Générateur d`hydrogène

Générateur d’hydrogène
Pier-Olivier Nault et Nicolas Tremblay, mai 2013
Résumé Générateur d’hydrogène Nault P.-O & N. Tremblay. 2013. Rapport
interne. Sciences, Cégep St-Félicien. Les facteurs d’optimisation de
l’électrolyse de l’eau ont été étudiés selon différents angles pour faire la
conception d’un générateur d’hydrogène. Des mesures de volume de
production ont été prises en faisant varier le courant et l’ampérage,
l’électrolyte et sa concentration. Nous avons observé que lorsque le courant
ou l’ampérage double, la production double aussi ou à peu près, que le
meilleur électrolyte était l’hydroxyde de sodium à égalité avec l’hydroxyde de
potassium et que lorsque la concentration augmente la production augmente
aussi. Nous avons ensuite construit un générateur d’hydrogène fonctionnel en
utilisant ces paramètres optimisés.
Abstract Hydrogen generator. Nault P.-O & N. Tremblay. 2013. Internal
Report. Sciences, Cégep St-Felicien. The optimization of the water electrolysis
factors were studied at different angles to the design of a hydrogen generator.
Volume measures of production were taken by varying the current and
amperage, the electrolyte and his concentration. We observed that when the
current or amperage doubles, production just about doubles too, the best
electrolyte was sodium hydroxide tied with potassium hydroxide and when
increasing concentration, production also increases. We then built a functional
hydrogen generator using these optimized parameters.
Mots clés: cégep St-Félicien, chimie, générateur d’hydrogène, hydrogène,
électrolyse, eau, électrolyte, production, voltage, ampérage, résistance.
Introduction
Le principal but de notre projet était d’approfondir nos connaissances dans le
domaine de l’hydrogène et également de concevoir un générateur qui est capable de
produire ce gaz en grande quantité. Il existe plusieurs méthodes pour produire de
l’hydrogène, mais nous nous sommes contentés de seulement une, soit la plus
courante, l’électrolyse de l’eau. Pour parvenir à concevoir un générateur de qualité et
fonctionnel, nous avons d’abord fait quelques tests à l’échelle miniature avec
l’appareil de Hoffman sur les différents facteurs qui font varier la quantité
d’hydrogène produite, par exemple le voltage, l’ampérage, le type d’électrolyte, la
concentration, ainsi que la surface de contact des électrodes. Puis, nous avons fait
un plan à la main du générateur pour ensuite le concevoir en trois dimensions sur le
logiciel SolidWorks. Enfin, nous avons construit celui-ci et surmonté les différentes
difficultés telles que l’étanchéité, la mousse produite ainsi que le fait que la théorie
soit généralement en anglais.
Hypothèses


L’hydroxyde de potassium(KOH) sera le meilleur électrolyte pour la réaction
d’électrolyse de l’eau.
Plus le courant sera élevé, plus il y aura d’hydrogène produit.
Générateur d’hydrogène
Page 1





Plus le voltage sera élevé, plus il y aura d’hydrogène produit.
La production de gaz sera différente selon la concentration de l’électrolyte.
Nous arriverons à faire un montage 3D de notre générateur.
Nous arriverons à construire un générateur d’hydrogène et il sera fonctionnel.
Nous allons atteindre une production de 1 litre par minute d’hydrogène.
Théorie (ref. 1 et 3)1
L’électrolyse de l’eau :
L’électrolyse de l’eau est une réaction électrochimique qui vise à séparer la molécule
d’eau en deux gaz soit l’hydrogène et l’oxygène :
. Cette
réaction est produite lorsqu’un courant continu se déplace de l’anode à la cathode en
passant par l’eau. Cette réaction nécessite environ 1,23 volt pour se faire. Pour de
meilleurs résultats, un ajout d’électrolyte dans l’eau est nécessaire, car l’eau pure
n’est pratiquement pas conductrice donc la réaction est très lente. L’électrolyte est
une substance conductrice possédant des ions en mouvements. Les ions permettent
au courant de voyager plus rapidement entre les électrodes. De plus, tous les
matériaux conducteurs peuvent être pris comme électrode, mais ils ne sont pas tous
efficaces. Par exemple, le cuivre ou encore le fer sont de mauvais matériaux, car ce
sont des matériaux qui s’oxydent facilement. L’électrolyse augmente l’effet
d’oxydation. Il est donc beaucoup plus avantageux d’utiliser des matériaux comme
l’acier inoxydable, l’aluminium, la platine ou l’or qui rouillent très peu ou pas.
