La pile à combustible - Plateforme e
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1. 80 231 4 33 II 85 241 7 31 II 90 247 4 30 II 95 253 29 II 100 259 5 29 II 105 265 28 II 110 274 6 27 119 276 1 27 120 281 3 27 II 125 286 7 26 II 130 291 9 25 II 135 296 23 II 140 301 21 145 332 4 18 II 150 338 1 16 II 155 358 5 14 II 160 361 2 13 II 165 370 6 11 II 170 373 1 9 175 376 9 9 II 180 379 4 7 II 185 381 6 II 190 385 1 5 II 195 389 2 II 35 4 A SINSA ROUEN ANNEXE 3 R sultats deuxi me exp rience Temps mins Volume Tension aux Intensit du Tension occup par bornes de la courant A d livr e par le l hydrog ne pile mV g n rateur V cm 0 0 0 332 5 12 0 339 10 20 0 344 15 29 0 354 20 40 0 367 25 40 0 378 30 40 0 388 35 40 0 399 40 40 0 405 45 40 0 414 50 38 0 420 60 38 0 426 65 36 0 431 70 35 0 436 75 35 0 440 80 35 0 445 A aa 85 34 0 448 90 31 0 22 95 31 0 23 100 30 0 23 105 29 0 24 110 26 0 25 115 25 0 26 36 1e s INSA ROUEN 120 25 0 26 125 23 0 27 130 22 0 27 135 20 0 28 140 20 0 29 145 19 0 29 150 16 0 29 155 15 0 30 160 14 0 30 165 13 0 30 072. 2 NSR f ROUEN La pile combustible Projet de Physique P6 STPI P6 2013 25 tudiants Salma BENSOUDA Dounia ZRYOUIL Ghita FARZOUZ Sophia ZERHBOUB Caroline CHAZAL Euridice PELAGATTI Enseignant responsable du projet Jamil Abdulaziz 9 SINSA ROUEN PL w INSA ROUEN Date de remise du rapport 17 06 2013 R f rence du projet STPI P6 2013 25 Intitul du projet La pile combustible Type de projet exp rimental Objectifs du projet 10 lignes maxi tude du fonctionnement de la pile combustible Multiples d couvertes th oriques de la pile combustible Mise en place d un protocole exp rimentale Mise en pratique en faisant fonctionner un moteur l aide d une PAC Mise en vidence des difficult s pour faire tourner les h lices Mots clefs du projet pile nergie hydrog ne r actions chimiques INSA ROUEN TABLE DES MATIERES E TAE 4 2 La pile combustible 5 2 OS OR 5 2 2 Principe de fonctionnement sus p 6 2 3 Les diff rents types de piles combustibles et leur fonctionnement p 9 2 3 1 Les PAC basses temp ratures p 11 2 3 2 Les PAC
3. Fuel H20 CO2 H Pets co H20 Permeable node Impermeable Electrolyte Permeable Oxidant On remarque alors que les r actions mises en jeu sont les suivantes e l anode avec un catalyseur au cermet de zirconium et nickel on a la r action 2 H2 2 O 2H 0 4 e e la cathode dans les deux cas l aide d un catalyseur au manganite de luthane dop au strontium on a la r action O 4e 207 La caract ristique principale des SOFCs r side donc dans leur haute temp rature de fonctionnement 600 1 000 C n cessaire l obtention d une conductivit ionique suffisante de l lectrolyte c ramique Cette temp rature pr sente un double avantage Elle permet d abord l utilisation directe d hydrocarbures qui pourront tre facilement reform s en se passant de catalyseur base de m taux nobles Elle produit d autre part une chaleur lev e facilement exploitable en cog n ration le rendement pouvant atteindre ainsi 80 Mais elle pr sente galement un inconv nient la mise en temp rature est longue et complique toute utilisation cycles courts et r p titifs Pour ces raisons la technologie SOFC se pr te particuli rement bien la production d lectricit d centralis e et la cog n ration domaines couvrant des puissances allant de 1 KW quelques dizaines de MW La mise au point de ce type de pile implique de par cette haute temp rature
4. mettant tr s peu de polluants locaux et donc sans porter atteinte notre environnement 2 4 2 3 grandes familles de PAC pour 3 applications Dans ses d buts la pile combustible a t utilis e massivement dans les programmes spatiaux et par les arm es De nos jours les utilisations potentielles des piles combustible sont tr s nombreuses et vari es Selon leur utilisation les piles sont diff rentes entre autres par leur taille On distingue principalement deux types de pile Certaines moins grandes et moins puissantes fonctionnent basse temp rature D autres grandes et tr s puissantes sont utilis es temp rature moyenne ou lev e C est le type d lectrolyte utilis qui d termine la temp rature de fonctionnement de la pile 2 4 2 1 Les piles combustibles embarqu es Il est noter que malgr le fait que la technologie des moteurs thermiques soit relativement mature et performante elle reste tr s polluante Cette derni re concurrence quand m me le secteur de la pile combustible dont le co t repr sente une contrainte non n gligeable On distingue donc deux sous familles assez diff rentes dans leurs cahiers des charges suivant qu il s agit d quiper un v hicule l ger ou un v hicule lourd Il est demand 18 INSA ROUEN EIN au v hicule l ger quelque 3000 h de fonctionnement pour une dizaine d heures d ann es de dur e de vie alors qu un v hicule lourd qui vise le tr
5. C on a donc Alanode 2 H2 gt 4 H 4 e e Ala cathode O2 4 H 4 e gt 2 H2O Les composants des deux piles combustible PAFC et PEMFC sont tr s semblables sauf pour ce qui est de l lectrolyte Dans le cas de la PAFC l lectrolyte est de l acide phosphorique aussi un lectrolyte conducteur de protons un liquide alors qu il s agit d un polym re solide dans le cas de la PEMFC Au d but du d veloppement des PAFCSs on a utilis l acide phosphorique en solution afin de limiter la corrosion de certains constituants de la pile Mais avec les progr s faits dans les mat riaux utilis s pour la construction des piles la concentration en acide est maintenant de 100 La forte concentration en acide augmente la conductivit de l lectrolyte et r duit la corrosion du support des lectrodes en carbone Comme dans le cas des cette pile utilise des lectrodes de carbone avec un catalyseur base de platine qui permettent la diffusion des gaz Les plaques bipolaires sont deux plaques poreuses s par es par une mince feuille de graphite pour former un substrat 17 fins ROUEN VE c tel dans lequel l lectrolyte peut tre stock On proc de actuellement l essai d autres catalyseurs pour ce type de piles combustible fer cobalt titane chrome zirconium 2 4 Applications des PAC 2 4 1 Les avantages L utilisation de la pile combustible pr sente de mul
6. on prend en consid ration les lois sur la d r glementation du secteur lectrique et des tendances vers la d centralisation de la production d nergie lectrique ce secteur int resse de nombreuses industries en particulier aux Etats Unis Les deux principaux domaines d application sont la production collective dont la puissance varie de 200kW quelques MW et la production individuelle dont la puissance varie de 2 7 La taille de l installation constitue un facteur important en ce qui concerne le rendement lectrique Cette caract ristique rend possible la construction de petites unit s tr s proches des utilisateurs Celles ci ont l avantage de pouvoir fournir en plus de l nergie lectrique de l eau chaude pouvant tre utilis e par exemple pour le chauffage domestique Le rendement total de la pile utilis e des fins de cog n ration principe de production simultan e de deux nergies diff rentes dans le m me processus peut atteindre les 80 Dans la production d lectricit collective de nombreux projets et d monstrations existent Un premier mod le de pile combustible stationnaire a t d marr en France d but 2000 par EDF pour alimenter un groupe HLM Chelles en Seine et Marne La pile fournit lectricit et chaleur par cog n ration l quivalent de 200 foyers 2 4 2 3 Les piles combustibles miniaturis es Les piles combustibles miniaturis es sont essentiellement repr sent e
