Qu'est-ce qu'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons?
Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une pile à combustible qui utilise de l'hydrogène et de l'oxygène pour libérer de l'énergie électrique. Sa particularité est une membrane électrolytique appelée MEP (Membrane Electrode Assembly) qui permet le passage de protons mais pas d'électrons. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons a des applications potentielles en tant que pile à combustible fixe et portable.
Un MEA a un côté anode et un côté cathode. Un courant électrique circule dans le côté anode du MEA et sort du côté cathode. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons fournit de l'hydrogène gazeux au côté anodique de la MEA, qui sépare les atomes d'hydrogène en électrons et en protons, processus qui peut être illustré par une équation: H2 -> 2e- + 2H +. Les protons dans cette réaction traversent le MEA du côté de la cathode et les électrons passent au côté de la cathode du MEA via un circuit externe. La combinaison de ces processus crée un courant électrique.
Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons fournit également de l'oxygène gazeux côté cathode du MEA. Si les molécules d'oxygène diatomique (O2) peuvent être scindées en atomes d'oxygène, les protons traversant le MEA peuvent réagir avec ces atomes d'oxygène pour former des molécules d'eau. Cette réaction peut également être représentée par une équation: O + 2H + + 2e- -> H 2 O.
La MEA doit répondre à plusieurs critères pour produire de l’électricité. Il ne peut pas permettre à l'hydrogène ou à l'oxygène de voyager à travers lui. Le MEA doit également pouvoir résister à l'effet oxydant côté anode et à l'effet réducteur côté cathode.
Les catalyseurs au platine peuvent être utilisés pour séparer les molécules d'hydrogène avec une relative facilité. La scission des molécules d'oxygène avec des catalyseurs au platine entraîne toutefois des pertes électriques importantes. Un problème supplémentaire avec les catalyseurs au platine est qu'une très petite quantité de dioxyde de carbone dégradera considérablement leurs performances. Les scientifiques n'avaient pas découvert de catalyseur pratique pour scinder les molécules d'oxygène depuis 2010, mais un catalyseur composé de carbone, de fer et d'azote s'était révélé le plus prometteur. La principale difficulté de ce catalyseur est que sa vitesse de réaction chute rapidement sur une courte période.
L'eau provoque également des pertes électriques dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons. La pile à combustible doit empêcher l'excès d'eau d'inonder le MEA mais laisser suffisamment d'eau pour empêcher le MEA de se dessécher. La gestion de l'eau dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons est difficile car l'eau est attirée vers le côté cathode du MEA. Les pompes électro-osmotiques sont une solution possible à ce problème.