Types de générateur :
Il existe deux types de générateur d’hydrogène soit un générateur submergé où les
plaques sont à l’intérieur de l’eau ainsi qu’un générateur non submergé
où l’eau circule entre les plaques en toute étanchéité.
Figure 1 :
Figure 2 :
Générateur submergé
1
Générateur non submergé
Ces deux références sont bonnes pour l’ensemble de la théorie.
Générateur d’hydrogène
Page 2
Les deux types de générateur fonctionnent très bien. Chaque plaque de chacun des
générateurs agit à titre d’électrode. Contrairement à l’appareil d’Hoffman, celles-ci
sont beaucoup plus grosse, ce qui augmente la surface de contact. En ayant plus de
surface de contact, les électrodes peuvent dissocier beaucoup plus de molécules
d’eau à la fois donc produire plus d’hydrogène. Cependant, le générateur nonsubmergé est beaucoup plus efficace, car l’eau est toujours en mouvement et
renouvelée en faisant un cycle continu contrairement à un générateur de type
submergé où l’eau est stagnante. Chaque générateur doit être équipé d’un «bulleur»
afin d’éviter toute explosion. Des valves anti-retour sont également fort
recommandées.
Les plaques neutres :
Les plaques neutres sont utilisées afin de diminuer le
voltage entre chaque plaque. Comme nous l’avons vu
plus haut, la réaction d’électrolyse se fait à un bas
voltage donc il est primordial d’éviter toute perte
d’énergie pour rien. En ayant trop de voltage, le
générateur surchauffe et fait évaporer de l’eau. Les
plaques neutres agissent comme un mur pour le
voltage. Celui-ci est donc divisé par le nombre
d’espaces entre les plaques. Par exemple, s’il y a
seulement une plaque neutre entre les deux pôles, le
voltage est divisé en deux et ainsi de suite. Cela
permet donc d’obtenir un voltage efficace ainsi que
prévenir la chaleur.
Figure 3:
Configuration des plaques
Figure 4:
Appareil de Hoffman
Matériel et méthode
Pour étudier l’effet du voltage et de l’ampérage, de l’électrolyte
et de sa concentration sur la production d’hydrogène, nous
avons utilisé l’appareil de Hoffman. Pour faire bref, c’est un
appareil qui permet de faire l’électrolyse de l’eau et de recueillir
l’oxygène et l’hydrogène dans 2 cylindres gradués (Figure 1).
Nous avons commencé par fixer des valeurs auxquelles nous
allions faire les expériences, soit de 200 mA pour le courant et
de 10 % (g/ml) pour la concentration des électrolytes à tester.
Pour chaque substance, nous avons mis en marche la source de
courant qui alimentait l’appareil de Hoffman pendant 15 minutes
et mesuré la production de gaz. Nous avons remarqué lors des
différents tests que, même si l’ampérage était toujours
identique, le voltage requis ne l’était pas, ce qui s’explique par le fait que la
résistance qu’offrait l’eau au courant était différente. Dans la deuxième
expérimentation, nous avons mesuré la production d’hydrogène pendant 3 min, en
contrôlant le voltage, c’est-à-dire que nous fixions une valeur et la valeur
d’ampérage reliée à celle-ci n’était pas contrôlée par nous. Nous avons fait la même
chose en contrôlant l’ampérage. Pour la conception, nous avons d’abord pensé à tous
les matériaux à utiliser. En raison du prix et de la bonne conductivité de l’acier
inoxydable, nous l’avons sélectionné comme matériau pour les électrodes. L’idée de
matériau pour rendre le système étanche nous est venue du père de Pier-Olivier, qui
Générateur d’hydrogène
Page 3
proposait un joint de filtreur à l’huile comme dans les automobiles. Nous avons donc
acheté une grande feuille de ce matériau et l’avons testé. Il a été à la hauteur de nos
attentes. Des plaques d’acier inoxydable ont donc été placées en alternance avec un
joint, que nous avons fait à partir de ce matériau et tenu ensemble avec une bonne
pression à l’aide des deux plaques de plastique extérieures et des vis, comme on
peut remarquer sur les images suivantes :
Figure 6 :
Figure 5 :
Notre générateur d’hydrogène
Vue éclatée du générateur d’hydrogène
Résultats2
Expérience de l’électrolyte
La figure 1 montre les résultats obtenus
suite à l’expérience de l’électrolyte. On
peut constater que le sel (NaCl) et le
bicarbonate
de
soude
ont
des
productions de gaz plus élevées que
l’hydroxyde de potassium (KOH) et
l’hydroxyde
de
sodium
(NaOH).