7. avec notre encadrant Nous referons la manipulation le lendemain S ance n 07 le lundi 08 04 2013 26 fins ROUEN VE IV Nous avons discut de notre projet avec notre encadrant Nous nous sommes rendues compte que nous ne ma trisions pas la partie th orique 100 Pour cela nous avons consacr cette s ance pour l approfondir le mardi 09 04 2013 195 exp rience Nous avons consacr toute une apr s midi pour faire un essai Je me suis pr sent e au laboratoire 14h L encadrant m a guid e pour monter le dispositif et pour le brancher La membrane tait d j mouill e mais je l ai mouill e une deuxi me fois pour m assurer qu elle a t totalement humidifi e Des mesures de tension et de volume de gaz taient prises toutes les 5 minutes en moyenne 15h00 Ghita Farzouz m a rejoint et nous avons poursuivi l exp rience A 16h30 Dounia Zryouil a termin l exp rience avec moi La manipulation a dur plus de 4 heures La tension aux bornes de la pile atteinte vers 18h 15 tait de 389 mV Le moteur a fonctionn pendant plus de 15 minutes Nous comptons refaire cette m me exp rience le jeudi 11 avril avec les autres membres du groupe Salma Bensouda Korachi le jeudi 11 04 2013 2 exp rience Salma BENSOUDA KORACHI 14h 14h45 Ghita Farzuoz 14h30 15h10 Dounia Zryouil 15h05 16h Euridice 15h30 16h45 Sophia ZERHBOUB 16h30 17h45 S ance n 08 le lun
8. d informations sur la pile combustible chacune de son c t Recherche des sources utiliser Cr ation du groupe sur Facebook pour faciliter l change d informations Pour la s ance 2 11 f vrier 2013 mise en commun des informations trouv es Attribution des t ches Etablissement d un plan S ance 02 le 11 02 2013 Nous avons d cid d un plan qui nous a convenu nous toutes Nous nous sommes r parties les t ches pendant cette s ance L attribution des t ches s est faite l issue d un tirage au sort Nous avons galement fix un d lai que nous devons imp rativement respecter pour assurer le bon d roulement du projet Nous avons pr vu d achever la partie th orique la rentr e de Mars savoir le 04 03 2013 Les parties seront publi es sur le groupe facebook afin que nous puissions les lire en int gralit et pr parer les diff rentes questions sur les parties des autres que l on traitera pendant la r union du 04 03 2013 Cela nous permettra de mieux cerner le sujet et d envisager galement des questions que le jury est susceptible de nous poser De plus la r union qui aura lieu la rentr e nous permettra non seulement de mettre en commun notre savoir mais aussi d aborder en partie la partie exp rimentale Pour la s ance 03 R union pour traiter diff rentes questions sur les parties Abord de la partie exp rimentale S ance n3 le 04 03 2013 gt Nous avons r un
9. de fonctionnement la r solution de probl mes thermom caniques de tenue de mat riaux assez complexes ainsi que d assemblage et d tanch it 15 AINSA ROUEN 2 3 2 2 La pile carbonates fondus MCFC Le d veloppement des piles combustible carbonates fondus a d but dans le milieu du vingti me si cle Les avantages et les inconv nients de ce type de pile sont sensiblement les m mes que dans le cas des SOFCs La temp rature lev e am liore norm ment la cin tique de la r action de r duction de l oxyg ne et rend ainsi inutile l utilisation de m taux nobles comme catalyseurs Courant electrique Chaleur et eau sortantes dioxyde de arbone entrant Les syst mes base de piles MCFC peuvent atteindre des rendements sup rieurs 50 voire sup rieurs 70 lorsqu ils sont combin s d autres g n rateurs De plus les MCFCSs peuvent utiliser une large gamme de carburants et ne sont pas sensibles la contamination par CO ou CO comme c est le cas pour les piles basses temp ratures Les r actions ayant lieu dans ce type de piles sont les suivantes e l anode avec un catalyseur fait d un alliage nickel chrome nickel aluminium on a la r action 2 H2 2006 gt 2H 0 2 CO 4 e la cathode avec un catalyseur d oxyde de nickel on a O 2 CO 4 e gt 2 CO L lectrolyte est fait d un m lange de carbonates de m taux alcalins carbonates de lith
10. de la pharmacologie ainsi que dans le traitement de produits alimentaires Ceci repr sente environ 50 millions de tonnes d hydrog ne produites par an Voici ci dessous un sch ma r capitulatif de la fili re de production du dihydrog ne et sa conversion dans une pile combustible PL YINSA P ROUEN nergie nucl aire nergies fossiles nergies renouvelables Production biologique Hydraulique d hydrog ne olienne Imicroalgues Solaire organismes G othermique photosynth tiques bact ries non Biomasse photosynth tiques Transformation thermochimique et gaz ification de la biomasse lectrolyse Dissociation de l eau par cycles thermachimiques Vapoformage Oxydation partielle Reformage autothermique R seau de distribution Eisunes 7 La fili re hydrog ne de sa production sa conversion Stockage dans une PAC Vapoformage Oxydation partielle Reformage autothermique Pile combustible Applications Vapoformage Oxydation partielle Reformage autothermique Les deux difficult s qui limitent l utilisation du dihydrog ne sont li es son co t de fabrication partir de l eau lectrolyse photolyse et son stockage sa l g ret implique une densit nerg tique volumique peu favorable au stockage sous forme gazeux Comme toutes les machines transformant une forme d nergie e
11. depollue leau 35322 valide la date 12 05 2013 M ziane BOUDELALL La pile combustible 2e d L hydrog ne et ses applications Dunod 2012 o 10 ANNEXES ANNEXE 1 R sultats et courbes pour le calcul de la puissance et de l nergie d une cellule de PAC U V I A P W 0 91 0 0 0 81 0 03 0 0243 0 74 0 12 0 0888 0 67 0 24 0 1608 0 61 0 33 0 2013 0 48 0 48 0 2304 0 34 0 54 0 1836 0 22 0 57 0 1254 0 17 0 59 0 1003 0 03 0 61 0 0183 courbe intensit tension de la pile combustible O 0 03 0 12 0 24 0 33 0 48 0 54 0 57 059 0 61 sig 4 g INSA TOUEN courbe de la puissance de la pile combustible 0 0 03 0 12 0 24 0 33 0 48 ANNEXE 2 R sultats premi re exp rience 0 54 0 57 0 59 0 61 Temps Tension aux Volume occup Tension d livr e Intensit du minutes bornes de la pile par l hydrog ne par le courant combustible cm g n rateur V mV A 5 120 8 5 2 1 0 33 10 127 2 10 15 130 7 15 20 198 4 20 25 142 1 25 30 145 2 30 95 151 5 35 40 168 7 j 45 176 7 50 186 2 i 55 198 4 i 60 201 E 65 211 70 217 75 226 2 33 34 OUEN 49 FER
12. la tension produite par le courant lectrique cr n est que de 0 7 V maximum par cellule il faut donc brancher plusieurs cellules en s rie pour obtenir une tension importante Enfin le courant lectrique cr par la pile est continu Par cons quent pour certaines applications courant domestique par exemple il devra tre transform en courant alternatif au moyen d un alternateur Etude chimique Une PAC est un convertisseur d nergie chimique en nergie lectrique et thermique La r action mise en uvre est une r action lectrochimique entre l hydrog ne H2 carburant et l oxyg ne O2 comburant avec production simultan e d eau d lectricit et de chaleur selon la r action globale de synth se de l eau H2 O2 gt HO Contrairement aux piles traditionnelles ou aux batteries l nergie n est donc pas stock e dans le volume fini de la pile lui m me mais dans des r servoirs de gaz qui peuvent alimenter la PAC de mani re continue Le flux d nergie d livr par la PAC d coule de la circulation du gaz combustible H2 et du gaz oxydant Op La mise en uvre de cette r action s effectue au travers de deux demi r actions l une l anode correspondant l oxydation de l hydrog ne et l autre la cathode avec la r duction de l oxyg ne produisant de l eau Il ne faut pas oublier que la production d nergie lectrique s accompagne de pertes thermiques qu il convient d vacuer par l interm dia
