Chalumeau à hydrogène, de la production du gaz à

Chalumeau à hydrogène, de
la production du gaz à sa
combustion
Par : Neal Granal et Joëlle Perron
Résumé : Chalumeau à hydrogène, de la production du gaz à sa combustion
Granal, N. & J. Perron. 2015. Rapport interne. Sciences, Cégep St-Félicien. On a
fabriqué un chalumeau à l'hydrogène. de la production du gaz (dihydrogène et
dioxygène) ,grâce à un générateur, à la combustion à l'embout du chalumeau.
Abstract : Hydrogen torch, from gas production to its combustion By Granal N. &
J. Perron. 2015. Internal report. Sciences, Cégep St-Félicien. We made a hydrogen
torch, from the production of the dihydrogen and dioxygen, with an hydrogen
generator, to the combustion of the gas at the end of the torch.
Mots clés: chimie, hydrogène, chalumeau, générateur, combustion, électrolyse
Introduction
L’énergie est aujourd’hui une préoccupation première et l’hydrogène pourrait être une
solution. On sait que par l'électrolyse de l'eau, on peut produire de grandes quantités de ce
gaz et sa combustion n'a, comme déchet, que l'eau. Il existe présentement plusieurs
systèmes fonctionnant à l'hydrogène, dont des chalumeaux.
Le but de cette expérience est de concevoir un système complet d’un chalumeau à
l’hydrogène, de la production du gaz à sa combustion.
Théorie
Production d’hydrogène
Il existe plusieurs façons de produire de l’hydrogène, principalement à partir d’hydrocarbure
ou de l’eau. L’intérêt de ce projet se situe plutôt autour des méthodes produisant
l’hydrogène à partir de l’eau. Les méthodes sont :
-
Production biologique à l’aide d’algues
-
Production chimique avec des métaux
-
Thermochimique
-
Électrolyse
La réaction visée ici est l’électrolyse de l’eau. C’est une réaction électrochimique qui sépare
les éléments de la molécule d’eau pour former de l'hydrogène et de l'oxygène dans un
rapport de 2 H pour 1 O (H2O). Cette réaction s’effectue lorsqu’un courant électrique continu
traverse l’eau d’une anode à une cathode immergée dans l’eau. L’ajout d’un électrolyte est
nécessaire pour rendre l’eau plus conductrice. L’électrolyte est une substance qui, dans
l’eau, se dissocie et forme des ions libres, par exemple le NaCl qui forme du Na+ et du Cl-.
Les ions favorisent le passage du courant. Alors, les ions hydrogène acceptent des électrons
à la cathode dans une réaction d'oxydoréduction en formant du dihydrogène gazeux (soit
H2), selon la réaction de réduction :
Alors qu'une oxydation des ions hydroxyde se produit à l'anode :
Ce qui donne l'équation globale de décomposition par électrolyse suivante :
Générateur d’hydrogène
Il existe plusieurs sortes de générateurs. Celui qui a été utilisé en
est un non immergé. Cela se nomme également « Dry cell ». C’est
une succession de plaques de métal percées, dont certaines sont
reliées au courant électrique et d’autres non. Elles sont séparées
les unes des autres par des joints étanches avec une entrée d'eau
et une sortie de gaz. Ainsi, l’eau circule librement entre les plaques
sans que celles-ci soient en contact entre elles. Les plaques
chargées agissent comme électrode (cathode et anode). Chaque
plaque chargée sera séparée par plusieurs plaques neutres afin de
diviser le voltage. La différence de potentiel entre deux plaques
successives doit être entre minimalement de 1,8 volts pour fournir
l'énergie nécessaire à l'électrolyse et maximalement de 2,4 volts
pour éviter la surchauffe. Ce type de générateur produira ce que
plusieurs appellent du HHO (ou gaz de Brown) qui est du H2 et du
O2 en phase gazeuse.
Pour le choix des matériaux et électrolyte à utiliser pour
l’expérience : Générateur d’hydrogène, de Pier-Olivier Nault et
Dry cell ou générateur d’hydrogène
Source : Joëlle Perron et Neal
Nicolas Tremblay, mai 20131
sera pris considérablement en
Granal
compte. Leur but étant de construire un générateur de la sorte le
plus efficace possible et de vérifier plusieurs hypothèses qui n’auront pas besoin d’être
vérifiées ici.
