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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.

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1 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

2 Sommaire * Le sous-système réel : La pile à combustible * Description du système didactique Choix d'un système ''adapté'' * Description de quelques activités expérimentales * Prolongements

3 Le système réel Coeur de pilePEMFC 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 FCS kW – 48 V DC Rendement 20 – 26 % Dim:800 x 700 x 700 mm 65 kg

4 Vapo- Reformag e Pile à Hygrogène H2H2 Chaleur CH 3 OH H 2 O 12 bar DC/DC 26 V/48 V PP 48 V Structure de la pile à combustible H2OH2OCO 2 O2O2 26 V Air ambiant H2H2 130°C

5 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

6 Système didactique ''réel'' Coût élevé, > Contraintes liées à l'alimentation en hydrogène Type PEM 50 W 5 V

7 Pile à usage unique ! 1 W 3,6 – 5,2 V 220 mA 30 W.h Durée de vie : 5 mois 185 g Dimension : 96 x 67 x 37mm < 100 Pile du commerce Stockage H 2 Hydrures métalliques Libération de H 2 par décomposition catalytique d'une solution aqueuse de borohydrure de sodium : NaBH 4 + 2H 2 O NaBO 2 + 4H 2

8 Type DPEM 10 mW 0,5 V Méthanol (3%) Abordable : < 100 Faible puissance Manipulation du méthanol ! Module élémentaire alimenté au méthanol

9 Abordable : < 200 Exploitation expérimentale possible Module élémentaire Type PEM 0,5 W 0,4 V – 1 V 1 A 7 mL H 2 / min pour 1 A

10 Quelques expériences

11 * Production d'hydrogène par électrolyse de l'eau * Caractéristique de la pile * Phénomènes transitoires

12 Utilisatio n de l'énergie électriqu e Producti on et stockage de l'hydrogè ne H2H2 Pile à Hygrogène H2OH2O O2O2 Air ambiant H2H2 Energie électrique Chaleur Les questions autour de l'utilisation d'une pile à hydrogène de démonstration Attention aux ''décalages'' avec le système réel !

13 Electrolyseur Puissance électrique Pile à Hygrogène VH2VH2 VO2VO2 Puissance électrique Grandeurs mesurées: U, I, t H2OH2OH2H2 Chaleur Mesures difficiles ! Evaluation des pertes par calcul Mesures et exploitations possibles Grandeurs mesurées: U, I, t Grandeurs mesurées: V H 2 V O 2 Evaluation du rendement de l'électrolyseur Evaluation du rendement électrique de la chaîne

14 Caractéristiques : 1,4 - 1,8 V mA Débit maxi : 3,5 mL / mn ( en réalité > 6 mL / mn pour I 0,8A) Stockage : 10 mL à pression atmosphérique Faraday : dn/dt = I / 2F Autour de l'électrolyse dV/dt = a.I U = E + r.I r 0,5 Ω

15 Electrolyse / Exploitations & Prolongements * Sur les modes de production de H 2 : * Stockage * Evaluation du rendement (Faraday) : Production de n = moles d'H 2 pour W élec = 29 J Quelles sources d'énergie ? Quels procédés ? Electricité Electrolyse Combustible fossile & Biomasse Reformage Gazéification Pyrolyse Chaleur (solaire) Dissociation thermochimique de H 2 0 Sous pression bar Hydrures métalliques Nanostructures de carbone η 65 %

16 Autour de la pile Caractéristiques : 0,4 – 1V Imax = 1 A Consommation : 7 mL / min pour I = 1 A U = E 0 – r.I – U C - U A Détermination de la résistance interne (membrane) : r 0,5 Ω Débit H 2 : 3,5 mL / mn 0,3 Ω < R Charge < 10 Ω Energie chimique ΔG kJ / mol H 2 (à 25°C) Energie électrique n.F.E 0 E 0 = 1,23 V (à l'équilibre) Combustion de H 2

17 Phénomènes transitoires ''Activation'' de la pile à vide ''Désactivation'' de la pile sous charge résistive R = 10 Ω * Mise en service non instantanée ! Rejets au démarrage Rendement variable

18 * 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 m 3 d'H 2 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 mW Puissance 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 %

19 Sur les domaines d'applications des piles à combustible... Expédition ''Clipperton'' - Jean-Louis Etienne

20 Visite de sites Laboratoire de recherche en électronique, Electrotechnique et système - Belfort

21 Visite de sites

22 Quartier Vauban de Fribourg-en-Brisgau Visite de sites


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