Caractéristique d'une pile à combustible — exercice corrigé de chimie : thermodynamique et électrochimie (PT) (chapitre 3)

Caractéristique d'une pile à combustible

Électrochimie : thermodynamique et cinétique des réactions redox · niveau 2

Énoncé

Une cellule de pile à combustible ( $80° C$ , air) a une tension à vide de $1.170 V$ et une résistance surfacique de membrane $r = 0.050 Ω c m^{2}$ ; le surpotentiel de l'anode vaut $η_{a} = 0, 020 j$ (en volts, $j$ en $A / c m^{2}$ ). Les relevés de la cathode donnent :

$j$ ( $A / c m^{2}$ )	$0, 001$	$0, 1$	$0, 5$	$1, 0$	$1, 4$	$1, 55$
$η_{c}$ ( $V$ )	$- 0, 20$	$- 0, 30$	$- 0, 36$	$- 0, 40$	$- 0, 47$	$- 0, 60$

et un palier de diffusion du dioxygène de l'air à $1.6 A / c m^{2}$ . Tracer la caractéristique $U (j)$ et la puissance surfacique ; à quelle densité de courant la puissance est-elle maximale ?

Corrigé

$U = 1, 170 - η_{a} - ∣ η_{c} ∣ - r j$ :

$j$ ( $A / c m^{2}$ )	$0, 001$	$0, 1$	$0, 5$	$1, 0$	$1, 4$	$1, 55$
$U$ ( $V$ )	$0, 97$	$0, 86$	$0, 78$	$0, 70$	$0, 60$	$0, 46$
$P = U j$ ( $W / c m^{2}$ )	$0, 001$	$0, 086$	$0, 39$	$0, 70$	$0, 84$	$0, 72$

La caractéristique chute d'abord de $0.2 V$ dès les plus faibles courants (la réduction du dioxygène est un système lent), décroît ensuite presque linéairement (chute ohmique et lente croissance du surpotentiel), puis s'effondre à l'approche du palier de diffusion, où la cathode ne peut plus porter davantage de courant. La puissance passe par un maximum d'environ $0.84 W / c m^{2}$ vers $1.4 A / c m^{2}$ ; on fonctionne en deçà, où le rendement est meilleur.