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Pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)

1960
  • Willard Thomas Grubb
  • Leonard Niedrach
Pile à combustible à membrane échangeuse de protons en laboratoire, illustrant la technologie de conversion d'énergie.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Une membrane échangeuse de protons Pile à combustible La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) utilise une membrane polymère solide, telle que le Nafion, comme électrolyte. Cette membrane conduit sélectivement les protons (H⁺) de l'anode à la cathode. Les PEMFC fonctionnent à basse température (généralement entre 50 et 100 °C), ce qui permet un démarrage rapide et une conception compacte. Elles nécessitent de l'hydrogène de haute pureté comme combustible afin d'éviter l'empoisonnement des catalyseurs à base de platine.

The heart of the PEMFC is the membrane electrode assembly (MEA), which consists of the proton-exchange membrane sandwiched between two catalyst-coated electrodes. At the anode, hydrogen gas is split into protons and electrons: [latex]H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-[/latex]. The solid polymer membrane, which is an electrical insulator, allows only the protons to pass through to the cathode. The electrons are forced to travel through an external circuit, generating the electrical current. At the cathode, oxygen from the air, the protons from the membrane, and the electrons from the external circuit combine to form water: [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O[/latex].

A critical aspect of PEMFC operation is water management. The membrane must remain hydrated to maintain its proton conductivity, but excess water at the cathode (product water) can block the flow of oxygen to the catalyst sites, a phenomenon known as ‘flooding’. The low operating temperature makes PEMFCs susceptible to catalyst poisoning, particularly from carbon monoxide (CO) present in reformed hydrogen, which binds strongly to the platinum catalyst sites. This necessitates the use of very pure hydrogen fuel, increasing operational costs.

UNESCO Nomenclature: 3305
Technologie énergétique

Taper

Dispositif physique

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • invention de la pile à combustible par William Grove (1838)
  • Développement de la première membrane polymère échangeuse d'ions, le Nafion, par Walther Grot chez DuPont (fin des années 1960)
  • recherches sur les propriétés catalytiques du platine

Applications

  • systèmes de propulsion pour véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) comme la Toyota Mirai et le Hyundai Nexo
  • groupes électrogènes de secours pour les infrastructures critiques
  • générateurs d'énergie portables à usage récréatif et militaire
  • véhicules de manutention comme les chariots élévateurs
  • sources d'énergie pour les vaisseaux spatiaux du projet Gemini de la NASA

Brevets:

  • US2913511A (Willard T. Grubb, 1959)

Idées d'innovations potentielles

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Lié à : pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), membrane échangeuse de protons, Nafion, catalyseur, platine, hydrogène comme carburant, ensemble membrane-électrode, basse température, automobile, General Electric.

Contexte historique

Pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)

1960
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1964
1970
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1960
1960
1963
1965-12-21
1970

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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