PEMFC : Composition détaillée et méthodes de test de performance des cellules individuelles

Composition et principe de fonctionnement des cellules individuelles

Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est un type de pile à combustible qui utilise une membrane échangeuse de protons comme électrolyte. La cellule individuelle est l’unité fondamentale qui constitue le stack de la pile à combustible. Voici les principaux composants et le principe de fonctionnement d’une cellule individuelle de pile à combustible à membrane échangeuse de protons :

Composants :

Plaque bipolaire，Membrane échangeuse de protons，Couche de diffusion des gaz，Catalyseur

Principe de fonctionnement :

Les molécules d’hydrogène se décomposent en protons (H⁺) et en électrons (e⁻) sous l’action du catalyseur de l’anode. Les électrons (e⁻) circulent à travers un circuit externe, générant un courant électrique, tandis que les protons (H⁺) passent à travers la membrane échangeuse de protons de l’anode à la cathode. À la cathode, les molécules d’oxygène se combinent avec les protons et les électrons pour produire finalement de l’eau.

Méthodes de test de performance des cellules individuelles

Dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), il existe de nombreuses méthodes pour évaluer la performance des catalyseurs, des électrodes, des membranes échangeuses de protons et des plaques bipolaires, telles que la voltamétrie cyclique (CV), l’électrode à disque tournant (RDE), l’électrode à anneau-disque tournant (RRDE) et la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). Ces méthodes sont couramment utilisées pour évaluer la performance des électrocatalyseurs et d’autres matériaux d’électrode.

Cependant, l’évaluation de la performance des composants individuels (tels que les catalyseurs ou les membranes échangeuses de protons) ne peut fournir que des informations partielles sur ce composant et ne peut pas refléter directement la performance globale de la pile à combustible. Par conséquent, il est nécessaire de combiner les composants ci-dessus en une cellule individuelle et de réaliser des tests de performance dans des conditions fixes (telles que la température, la pression et les débits de gaz) pour déterminer l’impact de ces composants sur la performance globale de la cellule. En général, lors des tests de performance de l’assemblage membrane-électrode (MEA), la surface de l’électrode peut être réduite à 0,5~5 cm². Cette plage de taille est suffisamment petite pour des tests efficaces et rapides, tout en étant suffisamment grande pour refléter la performance réelle du MEA.

Réactions électrochimiques et potentiels d’électrode

Le fonctionnement interne d’une pile à combustible est basé sur les processus redox des réactions électrochimiques. Tester le courant de réaction et le potentiel d’électrode est la méthode la plus directe et la plus efficace pour caractériser les réactions électrochimiques. Sur la base des potentiels d’électrode standard pour les réactions redox, une surtension plus importante indique une augmentation de la tension supplémentaire requise pour la réaction, ce qui signifie généralement une augmentation de la résistance. Pour la cellule, une augmentation de la surtension se manifeste par une diminution de la différence de potentiel, connue sous le nom de processus de polarisation.

L’amplitude du courant de réaction reflète la vitesse à laquelle la réaction électrochimique se déroule. En général, plus le courant est important, plus la réaction est rapide ; cependant, des courants excessivement élevés peuvent entraîner une surchauffe de l’électrode ou un vieillissement accéléré.

En général, les caractéristiques de sortie et la puissance de la cellule sont d’intérêt, et les paramètres réels examinés incluent la tension de la cellule, la densité de courant et la densité de puissance. La performance d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons est généralement évaluée à l’aide de la courbe tension-densité de courant (courbe I-V) et de la courbe densité de courant-densité de puissance (courbe I-P) de la cellule. Ces courbes fournissent des informations détaillées sur la cellule dans différentes conditions de fonctionnement. Par exemple, la courbe I-V montre la tension de fonctionnement de la cellule à différentes densités de courant, tandis que la courbe I-P affiche la puissance de sortie à différentes densités de courant.

