alimentée en hydrogène pur, il n'y a pas de problème; en revanche, il suffit de quelques ppm de CO dans les gaz pour provoquer un empoisonnement des sites actifs au niveau des électrodes, avec pour conséquence une chute du potentiel. Le soufre est lui aussi un poison pour les électrodes.

Influence du CO sur la caractéristique "Tension-intensité surfacique"

 

De même que la membrane, les électrodes sont chères en raison du platine dont le prix avoisine les 90F/g. On cherche donc à diminuer les quantités de Pt utilisées: de gros progrès ont été réalisés faisant passer la teneur de 4 mg/cm2 à 0,1 mg/cm2 mais il semblerait qu'on ne puisse pas diminuer encore beaucoup cette teneur. Une solution possible serait de modifier l'architecture des électrodes puisqu'il a été montré que seulement 20 à 30% de ce métal est vraiment actif. L'autre possibilité consiste à faire fonctionner les piles sous une pression plus élevée, mais avec des conséquences sur la consommation du compresseur. Enfin, des recherches sont menées sur des alliages à base de platine pour l'anode (platine/ruthénium, platine/molybdène et platine/étain) qui fonctionneraient à des températures plus élevées mais permettraient d'atteindre des tolérances de l'ordre de 500 ppm de CO. A la cathode, les recherches sont orientées sur des alliages à base de métaux tel le chrome, le nickel ou le molybdène.

Les Backings (plaques de diffusion)

Entourant les électrodes, ces Backings, d'une épaisseur de 100 à 300 µm ont un double rôle:

  • permettre la diffusion des gaz jusqu'aux électrodes,
  • permettre le transfert des électrons de l'anode vers la cathode.

Ils doivent donc être à la fois conducteurs et poreux. De plus ils assurent un rôle essentiel dans la gestion de l'eau en permettant à la fois qu'elle soit évacuée ou d'humidifier la membrane.
La nature poreuse de ces supports permet aux gaz de diffuser, ce qui leur permet, en se dispersant, d'entrer en contact avec la surface entière de la membrane.

Les plaques bipolaires

Ces plaques sont souvent faites avec du graphite haute densité, mais une autre possibilité est l'utilisation de mousses métalliques. Elles servent à assurer la distribution des gaz et l'évacuation de l'eau: pour cela, l'une des faces est parcourue de micro-canaux de dimensions de l'ordre de 0,8 mm. Mais ce sont aussi des collecteurs de courant. Les électrons produits par l'oxydation de l'hydrogène traversent le support d'anode puis la plaque, passent par le circuit extérieur et arrivent du côté de la cathode. Les éléments EME (électrodes-membrane) sont accolés et connectés les uns aux autres par l'intermédiaire de ces plaques, les plaques positives étant au contact des plaques négatives. A ces plaques s'ajoutent deux plaques terminales à chaque extrêmité de la pile.

Représentation d'une plaque avec des micro canaux

Outre les contraintes au niveau de la conductivité, elles doivent présenter une bonne stabilité face aux réactifs, notamment par rapport à l'eau et aux acides ainsi qu'une très faible perméabilité à l'hydrogène. Parallèlement, cet ensemble doit être légèr afin de limiter le poids total de la pile. Par ailleurs, les canaux dont dépendent les performances de la pile doivent être usinés avec soin, d'où une fabrication délicate et des prix élevés. Les recherches se portent donc sur l'utilisation de matériaux autres que le graphite (inox, résines thermodurcissables) ainsi que sur la mise en place de procédés de fabrication plus simples.
 

En résumé, les PEMFC ont de nombreux avantages: outre un rendement pouvant aller jusque 60% pour la pile et 40% pour le système, elles ont des densités de puissance maximales de 1 W/cm2. Elles peuvent fonctionner à charge partielle sans baisse (et même avec une hausse) du rendement. Le fait de fonctionner à faible température permet d'atteindre une température de fonctionnement en quelques minutes, donc un démarrage rapide. Le principal défaut de ces piles est leur faible tolérance du CO, et leur coût encore élevé.

PEMFC

 

Du point de vue des coûts, ceux ci se décomposent en trois parties à peu prè,s égales: membrane, électrodes et plaques bipolaires.
 

Les applications des PEMFC     

A la base, les PEM avaient été développées pour des applications spatiales. En 1963, la firme General Electric (GE) présentait un module de 1 kW. Ces travaux furent poursuivis au milieu des années 80 avec United Technologies Corporation (UTC) et appliquées au domaine spatial. C'est alors que Siemens développa des PEMFC pour les sous marins (avec une license GE). Mais le véritable démarrage de cette technologie eut lieu avec Ballard Power Systems en 1983: sur la base d'une membrane de DOW Chemical, l'entreprise se tourna vers la réalisation d'une pile fonctionnant à base d'air et d'hydrogène réformé.