Chalumeau à hydrogène
m
Les composantes du système pour avoir un chalumeau sont relativement simples :
1
Source électrique (batterie, prise de courant, etc.)
http://www.cstfelicien.qc.ca/blog-bec/wp-content/uploads/2013/05/2013-chm-4-article.pdf
-
Générateur d’hydrogène
-
Un réservoir contenant l’eau mélangée à l’électrolyte
-
Un bulleur (contenant rempli d’eau osmosée que le gaz traverse pour le purifier. Il
agit également comme sécurité pour empêcher les flammes advenant qu’elles se
rendent jusqu’au bulleur)
-
Un anti-retour de flamme
-
Une tête du chalumeau
-
Une valve
-
Le tout relié avec différents tuyaux
Le système assemblé est représenté en annexe 2.
Finalement, les hypothèses liées à ce projet furent que 4,6 litres de gaz par minute allaient
être produits et que, grâce à ce débit, la flamme allait être constante.
Méthodologie
Ainsi, les étapes de réalisation ont commencé par la fabrication du générateur. Pour ne pas
avoir de court-circuit, la différence de potentiel entre chaque plaque devait être nulle
lorsqu’on utilisait un multimètre et que le générateur n’était pas branché. Les trous des
plaques du générateur ont été isolés pour éviter les pertes de courant.
Par la suite, le bulleur et le réservoir ont été fabriqués à l'aide de contenants recyclés. Ils
ont été remplis d'eau pour vérifier leur étanchéité.
Le tout a été assemblé en plaçant le réservoir en hauteur sur un vérin pour que le liquide
s'écoule dans le générateur par gravité.
Pour vérifier la quantité de gaz produit, le tuyau de la sortie du gaz a été placé à l’intérieur
d’un cylindre gradué, renversé et plein d’eau. Le gaz, ayant une masse volumique plus faible
que l’eau, remplaçait l’eau dans le cylindre. La quantité de gaz produit en fonction du temps
a été déterminée en litre par minute.
La solution dans le réservoir a été obtenue à l’aide d’eau distillée, pour éviter les impuretés,
et de NaOH. La concentration était de 5 à 6% puisque, selon HHO-Rimouski, le gaz est plus
pur à ce taux.
Suite à la fabrication de l'anti-retour de flamme, celui-ci a été testé en connectant un ballon
de baudruche rempli de dihydrogène et de dioxygène à une extrémité. Le gaz libéré par le
ballon traversait l’anti-retour de flamme. On plaçait une allumette à l'autre extrémité et la
combustion se faisait seulement à cette extrémité. S'il y avait eu une explosion au niveau du
ballon, l'anti-retour de flamme n’aurait pas fonctionné.
Lorsque la sécurité du système a été éprouvée, le chalumeau a été ajouté.
Tous les tests impliquant de la production de gaz ont été effectués sous une hotte.
Résultats








Le résultat le plus notable que nous avons obtenu est que notre système complet de
chalumeau à hydrogène fonctionnait.
Par contre, pour arriver à ce résultat, plusieurs tests, énoncés dans la section
méthodologie, ont dû être effectués.
Les plaques étaient bien isolées les unes des autres puisque la différence de potentiel
entre deux d’entre elles était nulle.
L'étanchéité, malgré plusieurs problématiques, a finalement été obtenue suite à la
superposition de plusieurs isolants : téflon, joints de caoutchouc, colle et un
caoutchouc en aérosol.
La production moyenne de gaz était de 1,74 litre par minute (tab.1, annexe 1).
L'anti-retour de flamme fonctionnait puisque le gaz brûlait seulement à l'une de ses
extrémités, elle ne le traversait pas.
La flamme était constante.
Le système était sécuritaire et ajustable.
Discussion
Interprétation
Les résultats énoncés plus haut ont démontré que notre but initial a été atteint, soit de
construire un chalumeau à l'hydrogène, de sa production à la combustion puisque le
système fabriqué est fonctionnel. Aussi, l'hypothèse selon laquelle le système allait produire
4,6 litres de gaz par minute a été infirmée. En effet, les résultats obtenus (tab. 1, annexe 1)
montrent une production moyenne de 1,74 litre par minutes de gaz. La deuxième hypothèse
qui était que la flamme allait être constante a été confirmée.
De plus, l'électrolyte utilisé, le NaOH, fut approprié puisqu'il permettait une bonne
production de gaz de manière constante. La différence de potentiel entre deux plaques
successives du générateur était d'environ 2 volts, ce qui correspond aux contraintes
nécessaires à une électrolyse adéquate, soit entre 1,8 et 2,4 volts.
Critique
Les résultats obtenus pour la production de
gaz par minute sont peu fiables puisque les
tests étaient effectués sur 2 secondes en
moyenne avec un cylindre gradué de
100ml.
Cela
apportait
beaucoup
d'incertitude aux résultats.
La température de la flamme n'a pas été
mesurée et elle n'a pas été testée pour
souder.
Les problèmes d'étanchéités nous ont fait
perdre beaucoup de temps.
