La Pile à combustible

Lycée Renaudeau - CHOLET
EDS TS2ET
La Pile à combustible
PAC embarquée dans les missions
Gemini (1kW): lien source photos
PAC embarquée sur la mission Apollo
Le système est constitué d'un module solaire
constitué de cellules polycristallines, d'un
électrolyseur de type PEM (Proton Exchange
Membran), d'une pile à combustible de type PEM,
d'un réservoir de dioxygène (O2), d'un réservoir
de dihydrogène (H2)et d'un moteur à courant
continu chargeant la pile à combustible. On se
propose de définir le rôle, de tracer la
caractéristique courant-tension et de calculer
le rendement de chaque sous ensemble. Nous en
déduirons finalement le rendement énergétique
global du système.
Préparation: Vous devez préparer cet essai en
consultant les documents proposés dans l'article
«Vidéos et ressources sur les piles à
combustible» sur le site de physique appliquée
du lycée. Vous devez en particulier comprendre
le fonctionnement d'une pile à combustible du type PEM (voir en
particulier l'animation sur le site du CEA) et être capable de
donner quelques applications industrielles.
Avertissement: Ce système est dangereux de part l'utilisation de
dihydrogène, gaz qui explose au contact de l'air. Vous suivrez
donc scrupuleusement les indications données par le professeur qui
se chargera seul des manipulations délicates. Chaque étudiant
devra se munir de lunettes de sécurité qu'il portera pendant toute
la séance.
Matériel: Vous disposez de chiffons secs, d'une bouteille d'eau
distillée (sans ions), d'un projecteur halogène de 500W, d'un
rhéostat de 100Ω-1,8A, de deux multimètres, d'un chronomètre et du
système, module solaire / électrolyseur / pile à combustible /
moteur à courant continu. Au début de la séance les deux
réservoirs sont vides et les contacts électriques ouverts.
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A-Étude du module solaire
1- Réaliser le schéma ci-contre et
placer le projecteur à 40cm du
module solaire, l'angle d'incidence
du faisceau lumineux étant
perpendiculaire à la surface du
module.► Ne pas approcher le
projecteur du module à une distance
inférieure à 40cm.
2- Relever la caractéristique U=f(I)en affinant la mesure autour
de 0,16A et mesurer l'intensité de court-circuit.
3- Tracer cette caractéristique à l'aide de synchronie et
déterminer la puissance électrique maximale fournie par le module
(MPP: Maximum Power Point). Préciser la méthode utilisée pour
déterminer cette valeur.
4- La puissance rayonnée par unité de surface reçue par le module
solaire est liée à l'intensité de court-circuit par la relation:
W
P surf =F.I cc avec F =2,86
m².mA
A partir de cette relation et après avoir estimé la surface totale
des cellules solaires, calculer la puissance absorbée par le
module solaire.
En déduire le rendement maximal du module.
5- Le rendement des cellules polycristallines est de 12-14%.
Quelles sont, d'après vous, les origines des erreurs et
incertitudes liées à votre résultat ?
B-Étude de l'électrolyseur
1- Quel est le rôle de l'électrolyseur? Proposer un schéma de
principe de cet électrolyseur de type PEM en précisant les
réactions électrochimiques à l'anode et à la cathode.
► Appeler le professeur pour la démarche suivante (B-2).
2- Réaliser le schéma ci-contre.
La préparation de la liaison de
l'électrolyseur aux réservoirs
d'H2 et de O2 sera dirigée par le
professeur.
3- Relever la caractéristique
U=f(I)en augmentant la tension de
l'alimentation de 0 à 2V (on attendra 20s entre chaque mesure pour
l'obtention d'un régime permanent). Noter la valeur de la tension
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correspondant à l'apparition de l'activité gazeuse au niveau de la
membrane (c'est la tension minimum, permettant de «casser» les
molécules d'eau, que nous appellerons tension de décomposition).
4- Tracer cette caractéristique à l'aide de synchronie et établir
le modèle de thévenin du dipôle. Préciser le domaine de validité
de votre modèle. Retrouver la tension de décomposition sur votre
graphe et comparer à la valeur théorique de 1,23V.
► Appeler le professeur pour la démarche suivante (B-5).
5- On se propose maintenant de déterminer le rendement de
l'électrolyseur. Faire fonctionner l'électrolyseur pendant 3
minutes, on lui appliquera une tension de 1,6V, puis supprimer
cette tension d'alimentation. Purger les réservoirs en utilisant
les soupapes de sortie de la pile à combustible, le niveau d'eau
doit être au trait repère des 0cm3. Appliquer la tension
d'alimentation de l'électrolyseur et relever le volume de
dihydrogène VH2 produit (de 0 à 20cm3) en fonction du temps. Pour
chaque couple de valeurs, on relèvera également la tension aux
bornes de l'électrolyseur ainsi que le l'intensité du courant le
traversant. Ne pas dépasser 20cm3 de VH2, on supprimera pour cela
l'alimentation de l'électrolyseur en fin de manipulation.
