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
Sommaire
* Le sous-système réel : La pile à combustible
* Description du système didactique Choix d'un système ''adapté''
* Description de quelques activités expérimentales
* Prolongements
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
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
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
Système didactique ''réel''
Coût élevé, > 10 000 €Contraintes liées à l'alimentation en hydrogène
Type PEM
50 W5 V
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
Type DPEM
10 mW0,5 V
Méthanol (3%)
Abordable : < 100 €
Faible puissanceManipulation du méthanol !
Module élémentaire alimenté au méthanol
Abordable : < 200 €Exploitation expérimentale possible
Module élémentaireType PEM
0,5 W0,4 V – 1 V1 A
7 mL H2 / min pour 1 A
Quelques expériences
Quelques expériences
* Production d'hydrogène par électrolyse de l'eau
* Caractéristique de la pile
* Phénomènes transitoires
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 !
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
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)
Dé
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
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 %
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
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
* 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 %
Sur les domaines d'applications des piles à combustible ...
Expédition ''Clipperton'' - Jean-Louis Etienne
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