Chapitre 5 Alimentation d’une PEMFC par photocatalyse
3.3 Comparaisons des performances et rendement
3.3.1Comparaisons des courbes de polarisation
Les performances de la pile à combustible sur l’ensemble de sa gamme de courant ont
été comparées entre l’hydrogène pur et l’hydrogène photocatalytique à partir des courbes de
polarisation de cette dernière. La pression en gaz dans le compartiment anodique de la PEMFC,
a été maintenue à 1,1 bar dans les deux cas. Les courbes de polarisation comparées dans cette
partie ont été obtenues le même jour. Les deux types de pile à combustible, avec catalyseur Pt
et Pt-Ru à l’anode, ont été étudiés. Pour les courants supérieurs à 1,0 A, la vitesse de
consommation de l’hydrogène par la PEMFC est supérieure à la vitesse de production en
hydrogène par le système photocatalytique, presque trois fois supérieure pour un courant de
3,0 A. Aussi, l’hydrogène accumulé a tendance à être rapidement consommé à de tels courants.
Pour cette raison, il est difficile de maintenir ces courants sur de longues périodes (> 5 min).
La Figure 5.16 montre les courbes de polarisation obtenues sur la pile à combustible
équipée de platine en catalyseur à l’anode, ainsi que les courbes de puissance correspondantes.
La production d’hydrogène par photocatalyse est issue de différentes réactions
photocatalytiques telles que la déshydrogénation du méthanol, le reformage du méthanol
(50 vol.%) et la déshydrogénation de l’éthanol.
Quelle que soit la réaction photocatalytique utilisée pour la production d’hydrogène, les
performances obtenues sous hydrogène photocatalytique sont très proches de celles obtenues
sous hydrogène pur. Toutefois, une différence apparaît pour des courants supérieurs à 1,5 A.
Cette différence peut être liée à plusieurs phénomènes.
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Figure 5.16 : Comparaison entre les performances obtenues sous hydrogène pur et photocatalytique en déshydrogénation (a) et reformage (b) du méthanol et en déshydrogénation de l’éthanol (c) pour la
PEMFC avec catalyseur de Pt à l’anode, 1,1 bar
D’une part, la dilution de l’hydrogène produit par photocatalyse dans les impuretés
issues de la réaction peut conduire à une diminution de la tension obtenue aux plus forts
courants. D’autre part, les espèces telles que le méthanol et les aldéhydes sont susceptibles de
subir un phénomène de « cross-over » de la membrane, abaissant de ce fait les performances
obtenues. Ce dernier phénomène semble toutefois limité, puisque la réaction de reformage
photocatalytique du méthanol qui contient seulement des traces d’aldéhydes et des
concentrations de méthanol inférieurs à la déshydrogénation (6,2 % contre 12,2 % molaire)
dans la phase gazeuse, affiche des performances similaires aux autres réactions
photocatalytiques. Inversement cette réaction qui produit du CO
2et affiche des performances
similaires aux autres, montre que le CO
2ne semble pas subir de phénomène de « reverse
water-gas shift ». La plus forte densité de courant étudiée (120 mA.cm
-2à 20°C) demeure toutefois
bien plus faible que celle où ce type de phénomène peut intervenir (> 200 mA.cm
-² à
65°C)
53,54,60. Il est peu probable que l’hydratation de la PEMFC soit en cause dans cette étude,
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puisque la PEMFC a subit le processus de conditionnement sous hydrogène pur peu de temps
avant l’obtention de ces résultats.
Une étude similaire a été réalisée sur la PEMFC équipée de catalyseur Pt-Ru dans le
compartiment anodique. Les performances obtenues pour les réactions de déshydrogénation et
de reformage du méthanol sont données sur la Figure 5.17.
