Chapitre 5 Alimentation d’une PEMFC par photocatalyse
3.1 Etude de la production d’hydrogène par mesure du courant limite
L’étude du courant limite a permis de déterminer les vitesses de production en
hydrogène du système photocatalytique utilisé. Ainsi, la concentration optimale en
photocatalyseur TiO
2, l’influence du flux de photons ainsi que différentes réactions
photocatalytiques ont été suivies.
3.1.1Optimisation de la concentration en TiO
2La concentration optimale en photocatalyseur pour le système photocatalytique B a été
déterminée par l’étude des courants limites. La Figure 5.8 montre les différents courants limites
obtenus en fonction de la concentration en photocatalyseur (Pt/TiO
2) utilisée, sur la réaction de
déshydrogénation photocatalytique du méthanol.
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Figure 5.8 : Courant limite obtenu à 220 mV en fonction de la concentration en Pt/TiO2 (1,0 pds. % en Pt) via la déshydrogénation photocatalytique du méthanol, PEMFC avec Pt à l’anode, systéme
photocatalytique B
Le courant limite augmente quand la concentration augmente de 0,0 g.L
-1et 1,0 g.L
-1en
photocatalyseur de 0,0 A à 1,27 A respectivement. Ce courant ne varie pas pour des
concentrations supérieures en photocatalyseur. La meilleure vitesse de production en
hydrogène obtenue est de 23,7 mmol.h
-1(1,27 A). Les constantes de temps obtenues sont
comprises entre 14 et 16 min pour l’ensemble de ces expériences. La concentration optimale en
photocatalyseur est donc de 1,0 g.L
-1. Cette dernière est dépendante de la surface optique et de
la géométrie du photoréacteur ainsi que de la quantité totale de photons émis par les lampes,
comme décrit précédemment.
Le système photocatalytique B permet ainsi d’établir des vitesses de production en
hydrogène plus de 6 fois supérieures au système photocatalytique A (3,8 mmol.h
-1). Non
seulement parce que ce dernier présente des surfaces irradiées plus importantes (364 contre
91 cm
2), mais en plus parce que le flux de photons total émis par les lampes est plus important
(68,3 contre 10,1 mmol.h
-1). L’influence du flux de photons sur ce système photocatalytique, a
alors été suivie.
3.1.2Evolution de la vitesse de production en hydrogène avec le flux de photons
Les courants limites ont été suivis en fonction du flux de photons apporté au système
photocatalytique B. Deux séries de quatre lampes présentant différents flux de photons moyen
ont été utilisées. Les flux de photons totaux mesurés pour ces deux séries de lampes sont
reportés dans le Tableau 5.3.
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Tableau 5.3 : Flux de photons total mesuré pour les deux séries de 4 lampes
Flux de photons total émis par les lampes (mmol.h-1) Série Lampes A Série Lampes B
68,3 40,2
Le flux de photons total émis par la série de lampe A est 1,7 fois supérieur à celui émis
par la série de lampe B. Ces deux séries de quatre lampes ont alors été utilisées via le système
photocatalytique pour la production d’hydrogène par photocatalyse à partir de la réaction de
déshydrogénation du méthanol. La Figure 5.9 reporte les courants limites obtenus avec chaque
série de lampes.
Figure 5.9 : Courants limites obtenus à 220 mV pour deux flux de photons, déshydrogénation du méthanol, 1 g.L-1 en Pt/TiO2 à 1,0 pds. % Pt, PEMFC avec Pt à l’anode, systéme photocatalytique B
Les courants limites obtenus sont de 1,3 A et 0,7 A pour la série de lampe A et B
respectivement. Ces courants correspondent à des vitesses de production en hydrogène de
24,2 mmol.h
-1(1,3 A) et 13,1 mmol.h
-1(0,7 A). Les constantes de temps obtenues ne sont pas
significativement différentes pour les deux séries de lampes, 14,2 min pour la série de lampe A
et 16,0 min pour la série de lampe B. La vitesse de production en hydrogène identifiée est 1,8
fois supérieure pour la série de lampe A que pour la série de lampe B, en bon accord avec le
rapport des flux de photons (1,7).
La vitesse de production en hydrogène du système photocatalytique évolue
proportionnellement au flux de photons utilisé. Le rendement quantique de la réaction de
déshydrogènation du méthanol semble donc rester constant avec l’augmentation du flux de
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photons. Ainsi, le flux de photons n’est pas un facteur limitant sur la vitesse de production en
hydrogène dans ces conditions expérimentales d’utilisation.
3.1.3Réactions photocatalytiques et composition du gaz
Comme précédemment, différentes réactions photocatalytiques ont été étudiées. Les
réactions photocatalytiques de déshydrogénation du méthanol et de l’éthanol, ainsi que le
reformage photocatalytique du méthanol (50 vol. % en méthanol) ont été utilisés pour produire
l’hydrogène et alimenter la pile à combustible. La Figure 5.10 montre les courants limites
obtenus en fonction de la réaction photocatalytique utilisée.
Figure 5.10 : Courant limite obtenu à 220 mV sous flux d’azote pour différentes réactions photocatalytiques, 1 g.L-1 en Pt/TiO2 à 1,0 pds. % en Pt, PEMFC avec Pt à l’anode, systéme
photocatalytique B
Les réactions de déshydrogénation du méthanol et de l’éthanol présentent les
meilleures vitesses de production en hydrogène, 24,2 mmol.h
-1(1,3 A) et 26,1 mmol.h
-1(1,4 A)
respectivement. Le reformage photocatalytique du méthanol à 50 % volumique de méthanol
affiche une vitesse de production de 18,7 mmol.h
-1(1,0 A). La vitesse de production en
hydrogène est 1,3 fois plus élevée pour la réaction de déshydrogénation du méthanol que pour
le reformage du méthanol (50 vol. %), en bon accord avec la valeur de 1,2 obtenue
précédemment sur le ratio des vitesses de production d’hydrogène pour ces deux
concentrations en méthanol (cf : chapitre 4, 2.2.1). La constante de temps est également plus
élevée pour le reformage photocatalytique (20 min) que pour les réactions de
déshydrogénation (≈ 15 min). En effet, la concentration en hydrogène met plus de temps à
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atteindre un équilibre dans la phase gazeuse pour le reformage que pour la déshydrogénation
photocatalytique, du fait de la différence des débits de production en hydrogène entre les deux
réactions.
Comme identifié précédemment, l’hydrogène produit par photocatalyse n’est pas pur
(Tableau 4.4). Les autres espèces en présence sont fortement dépendantes de la réaction
photocatalytique utilisée et représentent des quantités non négligeables. Finalement,
l’hydrogène le plus pur est obtenu via le reformage photocatalytique du méthanol à 50 vol.%
avec une teneur molaire de 70 % en hydrogène, tandis que la teneur molaire en hydrogène des
réactions de déshydrogènation atteint à peu prés 45 %. Le reste de la phase gaz étant constitué
de sous-produits de la réaction (CO
2, aldéhydes, …) et de réactifs (alcools).
En définitive, si les réactions de déshydrogénation de l’éthanol et du méthanol
permettent d’obtenir les meilleures vitesses de production en hydrogène, la qualité de
l’hydrogène produit est altérée par de grandes quantités d’aldéhydes. Le reformage
photocatalytique du méthanol présente, quant à lui, une pureté plus importante de l’hydrogène
produit, mais une vitesse de production plus faible. Les performances de la PEMFC ont ainsi été
suivies dans un système fermé (dead-end mode).
Dans le document
Production d'hydrogène par photocatalyse et conversion électrochimique dans une pile à combustible.
(Page 163-167)