6- Représenter la caractéristique VH2=f(t) sur synchronie et
établir la relation liant VH2 à t à partir d'une modélisation.
Commenter le résultat.
Que peut-on dire de la puissance consommée par l'électrolyseur?
7- Le rendement du convertisseur se calcul à l'aide de la relation
suivante:
Wu VH 2 . P c 
=
=
 . I . t
Wabs  U
Wu est l'énergie utile «chimique» contenue dans le réservoir de
dihydrogène et Wabs est l'énergie électrique absorbée le temps de
la production.
VH2 est le volume de dihydrogène produit et Pc est le pouvoir
calorifique du dihyrogène en  J.m−3 qui correspond à la quantité
d'énergie pouvant être potentiellement restituée par le
dihydrogène lors d'une combustion.
Calculer ce rendement.
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C-Étude de la pile à combustible
1- Décâbler le montage précédent
, purger les réservoirs en
utilisant les soupapes de sortie
de la pile à combustible, le
niveau d'eau doit être au trait
repère des 0cm3 puis réaliser le
schéma ci-contre.
► Appeler le professeur pour la démarche suivante (C-2).
2- Couvrir le module solaire puis connecter les câbles de sortie
du module à l'électrolyseur. placer le projecteur à 40cm du module
solaire, l'angle d'incidence du faisceau lumineux étant
perpendiculaire à la surface du module.► Ne pas approcher le
projecteur du module à une distance inférieure à 40cm.
Laisser l'électrolyseur produire 20cm3 de dihydrogène puis, en
ouvrant la soupape d'échappement (coté réservoir d'H2), faire
pénétrer le gaz à l'intérieur de la pile. Fermer la soupape
lorsque le volume de dihydrogène atteint 10cm3. Recommencer la même
chose coté réservoir de dioxygène et fermer la soupape lorsque le
volume de dioxygène atteint 5cm3. On constatera alors une
production d'électricité «en continu» en observant les appareils
de mesure.
3- Relever la caractéristique U=f(I) en faisant une pause de 20s
entre chaque mesure.
4- Tracer cette caractéristique à l'aide de synchronie et établir
après modélisation le modèle de thévenin du dipôle. Préciser son
domaine de validité et commenter les résultats.
5- Représenter la caractéristique courant-puissance Pu= f  I  et
préciser pour quelle valeur de l'intensité du courant débité par
la pile, on a la puissance maximale.
6- On se propose maintenant de déterminer le rendement de la pile
à combustible. Déconnecter la pile à combustible de sa charge.
Reconstituer le volume de dihydrogène VH2 produit à 20cm3 (ne pas
dépasser cette valeur) puis couvrir le module pour déconnecter les
câbles de liaison module solaire – électrolyseur. Relever le
volume de dihydrogène VH2 consommé par la pile (de 20 à 5cm3) en
fonction du temps (on fixera la valeur initiale de l'intensité du
courant débité à 0,3A). Pour chaque couple de valeurs, on relèvera
également la tension aux bornes de la pile ainsi que le
l'intensité du courant débité.
7- Représenter la caractéristique VH2=f(t) sur synchronie et
établir la relation liant VH2 à t à partir d'une modélisation.
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Commenter le résultat.
Que peut-on dire de la puissance fournie par la pile à
combustible?
8- Le rendement du convertisseur se calcul à l'aide de la relation
suivante:
 . I . t
U
Wu
=
=
Wabs VH 2 . P c 
Wu est l'énergie utile électrique fournie par la pile et Wabs est
l'énergie «chimique» absorbée.
VH2 est le volume de dihydrogène produit et Pc est le pouvoir
calorifique du dihyrogène en  J.m−3 .
Calculer ce rendement.
► Appeler le professeur pour la vidange des réservoirs.
D-Système complet
Déduire de ce qui précède le rendement maximal du système.
Quel est l'intérêt d'une pile à combustible?
Est-ce une source ou un vecteur d'énergie?
Quel bilan peut-on faire au sens de l'écologie?
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Caractéristiques techniques constructeur
Électrolyseur:
Surface électrodes: 4cm²
Puissance: 1W
Tension admissible: 0-2V DC
Production de H2: 4,3cm3/min
Production de O2: 2,15cm3/min
Réservoir de gaz:
Volume: 20cm3
Pile à combustible:
Surface électrodes: 4cm²
Puissance: 500mW
Tension produite: 0,4-0,96V
Résistante aux court-circuits
Cellule solaire:
Surface: 90cm²
Tension à vide: 2V
Courant: 350mA
Puissance (MPP): 500mW
Moteur:
Puissance: 10mW
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Éléments de réponses
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