13. ne est lev e 120 MJ kg 1 compar e celle de l essence 45 MJ kg 1 ou du m thane 50 MJ kg 1 C est pour cela que les chercheurs et les acteurs du d veloppement durable se penchent actuellement sur les propri t s int ressantes de ce gaz afin de faire marcher des v hicules par exemple sans pour autant polluer l atmosph re Comme pr cis plus haut la PAC est un convertisseur d nergie chimique en nergie lectrique et ne stocke pas d nergie L nergie chimique est contenue dans l hydrog ne entrant dans la PAC Mais l hydrog ne n tant pas directement disponible dans la nature il peut tre produit partir de trois nergies primaires les nergies fossiles nucl aires et renouvelables figure 7 Pour tre conomiquement et cologiquement viable la production d hydrog ne doit r pondre trois crit res La comp titivit conomique avec un co t de production pas trop lev Le rendement nerg tique la production d hydrog ne ne consommant pas trop d nergie La propret en utilisant un processus de fabrication non polluant Plusieurs m thodes sont aujourd hui op rationnelles mais aucune ne r pond pour l instant parfaitement ces trois crit res Si l utilisation de l hydrog ne reste encore faible dans le domaine de l nergie il est une des mati res de base de l industrie chimique et p trochimique et est utilis dans les secteurs de la m tallurgie de l lectronique
14. rience de la pile combustible deux fois Lors de la premi re exp rience men e le 9 avril 2013 nous avons t encadr es par le professeur M Abdulaziz qui est venu en d but d heure v rifier le montage et voir si les consignes de s curit taient respect es L exp rience avait dur plus de 3 heures Le but tait d utiliser nos connaissances th oriques afin d expliquer l exp rience Une fois l lectrolyseur branch au g n rateur le niveau d eau baisse dans le r servoir gaz et monte dans le r servoir de compensation l hydrog ne est produit par lectrolyse et occupe un certain volume que l on a mesur dans le r servoir gaz Pendant l exp rience nous avons pr lev toutes les 5 minutes le volume occup par l hydrog ne dans le r servoir gaz la tension aux bornes de la pile l intensit du courant dans le circuit et la tension d livr e par le g n rateur La tension d livr e par le g n rateur ne devait aucun moment tre nulle d o l importance de surveiller sa valeur pendant l exp rience Pour les r sultats voir annexe 1 Au bout de 35 minutes l hydrog ne occupait 35 cm du r servoir gaz A ce moment l nous avons teint le g n rateur et branch la pile combustible au moteur L hydrog ne contenu dans le r servoir gaz tait consomm au niveau de la membrane 20 d g A ROUEN Le gaz tait ainsi transform en nergie lectrique a
15. un niveau de conductivit lectrique suffisant bonne imperm abilit aux gaz bonne inertie chimique vis vis des fluides pr sents dans le c ur de la pile eau acide oxyg ne gt Plaques classiques graphite gt Canaux de distribution des gaz sont obtenus par usinage Prix lev s usinage m talliques De nouvelles r sines pour la fabrication de plaques bipolaires composites Huntsman Advanced Materials GraftTech International Holdings Inc D partement am ricain de l nergie Secteur automobile r sine benzoxazine adapt e aux piles travaillant haute temperature une haute temp rature de transition vitreuse excellentes propri t s m caniques module tr s lev faible aptitude l absorption d eau retrait proche de 0 excellentes propri t s lectriques Pour conclure M taux et alliages et plus particuli rement les aciers inoxydables sont l gers et bon march s Energie stationnaire et nergie de secours la r sine ignifuge pr sente un tr s faible contenu ionique et donc une excellente conductivit thermique et lectrique d j commercialis en 2010 2011 Il reste encore des verrous lever pour obtenir une technologie m re et utilisable grande chelle Les objectifs atteindre sont de plusieurs ordres 1 Financier co t des syst mes PAC 2 Politique environnement nergie acceptation de l hydrog ne comm
16. ansport de passagers ou de marchandises exige une dur e de fonctionnement environ 100 fois plus longue Les v hicules l gers de nombreux prototypes ont vu le jour depuis 1993 Le constructeur allemand Daimler Chrysler alias Mercedes a montr 4 prototypes Necar dont le plus r cent Necar 4 aliment en hydrog ne liquide pr sent en 1999 est construit sur la base de la voiture de s rie Class A La Necar 5 mod le de pr s rie quip d un reformeur aliment en m thanol a vu le jour en novembre 2000 Les Am ricains et les Japonais General Motors sur la base d une Opel Zafira Ford avec plusieurs prototypes Think FC5 Toyota deux prototypes Nissan avec son R nessa Mitsubishi Honda Madza etc Les fran ais Renault a pr sent un prototype en 98 type Laguna Les v hicules lourds plusieurs prototypes de bus ont t construits partir de 1993 Le canadien Ballard a fait office de pionnier avec six bus pile de 200kw qui ont aujourd hui achev leurs tests en service Vancouver USA et Chicago USA L allemand Daimler Chrysler sur la m me technologie que Ballard a montr en 1997 un prototype de bus le Nebus et avait annonc le lancement d une pr s rie de 30 bus Citaro pour 2003 pour une mise en service dans plusieurs villes d Europe 2 4 2 2 Les piles combustible stationnaires Le secteur des piles combustibles constitue une excellente source d nergie d localis e Si l
17. ce projet m a beaucoup appris sur le travail en groupe En effet il a fallu d abord s adapter aux diff rentes fa ons de travailler des autres membres du groupe Il tait important de respecter le planning car le moindre retard pouvait emp cher un autre membre d avancer Nos travaux taient d pendant les uns des autres Je tiens dire que notre quipe s entendait bien nous changions facilement Pour ce qui est de la pile combustible elle m me ce projet m a beaucoup apport Je dois avouer que je ne connaissais tr s peu de choses son sujet Tout ce que je savais c tait qu elle tait surement une solution pour l avenir car non polluante Gr ce ce projet j ai compris son fonctionnement et son importance Caroline Chazal Pour ma part ce projet a t une nouvelle opportunit apr s ceux du premier semestre de travailler en groupe La diff rence tait que cette fois nous tions encore plus nombreuses au sein du groupe il a donc fallu encore plus s adapter au rythme et la fa on de travailler de chacune L avantage est que nous nous sommes bien entendues tout au long du projet ce qui a permis d avancer rapidement et de mani re efficace Faire le point r guli rement nous a permis de voir o en tait chaque membre du groupe et se mettre au m me niveau quand certaines avaient un probl me de timing ou un souci quelconque En ce qui concerne le sujet du projet lui m me a m a galement beaucoup appo
18. cennies Par cons quent tudier la pile combustible pour notre projet de P6 nous a paru une excellente id e En effet la pile combustible ou PAC comme on l appelle d j pourrait tre une des solutions majeures pour remplacer le p trole qui fait fonctionner les avions les voitures ou encore pour produire de l lectricit moindre co t et surtout pour polluer moins C est m me l un des moyens de production d nergie qui se d veloppe le plus actuellement Et si pour la plupart nous ne savions pas grand chose de la pile combustible comprendre comment elle fonctionne et pourquoi elle est consid r e comme un candidat s rieux la succession du p trole nous a tout de suite plu d o notre choix de prendre ce sujet Apr s quelques recherches sur le sujet nous avons rapidement r alis que la pile combustible est effectivement en plein essor en voir le nombre d articles qui y sont consacr s Pour notre dossier nous avons choisi de pr senter notre rapport en 3 parties Nous avons planifi de faire toute la partie th orique en premier puis de nous consacrer une partie pratique pour mieux comprendre le fonctionnement d une pile combustible et enfin de livrer nos impressions personnelles sur ce projet Par cons quent le plan de notre dossier sera le suivant en premier lieu nous tudierons le fonctionnement th orique d une pile combustible en nous penchant notamment sur les r actions qui ont l
