Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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52 Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie La pile à combustible PEMFC : une solution très crédible Destinées prioritairement aux applications embarquées, notamment l’automobile, les piles à combustible PEMFC doivent diminuer leur coût et leur encombrement tout en augmentant leur durabilité et leurs performances dans un contexte de forte concurrence internationale. Le défi vaut d’être relevé car, dans la conjoncture actuelle de diversification des sources d’énergies primaires propres, les piles à combustible PEMFC offrent une solution très crédible. Pile à combustible Genepac (pour générateur électrique à pile à combustible) développée par le CEA, en partenariat avec Peugeot-PSA, pour une prochaine utilisation dans l’automobile. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 É laboré par Sir William Grove dès 1839, le principe de fonctionnement de la pile à combustible restera un dispositif de laboratoire jusque dans les années 1960. Sortie de l’oubli par le dévelop pement des programmes spatiaux qui l’utilisent comme générateur d’énergie électrique, elle s’inscrit aujourd’hui comme une solution efficace dans les politiques mises en œuvre pour la réduction des gaz à effet de serre et pour développer les énergies alternatives au pétrole, au gaz naturel et au charbon. Cinq principaux types de piles à combustible occupent actuellement le marché dont la PEMFC (pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Il s’agit d’une pile à membrane échangeuse de protons, plus particulièrement dédiée aux véhicules électriques et à l’électronique domestique. Un système multiéchelle, multiphysique et multimatériaux Dans son principe, la pile à combustible PEMFC se définit comme un dispositif électrochimique capable de convertir, en énergie électrique, l’énergie chimique contenue dans l’hydrogène et l’oxygène (figure 1). Outre cette fourniture d’électricité, ce type de pile offre comme second avantage de ne produire rien d’autre que de la chaleur et de l’eau. Il s’agit donc d’un système de conversion non polluant, offrant une alternative sérieuse aux moteurs thermiques actuels. Dans sa configuration, la pile à combustible PEMFC se présente comme un empilement de cellules élémentaires (figure 2), constituées elles-mêmes d’un électrolyte et de deux électrodes : une anode et une cathode alimentées en gaz réactifs par des distributeurs, soit poreux (mousses), soit à canaux (plaques métalliques embouties ou composite graphite/polymère).• L’électrolyte se compose d’une membrane polymère dont le rôle est double : d’une part, assurer le transport des protons entre l’anode et la cathode dans lesquelles se situent respectivement les réactions d’oxydation de l’hydrogène et de réduction de l’oxygène ; d’autre part, éviter les transferts électriques et gazeux entre l’anode et la cathode. À l’heure actuelle, les matériaux les plus performants sont des polymères qui nécessitent néanmoins d’être suffisamment hydratés pour jouer leur rôle de conducteurs protoniques ; de plus, ils ne peuvent fonctionner au-delà de 100 °C.• Les électrodes, quant à elles, utilisent deux composants. D’abord, une couche active dans laquelle se produisent les réactions électrochimiques, constituée de grains de carbone (pour assurer le transfert P.Stroppa/CEA
des électrons) sur la surface desquels est déposé le catalyseur sous forme de particules de platine (indis - pensable pour assurer les réactions électrochimiques) enrobées par de l’électrolyte (généralement identique à celui de la membrane et assurant le transport des protons). Après séchage, cette couche devient poreuse, permettant ainsi le transport des gaz. Une seconde couche à base de fibres de carbone, dite couche de diffusion, crée un milieu poreux à base de fibres de carbone et opère plusieurs missions : l’alimentation homogène en gaz de la couche active, l’évacuation de l’eau et de la chaleur, la collecte des électrons (figures 1 et 2). Du fait de la multiplicité de ses constituants, la cellule élémentaire de la pile PEMFC se caractérise par une grande variété d’échelles géométriques : quelques centaines de cm 2 pour la surface des composants, 5 à 200 m pour leur épaisseur, 10 nm à 1 m pour les pores des couches de diffusion et des couches actives, 30 à 50 nm pour les grains de carbone et 2 à 5 nm pour les grains du catalyseur (figure 3). Ce dernier entre, pour une grande part, plaque bipolaire hydrogène (H 2) vue, en coupe, d’un assemblage membrane électrode (AME) charge e - e - distributeur (plaque bipolaire) e - hydrogène (H 2) canal dent oxydation de l’hydrogène à l’anode (H 2 ➔ 2H + + 2e -) couche de diffusion H 2 anode couche active eau (H 2 O) membrane assemblage membrane électrode (AME) cathode H + O 2 e - Figure 1. Principe d’une cellule élémentaire de pile à combustible de type PEMFC. oxygène (O 2) réduction de l’oxygène à la cathode (O 2 + 4H + + 4e - ➔ 2H 2 O) Figure 2. Une pile à combustible de type PEMFC se réalise par l’empilement de cellules élémentaires (à gauche). Chaque cellule est constituée d’une plaque bipolaire (pour la distribution des gaz par des canaux et pour la collecte du courant électrique) et d’un élément nommé AME (pour « Assemblage membrane électrode » correspondant, ici, à l’empilement anode/membrane/cathode). Le CEA, associé à PSA Peugeot-Citroën, dans le cadre du projet Genepac (pour Générateur électrique à pile à combustible) a développé une pile de 80 kW pour l’application automobile (à droite). couche de diffusion couche active membrane assemblage membrane électrode (AME) air 100 μm détail d’une couche active : pores et agglomérats 100 nm empilement zoom sur des agglomérats de carbone et le catalyseur Figure 3. Microscopie électronique d’un AME (pour « Assemblage membrane électrode ») et détail d’une couche active montrant les différentes échelles physiques en jeu. 50 nm détail d’un catalyseur de platine sur un grain de carbone 2 nm CEA CEA DR (à gauche), P.Stroppa (à droite)/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 53



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