Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une pile à combustible qui utilise de l’hydrogène et de l’oxygène pour libérer de l’énergie électrique. Sa caractéristique distinctive est une membrane électrolytique appelée assemblage d’électrodes à membrane (MEA) qui permet le passage des protons mais pas des électrons. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons a des applications potentielles en tant que pile à combustible fixe et portable.
Un MEA a un côté anode et un côté cathode. Un courant électrique circule dans le côté anode du MEA et hors de son côté cathode. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons délivre de l’hydrogène gazeux du côté anode du MEA, qui divise les atomes d’hydrogène en électrons et protons, un processus qui peut être représenté par une équation : H2 -> 2e- + 2H+. Les protons de cette réaction traversent le MEA jusqu’à son côté cathode, et les électrons passent du côté cathode du MEA à travers un circuit externe. La combinaison de ces processus crée un courant électrique.
Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons fournit également de l’oxygène gazeux au côté cathode du MEA. Si les molécules d’oxygène diatomique (O2) peuvent être divisées en atomes d’oxygène, les protons traversant le MEA peuvent réagir avec ces atomes d’oxygène pour former des molécules d’eau. Cette réaction peut également être représentée par une équation : O + 2H+ + 2e- -> H2O.
Le MEA doit répondre à plusieurs critères pour produire de l’électricité. Il ne peut pas permettre à l’hydrogène ou à l’oxygène gazeux de le traverser. Le MEA doit également pouvoir résister à l’effet oxydant côté anode et à l’effet réducteur côté cathode.
Les catalyseurs au platine peuvent être utilisés pour diviser les molécules d’hydrogène avec une relative facilité. Cependant, le fractionnement des molécules d’oxygène avec des catalyseurs au platine produit des pertes électriques importantes. Un problème supplémentaire avec les catalyseurs au platine est qu’une très petite quantité de dioxyde de carbone dégradera considérablement leurs performances. Les scientifiques n’avaient pas découvert de catalyseur pratique pour diviser les molécules d’oxygène en 2010, mais un catalyseur composé de carbone, de fer et d’azote s’était montré le plus prometteur. La principale difficulté avec ce catalyseur est que sa vitesse de réaction chute rapidement sur une courte période de temps.
L’eau provoque également des pertes électriques dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons. La pile à combustible doit empêcher l’excès d’eau d’inonder le MEA mais laisser suffisamment d’eau pour empêcher le MEA de se dessécher. La gestion de l’eau dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons est difficile, car l’eau est attirée du côté cathodique du MEA. Les pompes électro-osmotiques sont une solution possible à ce problème.