La pile à combustible haute température dans le détail (4/5)

Par le 25 octobre 2007

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Les problèmes mentionnés précédemment n’existent pas avec la pile à combustible à membrane haute température développée par Volkswagen. Le transfert de protons s’effectue ici en utilisant d’autres électrolytes comme l’acide phosphorique, par exemple, qui présente de bonnes propriétés électrolytiques, similaires à l’eau, avec cependant un point d’ébullition supérieure.

Avantage : l’humidification supplémentaire n’est plus nécessaire. On peut ainsi avoir une élévation de la température de fonctionnement, qui peut atteindre 160°C, sans perte de rendement. La pile à combustible haute température développée par Volkswagen contribue ainsi de manière décisive à la réalisation d’un système moins encombrant, moins cher et plus léger.

En simplifiant, on peut dire que le processus de fabrication d’une membrane haute température s’effectue de la manière suivante : on trempe une pellicule mince (la membrane) dans un bain d’acide phosphorique. L’acide phosphorique l’imprègne en quelques minutes. La membrane est ensuite intégrée dans un empilement de piles à combustible.

Pour cela une plaque de carbone pressée est d’abord placée sur des piles déjà configurées. Les rainures de cette plaque permettront dans une étape ultérieure le passage de l’air. On met ensuite en place un isolant, puis un voile non-tissé en carbone recouvert d’une couche de pâte de platine ayant une activité catalytique, l’électrode à diffusion gazeuse. Elle joue le rôle à la fois de couche de diffusion gazeuse et de cathode.

La membrane imbibée d’acide phosphorique est étalée sur la cathode, suivie d’un isolant et d’une contre électrode en non-tissé qui est utilisée cette fois comme anode. L’hydrogène pénètre par les rainures de la dernière plaque. La face postérieure des plaques accueille le dispositif de refroidissement par eau. Toutes les piles sont ensuite comprimées sous pression pour former un bloc (ou empilement).

Mais ce dispositif posait jusqu’à présent un problème : de l’eau se formait au niveau de la cathode, comme avec la membrane basse température. L’eau pénétrait à l’intérieur de la membrane et diluait l’acide phosphorique, ce qui entraînait à nouveau une interruption de la production électrique.

Toutes les tentatives visant à utiliser dans le domaine automobile des piles à combustible haute température, réalisées à partir des matériaux connus, restaient sans succès. Les équipes de recherche fondamentale de Volkswagen sont parvenues à la conclusion que, outre une nouvelle membrane, il était nécessaire de modifier les électrodes afin d’éviter que l’eau ne puisse pénétrer à l’intérieur de la membrane.

La solution : une technique de sérigraphie spécifique, similaire à celles employées dans le domaine des semi-conducteurs, a été utilisée par les chercheurs du Centre technologique d’Isenbüttel pour déposer sur des éléments en carbone non-tissé une couche de platine modifiée.

Ces nouvelles électrodes ont ensuite été intégrées dans des stacks (empilements) de piles et soumises à des essais très complets. Le résultat a été sans équivoque : il n’y avait plus de dilution de l’acide phosphorique par l’eau produite lors de la réaction. Cela signifie que la technologie haute température peut maintenant être mise en oeuvre.

Les nouvelles piles à combustible fonctionnent dans une plage de températures sensiblement plus large que celle des piles étudiées jusqu’à présent. Ces températures plus élevées rendent par ailleurs la membrane moins sensible aux impuretés contenues dans l’air.

L’utilisation des piles à combustible haute température, développées par Volkswagen, permet de supprimer environ un tiers des composants du système global. Le système haute température devient ainsi plus léger, moins coûteux et mieux adapté à l’utilisation automobile.