La pile à combustible régénératrice unitaire (URFC) type PEM

est difficile à industrialiser.

Les plaques bipolaires, qui séparent les deux électrodes de cellules voisines (une anode d'une cellule, et une cathode de l'autre), ont un triple rôle :

• assurer la conductivité électronique entre 2 cellules voisines,

• permettre la distribution des réactifs aux sites catalytiques des électrodes, et évacuer les produits de réaction,

• assurer la gestion thermique à l'intérieur de la cellule en évacuant l'excès de chaleur.

Les plaques bipolaires sont habituellement fabriquées avec du graphite usiné non poreux ou par emboutissage de plaques métalliques résistantes à la corrosion. Les canaux de distribution sont gravés dans ces plaques. Des mousses métalliques peuvent également être utilisées pour distribuer les réactifs.

3.2 La pile à combustible régénératrice unitaire (URFC) type PEM

Les électrolyseurs et les piles à combustible de type PEM présentent de grandes similitudes (Figure 8).

Le cœur de cellule possède la même structure d’assemblage membrane-électrodes. La membrane protonique la plus utilisée reste dans les deux cas le Nafion^®. Bien que les réactions soient différentes, l’électrode négative où intervient l’hydrogène présente la même composition à base de platine métallique dispersé sur un support de noir de carbone. En effet le platine catalyse aussi bien la réaction d’oxydation de l’hydrogène (HOR – Hydrogen Oxidation Reaction) que la réduction des protons (HER – Hydrogen Evolution Reaction). Seule l’électrode positive à oxygène varie d’un système à l’autre : son potentiel varie fortement d’un mode de fonctionnement à l’autre et les catalyseurs usuellement utilisés sont différents (platine pour la pile à combustible et à base d’iridium pour l’électrolyseur).

Ce rapprochement permet d’envisager des systèmes électrochimiques capables de fonctionner alternativement comme électrolyseur ou comme pile à combustible. Ce type de système est nommé pile à combustible régénératrice (RFC – Regenerative Fuel Cell) [34]. Dans le mode d'électrolyse, le dispositif génère de l'hydrogène et de l'oxygène à partir de l'électricité et de l'eau, et dans le mode de pile à combustible il produit de l'électricité et de l'eau à partir de l'hydrogène et de l'oxygène stockés.

La pile à combustible régénératrice est donc un dispositif de stockage d'énergie semblable à une batterie rechargeable, avec de l'hydrogène (et éventuellement de l'oxygène) comme moyen de stockage. Contrairement aux systèmes de batterie, la pile à combustible régénératrice sépare les composants de génération de la puissance de ceux du stockage de l'énergie. La puissance de sortie du

33 système est déterminée par la taille du stack de piles à combustible et sa capacité énergétique correspond à la taille du sous-système de stockage de l'hydrogène et de l'oxygène.

Figure 8 : Représentation schématique d’une PEMFC et d’une PEMEC.

Les fonctions de l'électrolyseur et de la pile à combustible peuvent être intégrées dans un empilement unique de cellules (stack unitaire) ou deux stack distincts (stack discret) peuvent être utilisés (Figure 9). Dans la pile à combustible régénératrice unitaire (URFC), les deux fonctions de l'électrolyseur et de la pile à combustible sont réalisées dans un stack unique qui peut fonctionner alternativement dans chaque mode.

Figure 9 : Schéma de principe d'un système de pile à combustible régénératrice H2/O2 : (a) RFC – Regenerative Fuel Cell ; (b) URFC – Unitized Regenerative Fuel Cell [34].

34 Les électrolyseurs et piles à combustible type PEM sont des technologies matures. Ce n’est pas le cas des URFCs qui sont au stade de la recherche et requièrent encore de nombreuses optimisations avant leur possible commercialisation [35].

Dans une conception typique d'une URFC, chaque électrode est toujours en contact avec le même gaz, hydrogène ou oxygène, et la polarisation électrique de la cellule est inversée lorsque le système change de mode de fonctionnement. Par conséquent, si l'appareil fonctionne comme un électrolyseur, l'électrode à oxygène est l'anode (pôle +) et l'électrode à hydrogène est la cathode (pôle -). Si l'appareil fonctionne comme une pile à combustible, l'électrode à oxygène est la cathode (pôle +) et l'électrode à hydrogène est l'anode (pôle -). Il est donc important, lors de la conception des électrodes pour URFCs, que les deux électrodes soient conçues de telle façon qu'elles ne se dégradent pas lorsqu'elles sont utilisées dans un environnement oxydant.

Une autre approche [36, 37] consiste à utiliser une électrode comme anode quel que soit le mode de fonctionnement et la deuxième électrode conservera de la même manière son rôle de cathode. Ainsi, la cathode sera en contact avec l’oxygène en mode pile à combustible (pôle +) et avec l’hydrogène en mode électrolyseur (pôle -). Et inversement pour l’anode, elle sera le pôle positif en contact avec l’oxygène en mode électrolyseur et elle deviendra le pôle négatif en contact avec l’hydrogène en mode pile à combustible (Figure 10).

Figure 10 : Représentation des deux types d’URFCs. (A) Electrodes réversibles à hydrogène et oxygène ; (B) Electrodes à fonction redox fixe : électrode à oxydation et à réduction [36].

Ce deuxième type d’URFC rend la gestion des gaz plus difficile et impose des précautions supplémentaires, telles que des purges complètes entre chaque changement de mode, pour ne pas obtenir de mélanges oxygène – hydrogène potentiellement explosifs. La suite de cette étude se concentrera sur la configuration (A) à électrodes réversibles (Figure 10).

35 L’utilisation d’un stack unitaire est très intéressante pour des raisons de compacité et de coût du système mais il n’est alors plus possible de gérer des puissances de charge et de décharge très différentes. Par ailleurs, la conception d'une électrode d'électrolyseur est fondamentalement différente de la conception d'une électrode de pile à combustible. Alors que l'anode de l'électrolyseur (électrode à oxygène) est généralement conçue pour être noyée, la cathode de la pile à combustible (électrode à oxygène) doit repousser l'eau. Le fonctionnement avec de l'oxygène pur d'une électrode noyée ou partiellement noyée peut être possible, en particulier à pression élevée, mais le fonctionnement avec de l'air peut engendrer des limitations sévères dues au transport de matière, même à de très faibles densités de courant. De ce fait, la conception d'une URFC peut être plus facile pour les applications où l'oxygène est stocké et utilisé, tandis que des unités discrètes peuvent être un meilleur choix lorsque l'air est utilisé dans le mode de fonctionnement en pile à combustible.

La principale difficulté concernant le développement du cœur de cellule d’une URFC apparaît être la conception de l’électrode à oxygène. Comme le souligne la figure 8, l’électrode à hydrogène est similaire pour les deux modes de fonctionnement, mais l’électrode à oxygène diffère par sa composition, que ce soit au niveau de l’électrocatalyseur ou de la couche de diffusion. Pour rendre l’URFC compétitive, il est impératif de concevoir une électrode bifonctionnelle à oxygène (BOE – Bifunctional Oxygen Electrode) capable de catalyser aussi bien l’OER que l’ORR.

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4. Matériaux d’électrodes et conception d’une électrode bifonctionnelle à