Pile a combustible

1. Université Cadi Ayyad
Faculté des Sciences et Techniques
Département des Sciences Chimiques
Mini-projet :
Année universitaire : 2022/2023
Les Piles à combustible
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PAC : pile a combustible

2. Conclusion
Les avantages ,Les inconvénients et Les applications de la PAC
Technique de fonctionnement de la PAC
Introduction
Présentation générale de la PAC
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3. Une pile à combustible assure la conversion d’énergie :
chimique → électrique + thermique.
Comme une pile électrique classique, elle produit du courant électrique continu.
la pile à combustible n'utilise pas des couples rédox métalliques, mais un
combustible, et un comburant (le dioxygène).
Intérêt: le combustible est plus abondant et moins polluant que les couples rédox
utilisés dans une pile.
 Introduction :
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4. Définition :
Le cœur de la PAC est constitué de trois éléments dont deux électrodes (l'anode et le
cathode) séparées par un électrolyte
Figure 1: transformation d'énergie
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 Définition :
La pile a combustible est une pile (électrochimique) dans laquelle la génération d‘une
tension se fait grâce a l'oxydation de l'hydrogène au niveau de l'anode et la réduction de
l'oxygène au niveau de cathode avec seul produit de l'eau et de l'énergie.

5. Types de la PAC :
L'électrolyte :
forcée les électrons à traverser le circuit externe de la
cellule de l'anode vers la cathode afin d'obtenir une
courant électrique
 L'électrolyte est un élément qui permet de déterminer la température et les caractéristiques énergétiques da la PAC .
Electrolyte basique : induite une
migrations d'ions négative (OH-,O2
-
,CO3
-) de cathode vers l'anode
Electrolyte acide : induite une
migration d'ions positifs (H+) de
l'anode vers la cathode
 types de piles à combustible
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6. Type Electrolyte
Température
(°C)
Rendements (%) Développement
PAFC
Pile à combustible à acide phosphorique
H3PO4 200 40
40 KW
à 11 MW
PEMFC
PA à membrane échangeuse de protons
Membrane
85 50 à 60 10 KW
DMFC
Pile à combustible à méthanol directe
H2SO4 70 40 5 KW
SOFC
Pile à combustible à oxyde solide
ZrO2/Y2O3
1000 55
3 KW
à 10 KW
AFC
Pile à combustible à électrolyte alcalin
KOH 80 47 100 KW
MCFC
Li2CO3/K2CO3 650 54
25 KW
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7.  Description de la PAC :
Figure 2: Structure d’un empilement des cellules de la pile PEMFC
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8.  Composants de la PAC (PEMFC):
Figure 3: Composantes de la PEMFC
 L’électrolyte
L’électrolyte est une membrane polymère solide, les
ions négatifs sont retenus dans la structures de
la membrane. Seuls les ions hydrogène H sont
mobiles et libres de transporter la charge positive à
travers la membrane, de l’anode vers a cathode.
 Les électrodes
Sièges des réactions d’oxydation et de réduction,
elles sont recouvertes de platine .
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9.  Composants de la PAC (PEMFC):
Figure 3: Composantes de la PEMFC
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 les plaques de diffusion (backings)
Entourant les électrodes, elles ont un triple rôle :
- diffuser les gaz sur les électrodes ;
- permettre le transfert des électrons ;
- assurer la gestion de l’eau
 Les plaques bipolaires
C’est le cœur de la pile, elles permettent :
- la distribution des gaz ;
- l’évacuation de l’eau ;
- la collecte du courant.

10.  Principe de fonctionnement
Figure 4: principe de fonctionnement d‘une PAC
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 a l'anode : H2 2 H+ + 4 e–
 a le cathode : 4 H+ + 4 e– + O2 2H2O