19. de protons Polymer Exchange Membran Fuel Cell font l objet de recherches intensives depuis les ann es 90 afin de r duire leur co t En effet leur potentiel nest pas n gligeable car elles sont polyvalentes On peut aussi bien les utiliser pour les transports que pour le stationnaire et m me pour les technologies portables Courant electrique Excedent de o HA e Sortie d eau combustible et de chaleur e Electrolyte http fr wikipedia org Dans ce type de piles l lectrolyte est une membrane polym re conductrice de protons On remarque galement la pr sence de plaques de diffusions aussi appel es backing et de plaques bipolaires L lectrolyte a pour r le de conduire les protons pour assurer le passage des charges lectriques dans la pile La membrane est tanche au dihydrog ne et au dioxyg ne et 11 fins ROUEN VE FIV emp che le passage des lectrons l int rieur de la pile Son paisseur peut tre de l ordre de la dizaine de microns ce qui favorise le passage des protons Ces protons ont besoin d eau pour circuler Ainsi la membrane doit tre pr cis ment humidifi e pour ne pas alt rer le fonctionnement de la pile En effet une membrane s che ne sera pas un bon conducteur et s usera l inverse une membrane trop humide risque de noyer les lectrodes Actuellement les piles de type PEMFC ont une membrane en Nafion produit par DuPont de Nemours Les lectrolyte
20. di 29 04 2013 Nous avons expliqu l exp rience et approfondi la partie th orique Pour la s ance n09 le 06 04 2013 Nous allons terminer la partie sur l avenir de la pile combustible S ance n 09 le lundi 06 05 2013 Nous nous sommes r unies la biblioth que pour collecter des informations sur l avenir de la PAC Vous trouverez ci joint le travail fait Pour la s ance n 10 le 13 05 2013 Nous avons lu le rapport avec notre encadrant pour apporter les modifications n cessaires Il nous reste ce jour quelques points revoir des parties d tailler et d autres synth tiser S ance n 10 le lundi 27 05 2013 Nous avons termin de r diger le rapport avec toutes les modifications apport es Il nous reste faire la mise en page Pour la s ance n 11 le 03 05 2013 Chacune r digera une conclusion g n rale du projet son ressenti personnel pour compl ter le IIl Bilan du projet 27 INSA ROUEN EIN S ance n 11 lundi 03 06 2013 La conclusion g n rale et les ressentis personnels ont t r dig s La r daction du rapport touche sa fin Il ne nous reste plus qu rassembler toutes les parties et faire la mise en page Pour la s ance n 12 le 10 06 2013 Faire la mise en page Sophia Zerhboub s en chargera Normalement le rapport sera pr t pour de bon le jeudi 06 06 2013 Chaque membre du groupe devra pr parer des diapositives pour dimanche 09 06 2013 afin de les montr
21. diff rentes tapes de la manipulation Nous nous sommes galement toutes int ress es la cinqui me sous partie de la partie th orique savoir Quel avenir pour la pile combustible que nous avons d cid de traiter ensemble Pour la s ance n 05 le 18 03 2013 Nous allons attaquer la partie exp rimentale nous demanderons des clarifications sur cette partie S ance n 05 le 18 03 2013 Nous avons envoy un mail monsieur Ludovic Henriet pour lui demander s il pouvait nous pr ter un moteur qui fonctionne 200 mV tant donn que notre encadrant a jug que le temps n cessaire au d marrage de l exp rience tait relativement long Nous avons galement rediscut de la partie exp rimentale pour mieux nous l approprier Pour la s ance n 06 le 25 03 2013 tout d pendra de la r ponse de M Ludovic Henriet si le moteur est disponible nous attaquerons directement la partie exp rimentale sinon nous verrons avec notre encadrant S ance n 06 le 25 03 2013 Nous nous sommes familiaris es avec le mat riel Nous avons fait l exp rience mais malheureusement faute de temps nous n avons pas pu atteindre notre objectif la tension aux bornes de la pile devait atteindre 350mV mais elle n a atteint aujourd hui que 164 mV Nous avons donc pr vu de consacrer tout un apr s midi le mardi 09 avril 2013 pour faire l exp rience Pour la s ance n 07 le 08 04 2013 Nous allons discuter de la partie th orique
22. e consid rer la situation sous diff rents angles apporter sa contribution la r solution de probl mes Mais aussi il nous permet de prendre plaisir partager des id es des responsabilit s tre complices pour coproduire Etant suppos es devenir ing nieurs dans quelques ann es nous serons quotidiennement confront es au travail en groupe La vision que j ai pu avoir du travail en groupe gr ce ce projet permet de me conforter dans mon choix de futur m tier En effet dans ce projet chacune a apport beaucoup et nous avons donc pu avancer rapidement Le fait galement qu il y est eu une bonne ambiance tout au long de ces dix semaines contribuer la satisfaction d avoir accompli ce projet toutes ensemble 28 7 2 0 ROUEN En ce qui me concerne ce projet m a permis de r v ler certaines de mes capacit s sur le plan th orique comme sur le plan exp rimental mais surtout de prendre conscience de mes limites D autre part il m a men mieux comprendre certaines notions en physique et en chimie combler certaines de mes lacunes gr ce la patience et l aide de notre encadrant Le choix de ce sujet ma permis d approfondir mes connaissances sur le fonctionnement de la pile combustible et de me familiariser avec les diff rents constituants de la pile combustible notamment gr ce l exp rience que l on a men e maintes reprises Euridice Pelagatti Pour commencer
23. e vecteur nerg tique 9 Scientifique et technologique AXANE acteur des PAC filiale d Air liquide D veloppement des piles PEMFC limit car gt Insuffisance de leur dur e de vie gt Insuffisance de leur fiabilit gt Probl me au niveau du c ur de la pile Vieillissement pr matur des AME assemblage membrane lectrodes probl me concernant le domaine de la science des mat riaux d gradation chimique physique de l lectrolyte de l lectrochimie vieillissement de l lectrode L endommagement est difficilement rep rable membranes interfaces entre l lectrolyte et les couches actives ou dans les lectrodes 21 fins ROUEN VE Peu de r sultats sont publi s quant la caract risation des propri t s des constituants de l AME apr s diff rents temps de vieillissement dans un m me syst me L Universit de Savoie travaille une meilleure compr hension des modes de d faillance des AME en s appuyant sur une d marche mat riaux permettant de comprendre les modifications structurales diff rentes chelles Le programme Balises mise au point d une PAC qui a fonctionn 10000 heures sans interruption ni maintenance sur le terrain alimentation d un relai GSM MIT Massachussets Institut of Technology Pile au m thanol Le MIT a d velopp une nouvelle membrane polym re sous forme d un film mince de 5 micros fo
24. er notre encadrant la semaine prochaine 4 2 Organisation du groupe La r alisation d un projet requiert beaucoup d investissement de la part de chacun des membres du groupe C est pour cela que nous avons organis plusieurs r unions depuis le d but du semestre afin de mener bien l avancement du projet et de se partager quitablement le travail fournir Nous nous sommes en effet partag s les t ches de mani re donner chacun la partie o il donnera le meilleur de lui m me afin de r diger ce rapport Chaque bin me a travaill soit sur des recherches historiques concernant la pile combustible des recherches sur le mode de fonctionnement de celle ci ou encore sur son utilisation aujourd hui et sur l avenir de celle ci Afin de bien organiser toutes ces r unions nous avons eu recours au mail INSA mais surtout au r seau social Facebook nous avions cr un groupe Facebook pour le projet P6 Cela va sans dire une bonne organisation tait primordiale afin de mener bien ce projet Quelques difficult s ont notamment t rencontr es au moment des r visions pour les examens mais nous avons pu finalement rentrer dans les d lais 4 3 Le ressenti personnel Salma Le travail en groupe a toujours t mes yeux le meilleur moyen de travailler Il permet en effet un change d id es et de connaissances dans le but d atteindre un objectif bien pr cis Il permet en effet de partager divers points de vu