L'ampérage expérimental n'a pas été
mesuré.
Le voltage fourni par les sources était
différent d'une fois à l'autre. Ce qui influe
sur la production et les autres paramètres.
Suggestion d'améliorations
Faire des tests de plus longue durée en
utilisant un cylindre gradué de plus grande
capacité (ex.: 2 litres).
Il aurait fallu la mesurer à l'aide d'un
calorimètre et avoir plus de temps pour la
tester pour souder.
Utiliser des contenants adaptés et non faits
maison ou faire appel a une personne
d'expertise.
À l'aide d'un multimètre et de temps, nous
aurions pu le mesurer.
Il aurait été possible de vérifier et d'ajuster
le voltage fourni par les sources avant
chaque test ou d'avoir des sources
constantes.
Retombées et applications possibles
Ce projet peut avoir plusieurs retombées. Par exemple, en soudure, l'utilisation de
l'acétylène est dangereuse. La flamme est difficile à contrôler et la lueur qui s'en échappe
est trop vive pour pouvoir la regarder à l’œil nu. Par contre, l'hydrogène produit une flamme
peu lumineuse, mais d’une chaleur assez élevée pour la soudure et que l’on dit « douce ».
Aussi, l'utilisation d'un tel générateur dans le moteur d'un véhicule peut considérablement
en diminuer la consommation d'essence. Il suffit d'installer un système ayant pour but de
faire brûler le dihydrogène et le dioxygène avec l'essence et la consommation de celle-ci
chute de 30% ou plus.
De plus, c'est une transformation de l'énergie électrique accessible à tous de par sa facilité
de conception et de la potentielle utilisation de matériaux simples et abordables. Tant que le
métal et la solution utilisés sont conductibles à l’électricité, cela va fonctionner.
Par ailleurs, la réalisation de ce projet aura certains impacts sociaux et environnementaux.
En effet, l'utilisation d'un chalumeau à l'hydrogène pour la soudure limite les déchets par
rapport à un chalumeau à l'acétylène ou au propane. En effet, le seul résidu présent lors de
la combustion de l'hydrogène est l'eau, donc il n'y a aucune pollution.
Conclusion
Malgré plusieurs problèmes et un grand nombre d'heures consacrées au projet, l’expérience
est un succès. Des recherches poussées ont dues être effectuées pour la compréhension du
fonctionnement du système. Le but de l'expérience a été atteint puisque la conception d'un
chalumeau à l'hydrogène, de la production du gaz à sa combustion, a été effectuée. Aussi,
plusieurs tests de sécurités et de fonctionnement ont été faits sur notre système pour en
vérifier l'efficacité et la sécurité. Nos différents résultats nous ont permis de déterminer la
validité ou non de nos hypothèses. Ainsi l’hypothèse stipulant que la production de gaz allait
être de 4,6 litres par minutes a été infirmée alors que celle disant que la flamme allait être
constante a été confirmée. Aussi, l'utilisation de l'hydrogène comme source d'énergie n'est
pas nocive pour l'environnement et pourrait être une solution enviable pour le futur, car les
hydrocarbures vont finir par manquer alors que l’hydrogène est abondant et renouvelable,
bien que plus difficile d’accès.
ANNEXE
ANNEXE 1
Tab. 1 : production de dihydrogène et dihydrogène par
minute
Temps (sec)
Production (ml)
Production (L/min)
2,05
63
1,84
2,19
65
1,78
2,12
59
1,67
2,2
69
1,88
1,95
56
1,72
2,15
56
1,56
Production moyenne par minute
1,74
ANNEXE 2
Anti-retour
de flamme
Bulleur
Réservoir
Valve
Générateur
Tête du
chalumeau
ANNEXE 3
Médiagraphie
Livres:
BOISCLAIR et PAGÉ (2004). Guide des sciences expérimentales. Ed.ERPI. Montréal, pages
203 à 206.
Sites Internet :
ANONYME. (2013). Brico Musique. http://www.bricomusique.com/. (page consultée le 22
novembre 2014).
ANONYME. (2012). John Steel - Le métal a ma mesure. http://www.john-steel.com/inox/85plaque-d-inox-brillant-316l-marin-et-filme.html (page consultée le 22 novembre).
SILVERNABLE2. (2009) Le forum des utilisateurs de générateur de HHO, http://le-forumdes-utilisateurs-de-generateurs-hho.3359116.n2.nabble.com/
Vidéos:
EURONEWS. (28 octobre 2013). Un nouveau procédé pour faire du feu avec de l'eau futuris. https://www.youtube.com/watch?v=Qtzc-4hWKyM (vidéo consultée le 22 novembre
2014).