Applications automobiles

Les PEMFC sont particulièrement adaptées aux applications automobiles par:

  • leur faible température de fonctionnement,
  • leur "simplicité" de fabrication,
  • leur adéquation avec la nécessité de nombreux démarrages,
  • leur meilleure réactivité,
  • leur bon rendement aux puissances inférieures à la puissance nominale.

En fait, on peut concevoir les piles soit comme système principal de fourniture d'énergie pour un moteur électrique, soit comme une APU (Auxiliairy Power Unit) fournissant l'électricité nécessaire à des organes secondaires (air conditionné...).

Il existe actuellement de nombreux prototypes de véhicules à pile avec une PEMFC. DaimlerChrysler qui travaille en collaboration avec Ballard est la plus avancée dans ce domaine: en 1994, elle construit son premier véhicule NECAR (New Electric Car). Celui ci est suivi de 4 autres prototypes NECAR II, III, IV et V: Necar II et Necar V fonctionnent au méthanol (vaporeformage), les autres à l'hydrogène. Parallèlement, elle développe des bus et en 1997, elle présente le NEBUS (New Electric Bus) fonctionnant à l'hydrogène. Ces bus ont été ou seront bientôt introduits un peu partout dans le monde pour des tests en ville.

DaimlerChrysler n'est plus le seul constructeur automobile à s'intéresser à ces piles pour les applications automobiles. Les constructeurs du monde entier se sont engagés dans cette voie: en France, PSA et Renault (allié à Nissan) avec respectivement TaxiPac et FEVER, General Motors/Opel avec Hydrogen mis au point dans le GAPC (Global Alternative Propulsion Center), Volkswagen avec le projet CAPRI et plus récemment HY.POWER. Au Japon, on peut citer Toyota et son FCH-V3, ainsi que Nissan. Aux USA, Ford a également mis au point la P2000 et Ford focus FCH. En raison des spécificités des PEMFC, tous ces prototypes fonctionnent soit à l'hydrogène (gazeux ou liquide), soit au méthanol. L'utilisation d'autres carburants est tojujours d'actualité avec l'utilisation d'un reformeur.

Si le carburant qui alimentera la pile, de même que l'architecture exacte du véhicule restent des incertitudes, la pile PEMFC reste pour ainsi dire la seule envisagée pour les applications automobiles. Seules les piles SOFC pourraient être utilisées mais en tant qu'APU (Auxiliairy Power Unit). Le système de traction à pile reste actuellement trop lourd et encombrant par rapport à des moteurs thermiques.

Applications stationnaires

Du côté des applications stationnaires, on trouve d'abord les applications strictement domestiques avec des petites puissances de l'ordre de 1 à 5 kW. Aux avantages déjà cités pour l'automobile s'ajoute celui de la modularité des piles PEMFC. Actuellement, ce type de piles fait l'objet de nombreux tests car elles sont les seules avec les SOFC à être pressenties pour ce type d'applications. Certains constructeurs donnent des prognostics très optimistes: un marché de 4% des habitations individuelles aux USA, Vaillant le constructeur allemand compte sur un marché de 100.000 PEMFC par an à partir de 2010. A ces optimistes prévisions, il convient d'opposer le manque de données fiables sur la durée de vie des piles, leur comportement dynamique, la diminution des coûts avec l'augmentation de la production et l'effet d'une miniaturisation du système sur les coûts.

A côté de ces applications de petite taille viennent celles de cogénération pour les clients du type communes, petites industries (10-20 kWel) jusqu'à la cogénération de moyenne puissance (jusque 1 MWel). Pour les PEMFC de cette taille, les premières installations en test (250 kWel à Berlin) ne permettent pas d'avoir un recul suffisant.

Applications portables

On ne peut pas oublier les applications des nouvelles technologies avec portable, téléphone, agenda électronique. De même que les DMFC dont elles ont les concurrentes directes, les PEMFC ont un avenir dans cette voie, à condition toutefois de s'entendre sur le carburant.
 

Enfin, un phénomène intéressant mérite d'être cité: certaines entreprises proposent des packs éducatifs pour le public ou les écoles avec des PEMFC.
 
 

Quelques constructeurs de PEMFC     

Il existe de très nombreuses entreprises développant ces piles. Avec l'intérêt croissant manifesté pour ce type de pile, ce nombre est en augmentation, sans compter toutes les alliances qui se créent avec les constructeurs automobiles, les énergéticiens, les fabricants de composants de pile, les pétroliers.... Ci dessous figurent les noms de quelques constructeurs avec leurs domaines d'intervention.

Avista Labs, Ballard: automobile et stationnaire (moyenne puissance), DAIS: petites unités de 25, 125 W et 1kW, ElectroChem Inc., Electro Chem Technic: petites piles, Energy Partner stationnaire jusque 10 kW, Hpower: stationnaire, portable, éducative, H Tec: modèles éducatifs, NEC: micropiles, Nuvera (DeNora + EPYX): stationnaire et automobile, Proton Energy Systems: stationnaire, automobile et portable, Plug Power, Vaillant: applications stationnaires de petite puissance, Xcellsis: automobile.