25. haute temp rature ss p 14 2 4 Applications des PAC 18 2 4 1 EesavantageS 18 2 4 2 3 grandes familles de PAC pour 3 applications p 18 2 5 Quel avenir pour la pile combustible 7 p 20 3 EXD TIMOTHATIQNs0 sers des ide ne en p 23 3 1 Description de la manipulation p 23 3 2 Analyse et interpr tation 2 eue p 23 4 Bilan du projet iii p 25 4 1 Journal de DO 25 4 2 Organisation du groupe armee 28 4 3 Le ressenti personnel 20m 28 5 CONCIUSION Rs ist ere p 31 ANNOXE Sae seed ea en te p 33 d g A INSA ROUEN 1 INTRODUCTION Actuellement le p trole est plus que jamais critiqu en tant qu nergie En effet le prix de l essence ne cesse d augmenter et la pollution que g n re lor noir est toujours aussi importante Les gouvernements et les entreprises tudient de nombreuses possibilit s pour r gler ce probl me de pollution et surtout pour terme remplacer le p trole qui on le sait va dispara tre dans les prochaines d
26. i nos parties Le plan sur lequel nous nous sommes mises d accord la veille des vacances est le suivant Sommaire Introduction Caroline Chazal Pile combustible Historique Salma Bensouda Korachi Principe et principaux constituants Caroline Chazal et Dounia Zryouil Diff rents types et caract ristiques Euridice Pelagatti et Ghita Farzouz Applications et limites Sophia Zerhboub 5 Quel avenir pour la pile combustible Salma Bensouda Korachi et Euridice Pelagatti ZT 1 2 3 4 Il Exp rimentation 1 description de la manipulation 2 Analyse et interpr tation 3 Conclusion 25 INSA ROUEN EIN Ill Bilan du projet 1 Journal de bord Salma Bensouda Korachi 2 R partition du travail tous les membres du groupe 3 Le ressenti personnel tous les membres du groupe Conclusion tous les membres du groupe L objectif de cette r union tait de mettre en commun les informations et v rifier qu il n y a pas de r p tition dans les parties Etant donn que le mat riel n est pas disponible nous n avons pas pu aborder la partie exp rimentale Pour la s ance n 04 Pour la s ance prochaine nous allons discuter du sujet avec vous Nous r pondrons galement vos questions La semaine prochaine notre partie th orique sera finalis e S ance n 04 le 11 03 2013 Nous avons pris connaissance de la partie exp rimentale brochure distribu e par le professeur expliquant les
27. ieu l int rieur de cette derni re sur les mat riaux qui la composent mais galement sur ses avantages ses inconv nients ses applications et ses limites et enfin sur les recherches actuelles Dans une seconde partie nous ferons un compte rendu des exp riences men es pour reconstituer une pile combustible Enfin dans une troisi me et derni re partie nous rendrons compte de nos impressions personnelles sur ce projet et de ce qu il nous a apport o 10 Fe 2 LA PILE A COMBUSTIBLE 2 1 Historique Consid r e comme une solution id ale pour satisfaire les besoins en nergie lectrique tout en limitant la pollution la pile combustible est en effet un bon convertisseur d nergie C est ainsi que depuis le XIX si cle l homme a cherch d velopper ce type de pile Mais les tudes n ont r ellement t approfondies qu au XX me si cle puisque la pile combustible semble respecter le concept du d veloppement durable un d veloppement qui r pond aux besoins du pr sent sans compromettre la capacit des g n rations futures r pondre leurs propres besoins L histoire du d veloppement de la pile combustible couvre plus de 170 ans 1839 Le chimiste allemand Christian Sch nbein d couvre l effet pile 1842 Le chimiste amateur anglais William R Grove r alise le premier mod le de laboratoire de pile combustible utilisation de l lectrolyse inverse de l eau pour produi
28. ir Dans l anode suite la r action d oxydation la mol cule H de dihydrog ne est dissoci e en ions H et en lectrons Ces derniers sont capt s par l anode et ne pouvant traverser l lectrolyte sont contraints de circuler dans un circuit externe ce qui cr e un courant lectrique continu En parall le les ions traversent l lectrolyte et arrivent sur la cathode o a lieu la r action de r duction de l oxyg ne les ions H se combinent la mol cule O et aux lectrons pour former de l eau qui est vacu e sous forme de vapeur La r action produit galement de la chaleur Pour que la r action ait lieu on utilise un catalyseur le plus souvent de platine Ce dernier a pour r le d augmenter la vitesse de r action sans pour autant tre consomm lui m me Le catalyseur est dispos sur l anode et sur la cathode au niveau d un point de contact entre l lectrolyte et l lectrode de mani re ce que tous les acteurs de la r action d oxydation ou de r duction soient pr sents comme indiqu sur le sch ma suivant Electrolyte Platine catalyseur lectron Electrode Oxyg ne yg Eau Au final le fonctionnement d une pile combustible peut tre repr sent de la mani re suivante 4 6 INSR ROUEN Hydrog ne a se Azote Anode Cathode Eau Electrolyte H 2H 2e O 4H 4e 2HO http www futura sciences com Par ailleurs
29. ire d un circuit de refroidissement Le combustible utilis l hydrog ne L l ment hydrog ne est extr mement abondant sur Terre dans l eau des lacs des rivi res et des oc ans ainsi que dans les combustibles fossiles c est le constituant essentiel de notre Univers Mais un probl me se pose quant son utilisation En effet il n existe pas l tat libre Le dihydrog ne est dans les conditions usuelles un gaz incolore et inodore Le param tre essentiel pour l tude de ses propri t s physiques est la tr s faible masse de la mol cule H la plus petite connue Il en r sulte une faible densit pour H solide liquide ou gaz et une iTe INSA ROUEN VEIY tr s grande vitesse de translation des mol cules l tat gazeux Le dihydrog ne poss de une bonne conductibilit calorifique une grande facilit de diffusion et d effusion l effusion concerne le passage travers un petit trou perc d une paroi mince L tat de gaz presque parfait de H2 g est en relation avec ses temp ratures de fusion et de liqu faction basses II est utilis et transport depuis longtemps Son utilisation est int ressante car c est un combustible pouvoir nerg tique lev non polluant non toxique et sa combustion ne produit que de l eau ventuellement un peu d oxydes d azote si la combustion a lieu avec de lair haute temp rature Son nergie massique d livr e lors de sa combustion avec le dioxyg
30. ium de potassium et de sodium retenus par une matrice c ramique d oxyde d aluminium et de lithium LiAIO2 Les plaques bipolaires sont faites d acier inoxydable recouvert de nickel du c t de l anode Le choix des mat riaux est extr mement important en raison de la nature hautement corrosive de l lectrolyte et de la temp rature de fonctionnement tr s lev e 2 3 2 3 La pile acide phosphorique PAFC La pile combustible acide phosphorique est le syst me le plus avanc dans le d veloppement et la commercialisation Elle est principalement utilis e pour des applications stationnaires en tant que g n rateur lectrique Des centrales lectriques de type PAFC avec une puissance fournie comprise entre 5 et 20 MW ont t install es dans diff rents 16 o 10 0 endroits dans le monde pour fournir de l lectricit du chauffage et de l eau chaude certains villages usines ou h pitaux Phosphoric Acid and PEM Fuel Cells Electron Flow Anode Electrolyte Cathode Les avantages des PAFCs sont leur facilit de fabrication leur stabilit thermique et chimique et la faible volatilit de l lectrolyte aux temp ratures de fonctionnement entre 150 et 220 C Ces facteurs ont facilit le d veloppement commercial de ce type de syst me Les r actions qui se produisent dans une PAFC sont les m mes que dans le cas de la PEMFC avec des temp ratures de fonctionnement variant de 150 220
