de Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Protons

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMLENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DES SCIENCES
ET DE LA TECHNOLOGIE HOUARI BOUMEDIENNE
FACULTÉ DES SCIENCES DE L’INGÉNIEURE
DÉPARTEMENT DE GÉNIE DES PROCÉDÉS
Mémoire
Présentée pour l’obtention du diplôme:
Ingénieur d’Etat
Spécialité : Génie des Procédés
Option : Génie Chimique
THÈME
Présenté par :
Melle Amrouche Fethia
Soutenue publiquement le : 2 Novembre 2004, devant le jury composé de :
Mme Djouadi Chargé de cours USTHB Président
Mr B. Mahmah Attaché de recherche CDER Promoteur
Melle F. Ayati Magister USTHB Co - Promoteur
Mme Sabba Maître assistant USTHB Examinatrice
Année Universitaire 2003-2004

« Avant tout, je remercie Dieu tout puissant »
Nous tenons, en premier, à adresser nos sincères
remerciements au directeur du centre de développement des
énergies renouvelables « CDER » Mr M.Belhamel qui nous
a permis d’effectuer ce travail au sein de son organisme.
Nous destinons, aussi des remerciements distinctifs au chef
de la division Mr A.Khellaf pour sa compréhension ainsi
qu’à Mme R.Khellaf pour sa collaboration.
Je remercie chaleureusement mon promoteur, Mr
B.Mahmah et ma co-promotrice à l’USTHB Melle F.Ayati,
dont la pertinence des observations ont considérablement
contribué à l’aboutissement de mon travail.
J’adresse aussi des remerciements particuliers aux
chercheurs du laboratoire de l’hydrogène du CDER, Mr
Y. Mouhamedi pour son apport téchnique et Mr L. Serrat.
Mes remerciements vont ensuite à Mr A. M’raoui du la
division biomasse pour son assistance ainsi qu' à
Mr Benbraika de l’ENP d’Alger.
Enfin, j’adresse des remerciements particuliers à tous
mes professeurs et en particulier ceux de l’institut de génie
des procédés de l’USTHB qui ont su par leurs générosités et
leurs patiences exemplaires me transmettre leurs savoirs et
leurs expériences dans le domaine.
Remerciements

Sommaire
Sommaire
Liste des figures
Listes des tableaux
Nomenclature
Introduction générale 1
Chapitre І piles à combustible à membrane échangeuse de protons 2
1. Pile à combustible à électrolyte polymère solide (PEMFC) 2
1.1 Technologie PEMFC 2
1.2 Applications 3
2. Etude technique de la PEMFC 3
2.1 Membranes conductrices protoniques 4
2.2 Electrodes 5
2.3 Plaques bipolaires 6
2.4 Plaques de diffusion (Les Backings ) 6
3. L’assemblage des piles PEMFC 6
3.1 Description de l’assemblage en série 7
3.1.1 configuration conventionnel de l’assemblage verticale 7
3.1.2 configuration plane 7
3.1.2.1 configuration de l’assemblage en bande 7
3.1.2.2 configuration de l’assemblage flip-flop 7
Chapitre ІІ Étude électrochimique de la PAC 8
1. Performances idéales d’une PEMFC 8
2. Performances réelles 9
2. 1 Étude des phénomènes de polarisations 9
2.1.1 Polarisation d’activation 9
2.1.2 Polarisation ohmique 10
2.1.3 Polarisation de concentration (transfert de matière) 10
2. 2 Potentiel réel de l’anode 11
2. 3 Potentiel réel de la cathode 11
2. 4 Potentiel réel global 11
3. Rendement d’une Pile à combustible à électrolyte polymère solide H2 / O2
(PEMFC) 13
3. 1 Rendement théorique 13
3. 2 Rendement électrique 13
3. 3 Rendement faradique 14
3. 4 Rendement matière 14
3. 5 Rendement système 14
3. 6 Rendement général de la pile 14
4. Aménagement de l’eau à l’intérieur de la pile 14
Chapitre ΙΙΙ Modèles électrochimiques des piles à combustible 17
1. Modèle électrochimique proposé 17
1.1 Performance réelles d’une PEMFC 17
1.1.1 Etude des phénomènes de polarisation 18

1.1.1.1 Polarisation d’activation 18
1.1.1.2 Polarisation ohmique 19
1.1.1.3 Polarisation de concentration 20
Chapitre ΙV Partie expérimentale et interprétations des résultats 22
1. Introduction 22
2. Description du matériel utilisé 22
2.1 Description de la pile et de sa périphérie 22
3. Caractérisation de la PEMFC 24
3.1 Caractérisation d’une pile unitaire 24
3.1.1 Description du montage 24
3.1.2 Conditions opératoires 24
3.1.3 Résultat 25
3.1.4 Interprétation des résultats 25
3.1.5 Courbe de la densité de puissance en fonction de la densité de courant 26
3.1.5.1 Interprétation des résultats 27
3.1.6 L’influence de la charge sur les caractéristiques électriques de la pile 27
3.1.6.1 Sur la tension et l’intensité de courant 27
3.1.6.1.1 Interprétation des résultats 28
3.1.6.2 Sur le rendement électrique 28
3.1.6.2.1 Interprétation des résultats 28
3.1.7 L’influence de l’humidification de la membrane sur les caractéristiques
électriques de la pile 28
3.1.7.1 Interprétation des résultats 29
3.1.8 L’influence de la pression sur les caractéristiques électriques de la pile 29
3.1.8.1 Interprétation des résultats 30
3.1.9 Étude de l’état dynamique de la pile 31
3.1.9.1 Mode opératoire 31
3.1.9.2 Conditions opératoires 31
3.1.9.3 Courbe de la tension en fonction du temps 32
2.1.8.3.1 Interprétation des résultats 32
3.1.9.4 Courbe de la densité de courant en fonction du temps 33
3.1.9.4.1 Interprétation des résultats 33
3.1.9.5 Influence de la température 33
3.1.9.5.1 Courbe de la température en fonction du temps 34
3.1.9.5.2 Interprétation des résultats 34
3.2 Caractérisation d’un assemblage de pile 34
3.2.1 Deux piles en série 35
3.2.1.1 Description du montage 35
3.2.1.2 Conditions opératoires 35
3.2.1.3 Résultats 35
3.2.1.4 Interprétation des résultats 36
3.2.1.5 Courbe de la densité de puissance en fonction de la densité de courant 37
3.2.1.5.1 Interprétation des résultats 38
3.2.1.6 Influence de la charge sur les caractéristiques électriques de la pile 38
3.2.1.6.1 Sur la tension et l’intensité de courant 38
3.2.1.6.2 Sur le rendement électrique 39
3.2.1.7 L’étude de l’état dynamique de l’assemblage de deux piles en séries 40
3.2.1.7.1 Mode opératoire 40