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LYCÉE FERNAND RENAUDEAU CHOLET 2006 - 2007
BTS
ÉLECTROTECHNIQUE
Système :
Piles à combustibles de types PEMFC et DMFC
TP4.3
PILE Á COMBUSTIBLE
ESSAIS DE SYSTÈMES
1- RÉFÉRENTIEL
Fonction 5 : ESSAI - MISE EN SERVICE - CONTRÔLE Tâche 5.1 : Contrôler la conformité d’un produit ou d’un travail réalisé et mettre en place des actions correctives
C01 : Analyser un dossier
C17 : Mettre en oeuvre des moyens de mesurage
C18 : Interpréter des indicateurs, des résultats de mesure et d’essais
Tâche 5.3 : Réaliser les essais et les mesures nécessaires à la qualification d’un
ouvrage, d’un équipement
C04 : Rédiger un document de synthèse
C17 : Mettre en oeuvre des moyens de mesurage
C18 : Interpréter des indicateurs, des résultats de mesure et d’essais
2- DONNÉES DISPONIBLES POUR RÉALISER LA TÂCHE
Cahier des charges
Données et documents techniques
Documents multimédias
3- SITUATION DE TRAVAIL
- Vérification des performances des matériels installés.
- Durée :
4 heures dans l’espace d’essais de systèmes.
- Matériel :
Un ordinateur sur poste fixe muni d’une carte « Sysam » d’Eurosmart et d’un boîtier d’acquisition.
Logiciel d’exploitation de données « Synchronie 2003 » d’Eurosmart.
Piles à combustible DMFC et PEMFC (système, module solaire / électrolyseur / pile à combustible / moteur à courant continu).
Chiffons secs.
Bouteille d'eau distillée (sans ions).
Projecteur halogène de 500W.
Alimentation stabilisée.
Deux multimètres.
Un chronomètre.
Lunettes de sécurité.
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1- 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. Chaque étudiant devra se munir de lunettes de sécurité qu'il portera pendant toute la séance.
2- Situation problème :
Dans le secteur recherche développement d’une grande entreprise, vous êtes chargé de tester une nouvelle alimentation de faible puissance destinée aux structures embarquées peu gourmandes en énergie (ordinateur portable, téléphone mobile …). Vous devrez rendre un rapport sur les
performances générales du système.
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.
3- Cahier des charges (extrait) :
3.1- ÉNONCÉ DU BESOIN :3.2- LE CONTEXTE DE LA DEMANDE, LES OBJECTIFS 3.2.1 Description de la prestation demandée :
Identifier les piles à combustible de type PEMFC et DMFC.
Maîtriser la technologie et le principe de fonctionnement des piles à combustible.
Analyser le comportement et les performances de la pile de type PEMFC.
Emettre un avis sur la viabilité de ce type d’alimentation dans le cas de charges embarquées de petite puissance.
Effectuer éventuellement une projection sur d’autres types d’applications.
Exposer un compte-rendu des résultats des activités.
3.2.2 Situation dans un programme plus vaste :
Campagne de mesurages.
3.2.3 Limites de l'étude :
L’étude se limitera au piles PEMFC et DMFC.
3.2.4 Etude déjà effectuée:
Viabilité de l’association.
Pile à combustible
Mener une analyse complète des performances de la pile à combustible.
Système autonome
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Aucune
3.2.5 Etudes menées en parallèle sur des sujets voisins:
TP 4.2 : Etude d’une centrale solaire.
3.2.6 Suites prévues:
Aucune
2.3 INVENTAIRE DES INFORMATIONS A EXAMINER
2.3.1 Informations techniques
2.3.1.1 Ouvrages et fichiers multimédia:
Dossier : Les piles à combustible
Vidéo sur le module GENEPAC
Animation du CEA sur la pile PEMFC 2.3.1.2 Catalogues de constructeurs
Non
2.4 CONTRAINTES GLOBALES
2.4.1 Normes, standards et/ou règlements à respecter
Normes électriques en vigueur NFC 15-100
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FICHE TECHNIQUE N°1 ÉTUDE DU MODULE SOLAIRE
Activité N°1 :
► 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:
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 ?
Moyens utilisés :
Caractéristiques techniques constructeur
Document de synthèse :
Psurf= F.Icc avec F=2,86m ².mAW
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.
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FICHE TECHNIQUE N°2 ÉTUDE DE L'ELECTROLYSEUR
Activité N°2 :
► Appeler le professeur pour la démarche suivante.
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
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.
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 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.
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.
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Moyens utilisés :
Caractéristiques techniques constructeur
Document de synthèse :
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FICHE TECHNIQUE N°3
ÉTUDE DE LA PILE A COMBUSTIBLE
Activité N°3 :
► Appeler le professeur pour la démarche suivante.
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. 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 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.
9-Déduire de ce qui précède le rendement maximal du système.
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.
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Moyens utilisés :
Caractéristiques techniques constructeur
Document de synthèse :
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FICHE TECHNIQUE N°4 QUESTIONS GÉNÉRALES
Activité N°4 :
Notre pile est-elle adaptée à la charge utilisée ?
Quel est l'intérêt d'une pile à combustible vis-à-vis d’une batterie au plomb ? Est-ce une source ou un vecteur d'énergie?
Quel bilan peut-on faire au sens écologique?
Faut-il équiper un ordinateur portable d’une pile de type DMFC, PEMFC ou autres ? Comparer les technologies DMFC et PEMFC en proposant un bilan pollution.
Existe-t-il des applications commercialisées ?
Moyens utilisés :
Dossier : Les piles à combustible
Vidéo sur le module GENEPAC
Internet
Document de synthèse :
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