31. je n avais pas particuli rement l habitude En effet cette exp rience m a appris que m me si l on ne choisit pas toujours ces coll gues de travail il faut faire preuve de diplomatie pour viter les malentendus et d saccord En bref il faut continuellement garder l esprit qu il y a un objectif atteindre soit aboutir un projet relativement r ussit et complet Ghita Lors du premier cours de P6 nous avons donc t inform s que le sujet du projet serait l tude des piles combustibles j ai tout de suite ressenti une certaine appr hension quant ce projet car je ne poss dais aucune connaissance en la mati re Mais cette appr hension s est assez vite dissip e d s le d but des cours et de nos recherches Lors de la premi re r union nous nous sommes imm diatement mis d accord sur la m thode de travail suivre Et je pense que cela nous a servi pour avancer pour mener notre projet bout En effet cette absence de connaissance nous a forc e travailler en groupe afin que ensemble nous d couvrions et comprenions toutes ces m thodes et techniques Mais mise part l envie de d couvrir un peu plus tous ces aspects c est l envie de travailler en groupe qui m a motiv dans ce projet En effet travailler en groupe m a permis de travailler plus r guli rement d avancer petit petit Un projet en groupe requiert des qualit s qu un ing nieur doit avoir de la patience du dynamisme et de la conciliatio
32. l nergie dans de faible volume Elles ont par contre une puissance limit e Elles produisent une faible quantit d nergie sur une longue p riode Les r actions aux lectrodes sont les suivantes e Anode CHOH H2O gt CO 6H 6e 9 Cathode 12O 2 H 2 e gt HO Le catalyseur l anode est compos d un m lange de Ruth nium et de Platine afin d emp cher l alt ration de la pile avec le monoxyde de carbone Les DMFC sont galement compos es de plaques de diffusion et de plaques bipolaires On trouve aujourd hui des piles dont le m thanol est remplac par de l thanol les DEFC En effet l thanol est quand m me moins toxique et a une meilleure densit nerg tique 8 0 kWh kg contre 6 1 kWh kg pour le m thanol 2 3 1 3 AFC Les piles AFC pour Alkaline Fuel Cell sont l un des plus anciens dispositifs de piles combustible 13 INSA g ROUEN ALKALINE FUEL CELL Electrical Current e Electrolyte www adrien girard fr Elles sont constitu es d un lectrolyte liquide qui est g n ralement une solution d hydroxyde de potassium KOH avec une concentration variant de 30 40 Cet lectrolyte assure la conduction des ions OH Les ions hydroxydes de l lectrolyte peuvent r agir avec le dioxyde de carbone de l air par exemple selon la r action suivante CO 2 OH gt CO Cette r action va engendrer une r duction de la conductivit de l lectr
33. limentant le moteur Au bout de 195 minutes le moteur se mit marcher les h lices tournaient Afin de mener bien l exp rience nous avions ouvert la pince inf rieure maintes reprises afin d vacuer lair susceptible d tre coinc au niveau de la membrane et ralentissant l exp rience Nous avons galement tourn tout le syst me au d but de l exp rience afin de bien mouill la membrane Nous avons galement fait tourner les h lices pensant qu une force m canique tait n cessaire pour acc l rer le processus Nous avons r p t l exp rience une deuxi me fois jeudi 11 avril 2013 Voir annexe 2 pour les r sultats Au bout de 85 minutes la tension a atteint son maximum 448 mV Petites astuces n cessaires pour le bon d roulement de l exp rience On fait vacuer de l hydrog ne en ouvrant la valve inf rieure cela nous permet d vacuer le r sidu d air qui se trouve dans la membrane et qui ralentit l exp rience On rebranche le g n rateur assez souvent quand on voit qu il n y a plus assez d hydrog ne dans le r servoir On branche le moteur r guli rement pour voir combien de temps peut tenir l h lice en tournant C est donc en respectant ces petites astuces que la tension aux bornes de la pile augmentait plus rapidement que les premi res fois o nous avions essay 24 ROUEN VE FIV 4 BILAN DU PROJET 4 1 Journal de bord S ance 1 4 f vrier 2013 Recherche
34. miner l nergie libre g n r e lors de la r action d une pile combustible On sait que AG n F la variation d nergie de Gibbs ou nergie libre au cours de la r action Nn le nombre d lectrons chang s au cours de la r action ici n 2 AE la diff rence de potentiel F la constante de Faraday qui correspond la charge lectrique contenue dans une mole d lectrons OnaF e x Na 1 602 1015 x 6 022 10 96485 C mol On calculera les valeurs d un point de vue th orique on prendra 1 23V D o AG 2 1 23 96485 237 kJ 10 INSA g ROUEN On tracera aussi la courbe tension en fonction de l intensit et puissance en fonction de l intensit de la pile combustible selon des valeurs th oriques Pour le tableau et les courbes voir annexe 1 2 3 Les diff rents types de piles combustibles et leur fonctionnement On classe habituellement les piles combustibles selon leur lectrolyte et leur temp rature de fonctionnement Ainsi on distingue au total 6 types diff rents de piles combustible divis s en deux cat gories les PAC basses temp ratures et les PAC hautes temp ratures Il faut savoir qu actuellement il y a deux types de pile intensivement tudi s afin de les d velopper et les am liorer les piles de types PEMFC et SOFC 2 3 1 Les PAC basses temp ratures 2 3 1 1 PEMFC Les piles combustible membrane changeuse
35. n De la patience car on doit tre capable de rester calme face un probl me pour pouvoir trouver sereinement une solution Du dynamisme car il faut que le groupe soit sans cesse motiv avancer dans la construction du projet De la conciliation car il faut savoir faire des concessions en cas de d saccord et suivre l avis de l autre dans sa globalit plut t que de suivre son opinion personnelle Je sors donc de ce projet satisfaite de notre travail mais aussi satisfait de cette exp rience 30 d g A ROUEN 5 CONCLUSION G rer l avanc e d un projet physique ou autre requiert un sens de l organisation accru Le projet que nous devions effectuer tout au long de ce semestre a en effet demand un effort au niveau de l organisation de tout un chacun mais galement au niveau de la gestion du temps et du partage des t ches Ainsi nous nous retrouvons aujourd hui avec un rendu qui nous est satisfaisant vu le respect des diverses recherches et fonctionnalit s attendues Bien au del de notre apprentissage au niveau du partage de la communication et du travail en groupe nous avons appris de nouvelles choses sur la pile combustible son avenir et pourquoi celle ci n est toujours pas d mocratis e sur le march Ce projet aura donc t une grande exp rience puisqu il fait partie des tous premiers projets que nous devons mener dans notre cursus d l ves ing nieurs mais galement parce q
36. n une autre les g n rateurs chimiques lectriques ob issent eux aussi aux lois fondamentales de la physique en particulier celles de la thermodynamique Cependant dans ce dernier domaine il n est possible d crire les r actions d galit que si l on tudie les transformations r versibles On calcule facilement la puissance lectrique et l nergie obtenue l aide des quations E V I t Remarque pour toute cette partie les calculs ne repr sentent que ceux d UNE cellule de pile combustible Si on reprend les 2 demi quations d oxydo r duction on a H gt 2H 2e PL w INSA ROUEN 20 4H 4e gt 2H20 Or on sait que de par le transfert d lectrons toute r action d oxydo r duction cr e une diff rence de potentiel et donc une tension Si on se r f re au graphique ci dessous qui repr sente le potentiel standard pour chaque couple oxydant r ducteur on voit que celui du couple O H 0 est de 1 23V et que celui du couple H H est de OV donc quand on obtient une diff rence de potentiel pour cette r action de1 23 V Ceci explique d o viennent les environ 0 7V produits par la r action d une pile combustible EN AN 13 Ch CT 1 23 H Ci H0 Hz 571 Na Na Dans les cellules combustible un des termes les plus importants est l energie de Gibbs On l indique habituellement par G Par la suite on cherche d ter