Analyse des paramètres de performance des cellules

Le potentiel théorique en circuit ouvert d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est de 1,229 V, mais la tension réelle en circuit ouvert (OCV) n’atteint généralement pas cette valeur idéale, se situant typiquement entre 0,900 V et 1,000 V. Cette différence est due à divers facteurs tels que la traversée de l’hydrogène ou de l’oxygène, la contamination de la membrane et l’empoisonnement des électrodes. De petites quantités d’hydrogène ou d’oxygène peuvent pénétrer à travers la membrane échangeuse de protons vers l’électrode opposée, créant un potentiel mixte et abaissant l’OCV de la cellule. De plus, des gaz impurs (comme le monoxyde de carbone) peuvent causer l’empoisonnement des électrodes, affectant ainsi la performance de la cellule.

En mesurant l’OCV de la cellule, l’état de la membrane échangeuse de protons et de l’électrode à membrane peut être évalué de manière préliminaire. Cependant, l’OCV n’est qu’un indicateur de l’état général de la cellule et doit être considéré en conjonction avec d’autres facteurs influents. Pour évaluer de manière exhaustive la performance d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons, il est également nécessaire de considérer les trois principales pertes de tension pendant le processus de décharge : la polarisation d’activation, la polarisation ohmique et la polarisation de transport de masse.

Phénomènes de polarisation et leurs effets

Polarisation d’activation : causes et méthodes d’optimisation

La polarisation d’activation, également connue sous le nom de polarisation électrochimique, fait référence à la perte de tension dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) causée par les limitations de vitesse du processus de transfert de charge pendant les réactions électrochimiques aux électrodes. Ce processus de polarisation est particulièrement prononcé à de faibles densités de courant. Dans de tels cas, la tension de la cellule diminue rapidement avec l’augmentation du courant de réaction. Par exemple, la tension chute du potentiel théorique en circuit ouvert de 1,229 V à environ 0,8 V, bien que la valeur spécifique puisse varier en fonction des différents systèmes et conditions.

Pendant le fonctionnement de la cellule, plusieurs méthodes peuvent optimiser les conditions de fonctionnement pour accélérer la cinétique des réactions aux électrodes, réduisant ainsi la surtension associée à la polarisation d’activation. Ces méthodes incluent :

Augmenter la température de réaction : Élever la température de réaction peut accélérer le taux de réaction électrochimique, réduisant ainsi la polarisation d’activation.

Augmenter la concentration (ou la pression) des réactifs : Améliorer la concentration d’approvisionnement en réactifs peut accélérer le taux de réaction et réduire la perte de tension.

Utiliser des électrocatalyseurs de haute performance : Des catalyseurs efficaces peuvent abaisser l’énergie d’activation de la réaction, rendant les réactions aux électrodes plus rapides et plus efficaces.

Augmenter la zone de réaction triphasique de l’électrode à membrane : Élargir la zone de contact entre les phases gazeuse, liquide et solide aide les réactifs à atteindre plus efficacement la surface du catalyseur, améliorant ainsi l’efficacité de la réaction.

En employant ces méthodes, le degré de polarisation d’activation peut être considérablement amélioré, augmentant ainsi la performance globale de la pile à combustible.

Lors des tests de cellules, l’analyse de la région de polarisation d’activation de la courbe de performance de la cellule (courbe I-V) peut évaluer la performance du catalyseur et de la zone de réaction triphasique de l’électrode à membrane. Les changements de tension dans la région de faible densité de courant peuvent refléter l’efficacité de l’électrocatalyseur et la qualité de la conception de l’électrode. Une telle analyse peut efficacement optimiser la conception et les conditions de fonctionnement de la PEMFC, améliorant la performance et l’efficacité de la cellule.