11.  On sait que: E° = - ∆G°∕ nF
S= - (δG / δT)p
−𝒅∆𝑮𝒓
𝒅𝑻 𝑷
= 𝒏𝑭
𝒅𝑬
𝒅𝑻
∆𝑺𝒓
𝒏𝑭
=
𝒅𝑬
𝒅𝑻
Pendant son fonctionnement, une pile à combustible cède de la chaleur au milieu
ambiant (T△S < 0). Par conséquent, le potentiel réversible de la pile diminue
lorsque la température augmente (dE/dT < 0)
Facteurs influence sur l'énergie du pile a combustible :
 Température :
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12.  Pression :
réaction globale suivante :
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O (ℓ)
Par la suite on obtient :
E=E°- (RT/nF) ln (aH2O / (aH2.aO2))
Sachant que l’activité de l’eau liquide est aH2O = 1 :
𝑬 = 𝑬° −
𝑹𝑻
𝒏𝑭
𝐥𝐧
𝟏
𝑷𝑯𝟐
. (𝑷𝑶𝟐
)
𝟏
𝟐
 Nous pouvons alors remarquer que la tension fournie par la pile augmente avec la pression
partielle des gaz réactifs. Cependant, cette croissance étant logarithmique, il faut prendre en compte
l’énergie nécessaire à la montée en pression des gaz.
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13.  Potentiel de polarisation:
Figure 5: l’évolution de la tension réelle U d’une pile de type PEM en
fonction de la densité de courant j
 On peut distinguer trois formes de polarisation :
La polarisation d’activation
Eact, due à la cinétique des
réactions ayant lieu à
l’interface réactionnelle
électrode/membrane,
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14.  Potentiel de polarisation:
Figure 5: l’évolution de la tension réelle U d’une pile de type PEM en
fonction de la densité de courant j
 On peut distinguer trois formes de polarisation :
la polarisation de résistance
Eohm, provoquée par les pertes
ohmiques dues à la résistance
électrique des différents
éléments de la pile,
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15.  Potentiel de polarisation:
Figure 5: l’évolution de la tension réelle U d’une pile de type PEM en
fonction de la densité de courant j
 On peut distinguer trois formes de polarisation :
la polarisation de concentration
Econc, causée par la variation de
concentration des réactifs sur
l’électrode.
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16. Où k est la constante de vitesse et A une constante fonction de la réaction.
 Potentiel d'activation:
 la loi empirique D'Arrhenius permet de décrire la vitesse des réactions électrochimique de la PAC:
𝑲 = 𝑨𝒆
−𝑬𝒂
𝑹𝑻
 Énergie d'activation :
cette énergie se calcule à partir des enthalpies de liaison des molécules .
 Par exemple, pour la réaction entre l’hydrogène et l’oxygène, les énergies nécessaires sont celles d’une
molécule d’hydrogène et d’une demi-molécule d’oxygène :
H2 2 H+ + 2 e- avec ∆H = 436 kJ.mol-1
½ O2 + 2 e- O2- avec ∆H = (438/2) kJ.mol-1
Soit une énergie d’activation de 655 kJ.mol−1.
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17. Le rendement de la pile à combustible est inférieur à 100 % peut être expliqué par la perte d’énergie
sous différentes formes. Ces pertes peuvent à terme diminuer davantage le rendement de la pile. Dans
cette partie seront abordées 3 types de pertes mises en jeu :
- Pertes ohmiques ηohm .
- Pertes dues par la barrière d’activation ηact .
- Pertes dues aux concentrations des réactifs ηconc .
 Le rendement de la pile PEMFC et ses limites :
Figure 6: Pertes de tension dans une PAC 17

18.  Les avantages Les inconvénients de PAC :
 Les avantages sont :
 Une énergie propre sans émission
 Un fonctionnement silencieux
 Fiabilité et durée de vie
 Faible pollution dans l’environnement
 L’élément chimique utilisé est le plus
présent sur notre planète
 Les inconvénients sont :
 Sécurité (l’hydrogène est une matière première explosive)
 Les limites du procédé
* Les fuites
* L’inflammabilité
* Le prix de l’hydrogène
* Prix très élevé (à cause des matériaux qui la compose)
* Par exemple : -Catalyseur composé en platine
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19.  Les applications de la PAC
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 Les piles à combustible se différencient aussi
par leurs domaines d’application. Ce sont
principalement :
•les transports :voitures éléctriques , bus,
aéronefs ;
•les appareils portables : ordinateurs,
téléphones, DVD, etc ;
•la production stationnaire d’électricité et
la cogénération chaleur/électricité ;
.

20. La PAC est une source propre pour l'environnement et la solution aux problèmes qui
sont liés aux énergie fossiles.
Soit 90% de ces énergies sont utilise pour la production du dihydrogène.
Résoudre plusieurs problèmes de coût de stockage du d‘hydrogène et d'énergie
produite.
Conclusion
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