PEM

Une membrane électrolyte polymère (PEM) est une feuille de plastique mince et solide qui conduit les protons tout en bloquant les électrons et les gaz. Elle est au cœur des piles à combustible PEM et des électrolyseurs PEM, où elle effectue le travail essentiel de séparation des réactions chimiques qui, autrement, s'annuleraient mutuellement. La membrane est généralement fabriquée à partir d'un polymère d'acide perfluorosulfonique (tel que le Nafion), une ossature fluorocarbonée avec des chaînes latérales d'acide sulfonique qui absorbent l'eau et permettent aux protons de passer.

Dans une pile à combustible, la PEM sépare l'anode de la cathode. L'hydrogène entre du côté de l'anode, où il est oxydé en protons et en électrons. Les électrons traversent un circuit externe pour alimenter une charge ; les protons traversent la membrane elle-même et se recombinent avec l'oxygène et les électrons à la cathode pour produire de l'eau. La membrane doit être imperméable aux gaz hydrogène et oxygène, sinon le combustible traversera et la cellule perdra en efficacité. L'épaisseur de la membrane varie généralement de 50 à 200 micromètres.

Dans un électrolyseur, la PEM fonctionne en sens inverse : le courant électrique divise l'eau en hydrogène gazeux à l'anode et en oxygène à la cathode, les protons migrant à travers la membrane. Cette configuration est plus propre que l'électrolyse alcaline car elle produit des gaz secs et fonctionne à des densités de courant plus élevées, mais l'environnement acide agressif et les tensions élevées exigent des matériaux d'une durabilité réelle.

Modes de défaillance et dégradation

Les PEM se dégradent par plusieurs mécanismes. L'attaque par les ions fluorure rompt les liaisons dans l'ossature polymère, en particulier sous haute température ou faible humidité relative. Les contraintes mécaniques dues aux cycles d'absorption et de désorption de l'eau provoquent des fissures et la formation de micro-trous. Le croisement des gaz non réagis entraîne le mélange d'hydrogène et d'oxygène aux électrodes, générant des points chauds locaux. La plupart des membranes PEM commerciales sont conçues pour 40 000 à 80 000 heures de fonctionnement dans les applications de piles à combustible stationnaires, bien que les cycles de service automobile et cyclique accélèrent la défaillance.

Le terme « membrane électrolyte polymère » distingue cette technologie des électrolytes à oxyde solide plus anciens (qui fonctionnent au-dessus de 800 degrés Celsius) et des membranes alcalines. La PEM fonctionne à 60 à 80 degrés Celsius, ce qui réduit les coûts du système et simplifie les matériaux, mais la membrane elle-même reste le composant le plus cher d'un stack de piles à combustible PEM, représentant environ 30 % du coût du stack.