Rendement de la pile à combustible

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II.2.3. Le rendement de la pile combustible PEM L' aspectl epl usi mport ant del aconsommationl ect rochimi qued' un combusti bl eestque, t ravai llantunetempratureconst ante, unsystme l ect rochimiquen' apaslesmmesli mitati onsquecel lesimposesune machinethermiqueoprantavecunesourcechaudeetunesourcefroide (principedurendementdeCarnot ). Eneffet, l ' nergieut ilisableestgalela vari ationdel ' enthal pielibreAGcorrespondant l acombinai soni sot hermedu combusti bl eavecl ' oxygne.Dansunecellul edunepil ecombusti blePEMH2/O2lesractions ayant li eudansl esl ectrodessont :l ' anode(l ect rodengati ve): ++ e 2 H 2 H2 l acathode(l ect rodeposi tive) :O H e 2 H 2 O212 2 + ++ laracti onglobal eestalors:O H O21H2 2 2 +Danslesconditionsrver si bl es, l aforcelect romotri ce( f. . m. )del a cellul eest donneparl arelat ion:0 nFE Gq= + (1) OAGestl avari ati ondel ' enthal pi elibreractionnell e, Fl eFaraday,etnlenombred' lectronsmi senj eu. Dansl ecasdelapil eH2/O2lenombre nestgal2etl aval eurdeAG25Cestgal e-237kJ/moled' H2. La forcel ectromot ri cedelapil eest donc:V 23 , 196500 210 237nFGE3q== = (2) Cependant, dansl aralit , neserait -cequauniveaudelacell ule l ment aire, lirrversibili tdesphnomnesauxl ect rodes(surtensions dactivation)etl espert esohmiquesdansllect rol yt eainsi quel acombu stion directeparasit edesracti fsfontquel at ensi onetlerendementglobalsoient diminus. Lat ensi ondel acell uleest unefonctiondcroissant educourant,ell eest fort ement affect eparl escondit ionsthermodynami quesde foncti onnement . Ell ereprsentel acaract ri stiqueprincipal edelapil eetobitl arelation(3) ;o iiq dsi gnel asommedetoutesl espolarisations: =ii pile pileE E q (3) Enprati que, causedel ' i rrversibi litdesprocessusayantlieudans lacel luleetdeschutesohmiques, uneautreparti edel ' nergi echimi queesttransformeenchal eur. Lerendement pratiqueestai nsiexpri mpar : Hq1 cellA =(4) Avecq=TAS+q' >TASoT, ASet q' reprsentent, respectivement,lat emprat ure, l avariationdel ' entropi eetl achal eurdgageparl acell ul e lasuit edelapol arisation.Cerendementpeut aussitreformul parl eproduitdetrois rendements[Erreur!Sourcedurenvoiintrouvabl e. ]:rendement thorique (rversible), rendement enpotenti eletrendementFaradique(F E rI I I I = ).II.2.3.1. Rendement thorique rversible Lerendementidal(conditionsrversibl es)est dfi niparl erapportde l' nergi el ectri queproduit e( We=nFEcel l ul e)etdel ' nergiecorrespondantl a chal eurdel aract ion( -AH): HS T1HGHnFEHwcell er = ===A A(5) LetableauII-2donnelesval eursdurendement thoriquedel acellul e H2/O2pourdi ffrent est empratures.Tabl eauII-2:Evol ut iondurendement thoriquedelacellul eH2/O2en fonctiondel at emprature.T(K)2983534238001500 IrH2O(l )0, 830, 80--- IrH2O(g)0, 940, 930, 910, 830, 66 II.2.3.2. Rendement en potentiel IE Lerendementenpot enti elIEdel acellul esousdbit estdfinipar: ||.|

\|+ + = =eqohm c aeqEEjREj Eq q1) ((6) Cerendement , t oujoursinfri eurluni t, dpenddeli ntensit du courantquitraverselacellule:unecellule, dontlaf. . m. estde0, 70V, aun rendementenpotenti elIE=0, 70/1, 23=57%.II.2.3.3. Rendement Faradique IF LerendementFaradi queIF, est dfini commet ant l erapport entrele courant produitj et lecourantt hori quemaximaljmaxcorrespondantla ractionglobal edel acellul e, soit : nnjjFexpmax= = (7) Onexpestl enombredl ectronsexpriment aleffectivementchangs.Enprat ique, cerendementnatteintpas100%, parsuit ederactions l ect rochimiquesparal ll es(parexempl elaformati ondeformaldhydeetdacideformiquelorsdel oxydati ondumthanol), et derac tionschimiques ent rel esespcesracti ves, cat al ysesparl esmat riauxdl ect rodes, en parti culi erl oxydati onchimi queducombusti bleparloxygne.Autotal , l erendementglobaldelacel luleestleproduitdestrois rendementsprcdents, soit : ) () (

) () (exp expHj FE nnnEj EHnFE eqeqF E rcellA = A = = (8) Dansl ecasdel api lecombusti bleH2/ O2t ypePEMfoncti onnant 80C(enprenant IF~98%), l erendement gl obaldel acellul epourune tensionde0, 7Vestgal:Icel l=0, 910, 570, 98=50%.II.2.3.4. Rendement total du systme Lerendement gl obaldunepil ecombustibl enedpendpas seul ement deceluidescell ulesmaisaussideceluidesannexes. Laperte dnergi eduelacompressiondelai rillust rebi enleprobl me. Afinde conserveruneconcentrationl evedel oxygnel acathodeetdelimit erles risquesdasschement , il convi entdet ravaill erhautepression, en parti culi erfortcourant. Parconsquent , l aconsomma ti ondnergiepourl a compressiondesgazseraimport ante.Dansl hypothsedunecompressionadi abatiquedugaz, cet teperte dnergi epeutt retraduiteenpertedetensionlaidedelaformulesuivant e [Erreur!Sourcedurenvoiintrouvabl e. ]: ( )(((

|.|

\|=((

1PPF 4T C 5 ME1 ecsccompec p(air) c airq(9) Ovcestl erapportl astchi omtri eenentredel apil e,Mai restl amassemol aire(oudensit )del ai r( 28, 97. 10- 3kg/mol ),Ps c etPecsontl espressionsrespectivementensorti eetenentredu compresseur,Tecest lat emprat urel ' entreducompresseur,estl erapportdescapacitst hermiquesdelai r( =1, 4),Icompestl erendementducompresseur.Dansl ecasduncompresseuri dalderendementgall uni t, la chutederendement pourl acompressiondel ai rest de8%4bar. En gnral, cetabaissementestprochede20%;cequidonneunrendementgl obalde40%pourunet ensi ondecel lulede0, 7V. Lapert energti que danslesdisposit ifsdhumidi fi cati onestparcontreinversementproportionnell el apressi ondefonctionnement . Pourunepressi onde4bar,ell ereprsent e1, 4%del nergieproduite, parcont reell eestde4, 8%pour unepressionde1, 5bar.Act uellement, l espi lescombustibl es(annexescompris)autorisentdesrendementsdelordrede40%surdesquipementsdli vrant 30kW l ect rique. Cett eval eurreprsentepratiquementledoubledecelledu rendementdunemachi nethermiquecl assique(mot eurcombusti oni nterne).