37. olyte C est pourquoi il est n cessaire de travailler avec des gaz purs et non avec de l air ou des gaz reform s Ces gaz purs constituent les oxydants Les catalyseurs pour la r action d oxydation de l hydrog ne sont g n ralement compos s de Nickel et d un m tal inactif comme l aluminium cela permet de r duire les co ts On trouve galement des catalyseurs en Platine Palladium Le combustible de cette pile est donc le dihydrog ne Les catalyseurs pour la r duction de l oxyg ne sont soit en Argent soit en Platine Or Les r actions aux lectrodes sont donc e Anode H 2 OH gt 2H 0 2 e Cathode 1 2 Oz H20 2 e gt 2 OH Les plaques qui servent l interconnexion sont en Nickel ou en acier inoxydable Sa temp rature de fonctionnement de l lectrolyte est comprise entre 60 et 90 C Mais si l on augmente la pression la temp rature de fonctionnement augmente galement Ce qui permet de travailler des temp ratures plus importantes 2 3 2 Les PAC haute temp rature 2 3 2 1 La pile oxyde solide SOFC Le principe de fonctionnement des SOFC est bas sur le m canisme suivant l oxyg ne est dissoci la cathode en O2 puis l anion migre travers l lectrolyte conducteur ionique 14 JINSA ROUEN haute temp rature et va se combiner lanode avec l hydrog ne ou le monoxyde de carbone pour former de l eau et lib rer des lectrons Solid Oxide Fuel Cell
38. osites Nouveaux catalyseurs sans platine Nouveaux supports de diffusion de gaz pour les piles combustible AUJOURD HUI SOLUTIONS PROPOSEES Porosit surface sp cifique du contact gt I faut rajouter une protection limit e vis trop faibles distribution des gaz non vis des lectrodes et de la membrane homog ne 20 30 du platines utilis notamment en ce qui concerne la tenue pendant le fonctionnement de la pile m canique UMR CNRS 6226 Sciences chimiques de Rennes Mat riau poreux sous forme de feutre m tallique utilisable comme plaques de diffusion Haut degr de porosit surface sp cifique 1 50m g excellente conductivit lectrique intensit et tension am lior es puissance am lior e Propri t s physiques L g ret solidit mall abilit Corrosion contact avec les structures Un film organique d paisseur pouvant varier de 0 1 1rm gt Evacuation de l eau emp chant ainsi une accumulation dans les pores donc puissance de la pile am lior e gt R duction de la conductivit ionique de la membrane perte d tanch it obstruction des canaux gt Plaques bipolaires ont pour fonction la Nouveaux concepts de plaques bipolaires collecte du courant la distribution et la Composites organiques t les 20 INSA ROUEN ECIN s paration des gaz l anode et la cathode Normalement elles doivent poss der
39. re du courant partir 40 et de H2 et r alisation de la r action avec triple contact entre lectrolyte r actifs et catalyseurs 1932 L anglais Francis Thomas Bacon reprend les tudes au sujet de la pile combustible 1953 Francis T Bacon r alise un premier prototype de 1kW puis 5 KW 1959 Francis T Bacon r alise un deuxi me prototype de 5 kW ce prototype servira de mod le pour les futures piles combustible utilis es lors des missions spatiales Apollo Ann es 90 D but du d veloppement de la pile combustible dans le domaine du transport INSR ROUEN 2 2 Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement d une pile combustible est chimique l lectricit est produite gr ce une r action d oxydo r duction Ici l nergie chimique d un combustible en g n ral de l hydrog ne est directement transform e en nergie lectrique sans passer par l nergie thermique Ce qui constitue le gros avantage de la pile combustible par rapport d autres modes de production d lectricit Le principe est le suivant la pile est constitu e de 2 lectrodes l anode et la cathode s par es par un lectrolyte un mat riau qui ne laisse pas passer les lectrons juste les ions On alimente tout d abord la pile en hydrog ne le combustible et en oxyg ne L anode est charg e en hydrog ne provenant d un r servoir et la cathode est charg e en oxyg ne provenant de la
40. rt en effet je ne connaissais absolument pas la pile combustible j avais choisi ce sujet parce que je savais qu il tait du domaine de l nergie univers qui m int resse norm ment mais je ne savais rien propos de la pile combustible elle m me Ce projet m a donc beaucoup int ress e d couvert une nouvelle mani re de produire de l nergie et qui selon moi est promise un bel avenir Dounia Avant de commencer ce projet je n avais pas id e de comment fonctionnait une pile combustible dans quels domaines celle ci peut tre utilis e et pourquoi malgr les nombreux avantages qu elle pr sente elle ne l est toujours pas sur le march Ce projet m a donc tout d abord norm ment appris sur le plan de mes connaissances scientifiques mais galement sur le plan communicatif et sur le sens du travail en groupe qui jusque l ne m tait pas beaucoup familier Ainsi mon ressenti personnel la fin de cette exp rience est positif 100 29 d g A ROUEN Sophia La notion de pile combustible tait totalement abstraite mes yeux avant que je m investisse dans ce projet J ai donc pu compl ter mes connaissances en ce qui concerne son fonctionnement technique sa commercialisation et ces diverses applications Au del des d couvertes physique chimique et scientifique que j ai pu faire ce projet m a avant tout permis d aborder la notion de travail en groupe dont
41. rte conductivit ionique La membrane est construite couche par couche avec deux polym res diff rents qui apportent de bonnes propri t s m caniques Co t moins important Faible perm abilit au m thanol Augmentation de la puissance d livr e de 50 IF Institut Fraunhafer des techniques de surface et bioproc d s IGB Cr ation dune membrane composite presque imperm able l thanol la pr sence de nano particules inorganiques de silice diminution de la perte d thanol due la perm abilit de la membrane d un facteur 100 2 composants inorganiques Avantage pr sence d un autre composant inorganique l interconnexion transversale des nano particules de silice la r duction des gonflements de la membrane stabilit m canique de la membrane moins sensible aux temp ratures lev es PAC l hydrog ne sans platine Le conducteur automobile DAIHATSU a d velopp une PAC fonctionnant l hydrog ne N2H4 gt Ne n cessite pas de m taux nobles platine pour la catalyse des r actions aux lectrodes gt Pas de CO2 r action l anode azote eau gt Puissance quivalente celle des PEM classiques Le constructeur envisage d utiliser ce mod le de PAC dans ses futurs petits v hicules low cost 22 i 2 0 9 ROUEN 3 EXPERIMENTATION 3 1 Description de la manipulation Avant de commencer la manipulation quelques pr cautions son
