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Série STL - Classe terminale

Enseignement de sciences physiques & chimiques en laboratoire

Systèmes & Procédés

Proposition d'une étude de cas autour de la production autonome d'électricité

Activités autour de la pile à combustible

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Sommaire

* Le sous-système réel : La pile à combustible

* Description du système didactique Choix d'un système ''adapté''

* Description de quelques activités expérimentales

* Prolongements

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Le système réel

Coeur de pile PEMFC Ballard (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)Combustible : mélange équimolaire méthanol / eau déminéralisée

→ Evolution vers éthanol, GPL

Consommation de combustible : 1,4 l/h à 1 kWe, 0,2 l/h en veille

Durée de vie 1500 à 2000 heures de fonctionnement

Pile IDATECH FCS1200

1 kW – 48 V DCRendement 20 – 26 %

Dim:800 x 700 x 700 mm 65 kg

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Vapo- Reformag

e

Pileà

Hygrogène

H2

Chaleur

CH3OH

H2O

12 bar

DC/DC26 V/48 VP P

48 V

Structure de la pile à combustible

H2OCO

2

O2

26 V

Air ambiant

H2

130°C

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Choix d'un système didactique

4 types de système :

- Maquette didactique ''proche'' d'un système réel

- Petit module du commerce

- Module élémentaire DPEM (méthanol)

- Module élémentaire PEM

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Système didactique ''réel''

Coût élevé, > 10 000 €Contraintes liées à l'alimentation en hydrogène

Type PEM

50 W5 V

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Pile à usage unique !

1 W

3,6 – 5,2 V

220 mA

30 W.h

Durée de vie : 5 mois

185 gDimension : 96 x 67 x 37mm

< 100 €

Pile du commerce

Stockage H2

Hydrures métalliques

Libération de H2 par

décomposition catalytique d'une solution aqueuse de borohydrure de sodium :

NaBH4 + 2H

2O → NaBO

2 + 4H

2

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Type DPEM

10 mW0,5 V

Méthanol (3%)

Abordable : < 100 €

Faible puissanceManipulation du méthanol !

Module élémentaire alimenté au méthanol

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Abordable : < 200 €Exploitation expérimentale possible

Module élémentaireType PEM

0,5 W0,4 V – 1 V1 A

7 mL H2 / min pour 1 A

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Quelques expériences

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Quelques expériences

* Production d'hydrogène par électrolyse de l'eau

* Caractéristique de la pile

* Phénomènes transitoires

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Utilisation

del'énergieélectriqu

e

Productionet

stockagede

l'hydrog

ène

H2

Pileà

Hygrogène

H2O

O2

Air ambiant

H2

Energie électrique

Chaleur

Les questions autour de l'utilisation d'une pile à hydrogène de démonstration

Attention aux ''décalages'' avec le système réel !

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Electrolyseur

Puissance électrique

Pileà

Hygrogène

VH2

VO2

Puissanceélectrique

Grandeurs mesurées:U, I, t

H2O H

2

Chaleur

Mesures difficiles !Evaluation des pertes par calcul

Mesures et exploitations possibles

Grandeurs mesurées:U, I, t

Grandeurs mesurées:

VH2 VO

2

Evaluation du rendement de l'électrolyseurEvaluation du rendement électrique de la chaîne

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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Débit H2

I(A)

bit

H2

(m

L/m

n)

Caractéristiques :

1,4 - 1,8 V0 - 500 mA

Débit maxi : 3,5 mL / mn( en réalité > 6 mL / mn pour I ≈ 0,8A)

Stockage : 10 mLà pression atmosphérique

Faraday :dn/dt = I / 2F

Autour de l'électrolyse

dV/dt = a.I

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.20.40.60.8

11.21.41.61.8

2

Electrolyseur

I(A)

U(V

)

U = E + r.I

r ≈ 0,5 Ω

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Electrolyse / Exploitations & Prolongements

* Sur les modes de production de H2 :

* Stockage

* Evaluation du rendement (Faraday) :

Production de n = 8.10-5 moles d'H2 pour W

élec= 29 J

Quelles sources d'énergie ? Quels procédés ?

Electricité

Electrolyse

Combustible fossile& BiomasseReformage

Gazéification

Pyrolyse

Chaleur (solaire)

Dissociation thermochimique de H

20

Sous pression350 → 700 bar

Hydrures métalliques

Nanostructuresde carbone

η ≈ 65 %

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Autour de la pile

Caractéristiques :

0,4 – 1VImax = 1 A

Consommation : 7 mL / min pour I = 1 A

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pile PEM

U=f(I)

I(A)

U(V

)

U = E0 – r.I – UC - U

A

Détermination de la résistance interne (membrane) : r ≈ 0,5 Ω

Débit H2 : 3,5 mL / mn

0,3 Ω < RCharge

< 10 Ω

Energie chimique

ΔG- 273 kJ / mol

H2

(à 25°C)

Energie électrique

n.F.E0

E0 = 1,23 V(à l'équilibre)

Combustion de H2

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0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 50 100 150 200

Te m ps (s)

Te

ns

ion

(V

)

I=1 A

I=500mA

Phénomènes transitoires ''Activation'' de la pileà vide

''Désactivation'' de la pile sous charge résistive R = 10 Ω

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 50 100 150 200

t(s)

U(V

) Ie=0,5A

Ie=1A

* Mise en service non instantanée !

→ Rejets au démarrage→ Rendement variable

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* Notion de volume à stocker pour une puissance d'utilisation donnée :e.g. Pour la consommation électrique d'une ménage sur 1 an ?

2500 kW.h → 3 000 m3 d'H2 à P= 1 bar ! (pile η ≈ 30 %)

Pile à combustible / Exploitations & Prolongements

* Les différents types de piles à combustible

Du rendement de la chaîne {électrolyseur-pile} → Rendement de la pile

Puissance utile sous charge résistive : Pu ≈ 120 mWPuissance absorbée par l'électrolyseur : Pabs ≈ 480 mW

η ≈ 25 % η ≈ 38 %

* Pile : Réaction exothermique Rendement = f(T)

Contrôle de la chaleur (Régulation)Cogénération

Matériaux / membranes / Catalyseurs

* Les domaines d'applications des piles à combustible

η ≈ 65 %

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Sur les domaines d'applications des piles à combustible ...

Expédition ''Clipperton'' - Jean-Louis Etienne

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Visite de sitesLaboratoire de recherche en électronique,

Electrotechnique et système - Belfort

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