Amandine Vibert

Amandine Vibert
Camille Roger Travaux Pratiques :
La Pile à Combustible
Objectifs :
 Caractéristique électrique d’une pile à combustible de 40W,
 Influence du débit de H2, d’O2 et de la température sur la caractéristique électrique,
 Rendement
Fonctionnement de la pile à combustible :
La pile à combustible est composée d’une anode et d’une cathode séparée par un électrolyte.
Elle vise à transformer l’énergie chimique en énergie électrique. Pour ce faire, il se produit
une réaction d’oxydation sur l’anode suivant la relation
 eHH 22
2
Les H+ ainsi délivrés traversent l’électrolyte et rentre en contact avec la cathode où il se
produit la réaction de réduction
OHeHO 22 244  
Les électrons ainsi délivrés permettent la production d’un courant électrique.
Manipulations :
 Effet de la température
o Caractéristique tension courant de la pile à 28°C
Mettre la pile en fonctionnement, augmenter la charge jusqu’à atteindre une température 28°C
puis la redescendre à niveau 0. Ensuite augmenter l’intensité de 0 à 10 A. Relever la tension et
tracer la caractéristique Vstack =f(Istack).
o Caractéristique tension courant de la pile à 40°C
Même manipulation pour atteindre la température de 40°C.
V=f(I)
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
0 2 4 6 8 10 12
Courant
tension
Série1
Série2
Graphe 1: Courbes caractéristiques tension-intensité de
la pile.

La courbe notée « Série 1 », représentée avec les losanges bleus, montre la caractéristique
tension intensité lorsque la température de fonctionnement de la pile est aux alentours de
28°C.
La courbe notée « Série 2 », représentée avec les carrés violets, montre la caractéristique
tension intensité lorsque la température de fonctionnement de la pile est aux alentours de
37°C.
On remarque que la courbe violette est très légèrement plus haute que la bleue. Cela équivaut
à dire que pour une même intensité de fonctionnement, ou de charge, la tension est plus
élevée et donc la puissance recueillie à la sortie de la pile est plus importante lorsque sa
température de fonctionnement est élevée.
En d'autres termes, plus la pile à combustible est chaude, mieux est son rendement, car la
puissance récupérée est plus élevée.
 Modèle électrique de la pile avec le modèle de Thévenin :
Le modèle équivalent de la pile à combustible est le suivant :
Nous avons une résistance équivalente Rth et un
générateur de tension Eth, ces deux éléments sont
traverser par le même courant I.
La tension VAB est alors égale à :
VAB = Eth – (I * Rth)
Eth et Rth peuvent être déterminé grâce aux relevés de mesure effectuée sur la maquette de la
pile à combustible, la régression linéaire de la droite nous donne l’équation suivante pour une
température de 40 °C:
U = 8.2943 – 0.3021 I
Ce qui nous donne comme valeur : Rth = 0.3021Ω et Eth = 8.2943V
Pour Istack=10A nous aurons une puissance dissipée par effet joule de valeur : RI2
Soit P = 0.3021*100 = 30.21 W
Cette résistance interne à la pile est due à la membrane. En effet, elle ne transmet pas la
totalité des charges produites lors de la réaction chimique.
Illustration 1: Schéma équivalent
de la pile à combustible.

 Relation entre le débit volumique de dihydrogène et le courant débité :
Même manipulation que précédemment avec une température de pile avoisinant les 40°C. Le
changement vient des données à exploiter. Cette fois, nous nous concentrerons sur le volume
de dihydrogène et le courant débité.
Voici la courbe débit de dihydrogène en fonction de l'intensité débitée.
On remarque qu'avec les résultats, une droite de régression linéaire peut être tracé, dont
l'équation est Débit de H2 = 70,76 Istack +1,16
Et ainsi, à chaque ampère de charge ajouté, un volume égal à 70 mL/min de dihydrogène est
ajouté.
Ce facteur 70 est cependant retrouvable par des voies physiques; expliquons nous.
L'intensité représente le nombre de charges passant par section en un temps donné. On peut
l'exprimer par la relation suivante:
Istack = dQ / dt
Le gaz fournisseur est le dihydrogène; c'est lui qui fournit les protons H+ nécessaire à la
production d'électricité. VH2 = dV /dt
0 2 4 6 8 10 12
0
100
200
300
400
500
600
700
800 f(x) = 70,76x + 1,61
Débit(H2)=f(I)
Colonne F
Régression linéaire pour Colonne F
Courant (A)
Débit de H2 (ml/min)
Illus
tration 2: Graphe 2: Influence du courant de la pile sur la consommation de dihydrogène.

On sait que le nombre de moles n=V/Vm,
Vm étant le volume molaire du gaz et est égale à 22,4 L/mol.
Pour avoir le nombre de charges, on multiplie par le nombre d'Avogadro, NA = 6.1023 mol-1.
Or lors de la réaction, 2 électrons sont produits, ce qui nous amène un facteur 2. Et enfin, on
multiplie par la valeur de la charge en Coulombs, q = 1,6.1019 C.
Donc la valeur de la charge est égale à
Q = (VH2.NA.2.q)/Vm
Or, Istack = dQ / dt
Soit Istack =(NA.2.q.10-3/(Vm.60)).dVH2/dt
Ensuite Istack = 0,143 VH2
Pour se rapporter à la courbe, on permute I et V; ce qui nous donne:
VH2 = 7 Istack
Le facteur de la courbe nous donne 70. Or le facteur ici calculé correspond à la valeur pour
une cellule, or notre pile en comprend 10. Donc, on retrouve bien :
VH2 = 70 Istack
Cela correspond bien à notre résultat expérimental.
 Effet de l'approvisionnement en air par les ventilateurs :
Partant toujours du même point de départ, on ajoute un réglage de la ventilation à 6% puis on
relève les valeurs de la tension Ustack pour des échelons de courant allant de 1 à 10 A.
Cela nous donne la caractéristique suivante :

On a vu précédemment que VH2 = 70 Istack
Donc si on veut que le courant qui parcourt la pile soit de 10A, alors le volume de
dihydrogène fourni est de 700L.
L’équation de d’oxydoréduction à l’anode est
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
A la cathode, la réaction produit 2 électrons. Or ici, il nous en faut 4. Donc il nous faut 2
volumes de dioxygène, soit 1400L.
VO2 = 1400L
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
Vstack=f(Istack)
Colonne I
Courant
Tension
Illustration 3: Influence de la ventilation sur les performances de la pile à combustible.