42. s des PEMFC fonctionnent pour des temp ratures comprises entre 60 et 90 C des pressions comprises entre 1 et 5 bars Les lectrodes ont une g om trie complexe En effet elles doivent mettre en contact les r actifs l lectrolyte et un conducteur lectronique Elles sont toutes les deux recouvertes de Platine Ce catalyseur a pour but de favoriser la r action d oxydation du Hz pur ou reform qui est le combustible de la pile et de r duction de l oxyg ne contenu dans l air L air est dans ce cas l oxydant Les r actions aux lectrodes sont donc e Anode H 2 26 e Cathode 1 2 O 2 H 2 e gt H 0 Les lectrodes que l on trouve aujourd hui sont compos es de particules de Carbone ayant un diam tre compris entre 20 et 50 nm On vient ensuite d poser sur celles ci des particules de Platine dont le diam tre varie entre 2 et 4 nm La teneur en Platine est en g n ral de l ordre de 0 2 mg cm Le fonctionnement des PEMFC peut tre alt r cause du catalyseur En effet celui ci absorbe le monoxyde de carbone qui n a pas t limin pendant le proc d de purification Comme dit au d but de cette partie les PEMFC sont galement compos es de plaques de diffusion Elles entourent les lectrodes et servent e Permettre la diffusion des gaz jusqu aux lectrodes e Permettre le transfert des lectrons e Assurer la gestion de l eau en l vacuant ou en humidifiant la membrane Ces plaq
43. s par les t l phones et les ordinateurs portables Une croissance continuelle est noter dans ces deux applications Mais cette croissance est frein e par l autonomie de leur batterie M me la plus performante laisse classiquement quelques jours d autonomie un t l phone et environ 3 heures un ordinateur portable Or les clients demandent aujourd hui 3 5 fois 19 fins ROUEN VE FIV mieux alors que la batterie lectrochimique a quasiment atteint ses limites La pile combustible peut tre une bonne alternative aux batteries au lithium par exemple La pile combustible qui fait l objet de recherches importantes dans ce domaine va charger une petite batterie qui assurera mieux le fonctionnement de l appareil L autonomie ne sera alors limit e que par la taille du r servoir d hydrog ne ou de m thanol L utilisateur rechargera son portable comme il recharge un briquet ou un stylo encre Ce qui permettra un gain de temps relativement important 2 5 Quel avenir pour la pile combustible Aujourd hui les voies de recherche portent sur e Utilisation d alliages de platine Ru Mo ou Sn l anode m taux de transition en g n ral la cathode Ce qui permettrait gt L augmentation de la tol rance au CO ainsi que sur l injection d additifs oxydants dans les gaz anodiques gt L augmentation de la temp rature de fonctionnement Nouvelles r sines pour la fabrication de plaques bipolaires comp
44. t prendre est n cessaire de produire une bonne circulation et un bon renouvellement d air dans la pi ce d loigner l lectrolyseur de toute source chaude et de prendre les mesures de s curit de base du laboratoire Mode d emploi de la pile combustible On remplit le r servoir eau avec de l eau distill e Pendant ce temps la pince sup rieure de l lectrolyseur doit tre ferm e et la pince inf rieure doit tre ouverte Ensuite on ferme la pince sup rieure On enl ve le r servoir de compensation on remplit le r servoir gaz avec de l eau distill e jusqu la marque A puis on remet le r servoir de compensation On branche l lectrolyseur un g n rateur de tension que l on r gle 1 9 V tension max d alimentation tout en s assurant que la polarisation est correcte On laisse le courant passer afin d approvisionner le syst me en hydrog ne Lorsque l on obtient une quantit suffisante dans le r servoir on d branche le g n rateur et on relie la pile au ventilateur afin de lire la valeur de la tension que l on atteint petit petit A faire bien humidifier la membrane de la pile et ouvrir de temps en temps la pince inf rieure afin de laisser chapper tout gaz autre que l hydrog ne bulles d air par exemple de la pile combustible afin que les r sultats ne soient pas fauss s 3 2 Analyse et interpr tation Pour confirmer la partie th orique nous avons men l exp
45. tiples avantages En effet en plus d tre caract ris e par une bonne autonomie pouvant atteindre plusieurs dizaines d heures son fonctionnement est efficace par toutes temp ratures et n cessite une maintenance r duite De plus le m canisme de cette pile permet l absence de bruit ou encore de vibrations Par ailleurs un moteur lectrique aliment par une pile combustible dispose d un rendement bien plus important que celui d un moteur thermique Ainsi avec 1 kWh d lectricit on obtiendra 0 5 0 6 kWh d nergie m canique la sortie du moteur Alors qu avec 1 kWh de carburant on finira par avoir 0 2 0 4 kWh d nergie m canique la sortie du moteur le reste tant de la chaleur perdue Plus important encore les piles commun ment utilis es fonctionnent toutes gr ce l hydrog ne qui est un compos qui n existe pas l tat libre C est dire que l hydrog ne ne peut tre exploit directement dans la nature Pour pouvoir utiliser ce gaz noble il faut soit l extraire d hydrocarbures soit le produire par lectrolyse ou thermolyse de l eau faut donc d penser norm ment d nergie peu importe la m thode utilis e Enfin une r action de combustion est souvent synonyme d mission de substances polluantes cause d une combustion imparfaite ou encore cause de la pr sence d azote La pile combustible est donc avant tout un moyen de produire de l nergie sous forme d lectricit en
46. u il nous a beaucoup apport tant sur le plan scolaire que sur le plan communicatif Toutefois nous aurions voulu pouvoir r aliser plus d exp riences qui repr sentent une mani re ludique d apprendre Enfin il aurait t int ressant de rencontrer des personnes travaillant dans le d veloppement ou la production de la pile combustible en visitant des sites industriels par exemple cela aurait pu justement nous clairer davantage sur notre sujet 31 ROUEN PL w INSA BIBLIOGRAPHIE Encyclop die WIKIPEDIA Pile combustible http fr wikipedia org wiki Pile C3 A0 combustible valide la date 10 04 2013 WIKIPEDIA PEMFC http fr wikipedia org wiki Pile C3 A0 combustible C3 A0 membrane d 27 C3 A9change de protons Sites Internet Livre http pileacombustible free fr fonctionnement htm valide la date 10 04 2013 http www ulb ac be inforsciences files piles pdf valide la date 10 04 2013 www adrien girard f valide la date 10 04 2013 www machine history com valide la date 10 04 2013 http bazylak mie utoronto ca valide la date 10 04 2013 http pilecombustible free fr dossier php valide la date 10 04 2013 http www alphea com upload e8405 piles combustible pdf valide la date 10 04 2013 http pileacombustible free fr valide la date 10 04 2013 http www futura sciences com fr news t developpement durable 1 d une pile microbienne produit du courant et
47. ues sont constitu es d un substrat de fibre de carbone que l on recouvre de graphite et d un polym re hydrophobe le PTFE Ainsi les plaques de diffusion sont poreuses et conductrices Enfin les plaques bipolaires servent e Collecter le courant e S parer les gaz l anode et la cathode Elles sont g n ralement compos es de feuilles de graphite de composite ou de m taux base de carbone En effet cela permet aux plaques bipolaires d tre de bons conducteurs lectriques et d tre imperm ables aux gaz 2 3 1 2 DMFC Les piles DMFC pour Direct Methanol Fuel Cell sont en fait des piles membrane changeuse de protons PEMFC seulement le combustible n est plus le dihydrog ne mais du m thanol 12 INSA g ROUEN A METHANOL FUEL CELL lt Carbon Water dioxide Methanol Air lt Water Machine history com Comme pour les PEMFC les DMFC ont comme lectrolyte une membrane polym re conductrice de protons et ce sont toujours les ions H qui se d place l int rieur Le probl me de l humidification de la membrane se pose galement ici Contrairement au PEMFC les DMFC ont souvent une membrane plus paisse afin d tre le plus imperm able possible au m thanol qui alt re le rendement de la pile La temp rature de fonctionnement est comprise entre 60 et 90 C Cependant l efficacit reste faible L avantage de ces piles est qu elles peuvent stocker de
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