L’influence de la polarisation ohmique et les solutions

La polarisation ohmique fait référence à la chute de tension causée par la résistance rencontrée lors du processus de transport des ions et des électrons au sein d’une pile, principalement reflétée dans la partie centrale de la courbe de polarisation de la pile. Parmi celles-ci, la résistance de la membrane est le principal composant de la résistance ohmique. Les membranes Nafion nécessitent un certain niveau d’humidité pour conduire correctement les protons, et les variations de température et d’humidité peuvent entraîner des différences significatives dans la conductivité des protons. Pour les membranes Nafion-117, la conductivité à haute température et à haute humidité (82°C, 100% d’humidité) est 400 fois supérieure à celle à basse température et à faible humidité (24°C, 10% d’humidité).

L’optimisation de la conductivité protonique des membranes échangeuses de protons, ainsi que de la conductivité et de la résistance de contact des divers composants conducteurs au sein de la pile, peut aider à améliorer le processus de polarisation ohmique de la pile et à en renforcer les performances réelles. Ces dernières années, de nombreux nouveaux types de membranes conductrices de protons ont été développés, telles que les membranes polymères contenant de l’acide phosphorique (PAE) et d’autres membranes hybrides organiques-inorganiques, qui peuvent offrir de meilleures performances que le Nafion dans certaines conditions.

Dans les systèmes modernes de Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), la gestion de l’humidité est l’un des problèmes clés. L’utilisation de technologies telles que les humidificateurs à gaz ou les humidificateurs à membrane pour maintenir une humidité appropriée de la membrane est une direction de recherche importante. Parallèlement, les piles à combustible à haute température (HT-PEMFC) utilisent des membranes conductrices de protons dopées à l’acide phosphorique, qui peuvent fonctionner à des températures supérieures à 100°C, contribuant à simplifier les systèmes de gestion de l’eau et de la chaleur.

Grâce à l’application de ces nouveaux matériaux et technologies, les performances et la stabilité des PEMFC devraient être encore améliorées, favorisant ainsi leur utilisation généralisée dans diverses applications.

L’influence de la polarisation de transport de masse et les mesures d’amélioration

La polarisation de transport de masse, également connue sous le nom de polarisation de concentration, se produit dans la dernière partie de la courbe de polarisation de la pile. Les réactions électrocatalytiques se déroulent au sein de l’électrode à membrane, où les réactifs doivent atteindre la surface du catalyseur pour participer aux réactions, et les produits doivent être expulsés de cet endroit. Lorsque le taux de réaction est suffisamment élevé, l’eau produite ne peut pas être expulsée à temps, et les gaz réactifs ne peuvent pas atteindre facilement la surface de l’électrode, provoquant une diminution rapide de la concentration des réactifs près de la surface de l’électrode, entraînant une réduction de la tension de la pile.

Lors du fonctionnement de la pile, ajuster le débit et la pression des gaz réactifs peut retarder le processus de polarisation de transport de masse. Pendant les tests de la pile, la région de polarisation de concentration de la courbe de performance de la pile peut également être utilisée pour évaluer la gestion de l’eau de la pile. Ces dernières années, les chercheurs ont développé diverses techniques avancées de gestion de l’eau, telles que des conceptions optimisées des canaux d’écoulement des gaz, l’utilisation de combinaisons de matériaux hydrophiles/hydrophobes et la technologie des microcanaux. Ces techniques améliorent efficacement la gestion de l’eau et réduisent l’impact de la polarisation de transport de masse.

En outre, l’amélioration de la structure de la couche de catalyseur, telle que la distribution de catalyseur à l’échelle nanométrique, le renforcement de la structure poreuse de la couche de catalyseur, et l’optimisation de la conception de l’assemblage membrane-électrode (MEA), y compris la couche de catalyseur, la couche de diffusion des gaz (GDL) et les plaques bipolaires, peuvent significativement améliorer l’efficacité du transport des réactifs, réduisant ainsi la polarisation de transport de masse et améliorant la performance globale de la pile.

Avec l’application de ces nouvelles technologies et méthodes d’optimisation, les performances et la stabilité des PEMFC devraient être encore améliorées, favorisant ainsi leur utilisation généralisée dans diverses applications.