Figure 5.17 : Comparaison entre les performances obtenues sous hydrogène pur et photocatalytique en déshydrogénation et reformage du méthanol pour la PEMFC avec catalyseur de Pt-Ru à l’anode,
1,1 bar
Comme précédemment, pour l’autre technologie de PEMFC, les performances obtenues
sont similaires à celles obtenues sous hydrogène pur et s’en éloignent pour des courants
supérieurs à 1,5 A. Aucune différence significative n’est identifiable dans ces conditions de
fonctionnement entre la pile à combustible équipée de platine en catalyseur à l’anode et la pile
à combustible équipée de platine-ruthénium. Or, comme décrit précédemment, ces deux
catalyseurs présentent des résistances différentes à l’empoisonnement des PEMFC. Aussi, la
diminution des performances aux plus forts courants semble donc plutôt être reliée à la dilution
de l’hydrogène dans l’alcool et les sous-produits de la photocatalyse présents dans la phase
gazeuse, qu’à un éventuel empoisonnement de la PEMFC.
En définitive, les performances obtenues par photocatalyse sont similaires à celles
obtenues sous hydrogène pur pour des courants inférieurs ou égal à 1,5 A. Des étapes de
purification du gaz semblent toutefois nécessaires pour maintenir de bonnes performances aux
plus forts courants d’utilisation. Aucun effet d’empoisonnement ne semble être détecté sous
ces conditions d’utilisation, à 20°C sous 1,1 bar dans le compartiment anodique.
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3.3.2Rendement global
Le rendement global (Eq. 5.4 et 5.5) du système photocatalytique B a été déterminé. La
puissance totale des lampes UV entre 300 et 400 nm est de 6,29 W correspondant à un flux de
photons total de 68,3 mmol.h
-1(Tableau 5.2). Le Tableau 5.4 reporte les tensions
correspondantes aux puissances électriques nominales qu’il est possible de maintenir sur une
longue durée (> 1 h) pour les deux technologies de PEMFC, ainsi que leurs rendements globaux.
La puissance nominale est obtenue pour un courant de 1,0 A.
Le rendement global théorique est déterminé comme précédemment à partir de
l’Eq. 5.5. Comme déterminé précédemment, le courant limite obtenu pour la réaction de
déshydrogénation photocatalytique du méthanol est de 1,3 A, correspondant à une vitesse de
production en hydrogène de 24,2 mmol.h
-1. Le rendement quantique pour le système B, quel
que soit le type de PEMFC utilisé, est donc de 35,4 %. Ce dernier est plus faible que celui obtenu
avec le système photocatalytique A à 37,6 %, indiquant que plus le système photocatalytique
est important, plus il est difficile d’utiliser correctement l’ensemble des photons fournis par les
lampes. Le rendement thermodynamique de la PEMFC ne change pas pour les deux
technologies de PEMFC puisque la réaction électrochimique est la même. Ce dernier reste donc
de 83 %. Le rendement faradique est supposé égal à 99 %.
Tableau 5.4 : Rendements globaux expérimentaux et théoriques pour les deux technologies de PEMFC avec le système photocatalytique B, à 1,0 A
Catalyseur à l’anode Pt Pt-Ru
Tension (V) 0,58 0,49 (%) 9,2 7,8 (%) 35,4 35,4 (%) 83 83 (%) 47,2 39,8 (%) 99 99 (%) 13,7 11,6
Les rendements globaux expérimentaux et théoriques de la PEMFC équipée de Pt en
catalyseur est plus élevé (9,2 % et 13,7 %) que pour la technologie avec Pt-Ru (7,8 % et 11,6 %).
La différence obtenue sur le rendement voltaïque de la PEMFC avec Pt en catalyseur à l’anode
est plus élevé (47,2 %) que celui obtenu pour la pile équipée de Pt-Ru (39,8 %). Le rendement
sur le potentiel semble donc être à l’origine des différences obtenues entre les deux
technologies de PEMFC. Les rendements globaux expérimentaux obtenus pour les deux
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technologies de PEMFC sont plus faibles avec le système photocatalytique B que ceux qui
avaient été obtenus avec le système photocatalytique A (13 %).
Si aucun processus de dégradation irréversible de l’assemblage membranaire ne semble
détecter sous hydrogène photocatalytique, une investigation plus minutieuse a été portée à
l’évolution de l’état de santé de la PEMFC.
Dans le document
Production d'hydrogène par photocatalyse et conversion électrochimique dans une pile à combustible.
(Page 173-177)