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.
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:
Psurf=F.Icc avec F=2,86 W 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
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
Wabs=VH2.Pc
U.I.t
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.
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
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:
= Wu
Wabs= U.I.t
VH2.Pc
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?
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