Cependant, ils ont une demande de
voltage plus élevée, ce qui signifie qu’il
faut fournir plus d’énergie pour séparer
les molécules. Ceci est du à la résistance
plus grande de ces deux électrolytes
opposent au courant lorsque celui-ci
traverse l’eau. Les 2 bases fortes étaient
donc de meilleurs électrolytes pour le
générateur à construire et l’hydroxyde
de sodium étant moins coûteux nous
l’avons choisi. Nous aurions pu tester
plusieurs autres électrolytes mais ceuxci était réputés comme étant les
meilleurs et notre projet en étant un de
conception, nous ne nous sommes pas
attardés trop longtemps sur cette
expérience.
Figure 7 :
Résultats pour l’expérience de l’électrolyte.
2
Les tables de valeurs allant avant chacun des graphiques et les graphiques eux-mêmes se retrouvent
en annexes.
Générateur d’hydrogène
Page 4
Influence de l’ampérage
La figure 2 montre les résultats obtenus
suite à l’expérience de l’influence de
l’ampérage sur la production de gaz. Le
graphique de la quantité d’hydrogène
produit en fonction de l’ampérage nous
donne une droite proportionnelle. En
effet, il très facile de constater que plus
l’intensité de courant est grande, plus la
quantité d’hydrogène est élevée.
Influence du voltage
La figure 3 montre les résultats obtenus
suite à l’expérience de l’influence du
voltage sur la production de gaz. Le
graphique de la quantité d’hydrogène
produit en fonction du voltage est une
droite qui démontre clairement que plus
le voltage est grand plus la quantité
d’hydrogène augmente. Nous avons
remarqué que lorsque nous doublions le
voltage la quantité produite doublait
également. Cependant, nous avons aussi
remarqué que lorsque le voltage était
élevé,
l’appareil
d’Hoffman
était
relativement chaud. Nous avons donc
cherché un moyen de diminuer la
chaleur et nous avons trouvé la théorie
des
plaques
neutres
mentionnée
précédemment. Après quelques tests à
l’aide d’un voltmètre, nous avons pu
confirmer cette théorie.
Influence de la concentration
La figure 4 montre les résultats obtenus
suite à l’expérience de la concentration
dans l’eau. Le graphique de la quantité
d’hydrogène produit en fonction de la
concentration démontre un rapport
proportionnel entre la concentration
d’électrolyte ajoutée et l’hydrogène
produit. En effet, plus on augmente la
concentration, moins il y a de résistance
pour le courant de voyager de l’anode à
la cathode. En diminuant la résistance,
on augmente ainsi l’intensité du courant.
Cela
a
donc
pour
conséquence
d’augmenter la production d’hydrogène.
Figure 8 :
Graphique de la quantité d’hydrogène en
fonction de l’ampérage (NaOH 10 % g/ml)
Figure 9 :
Graphique de la quantité d’hydrogène en
fonction du voltage (NaOH 10 % g/ml)
Figure 10:
Graphique de la quantité d’hydrogène par
minute en fonction de la concentration (NaOH)
Générateur d’hydrogène
Page 5
Discussion
Figure 11:
Pour ce qui est de nos hypothèses, une seule est infirmée et
Joint étanche 1
c’est que nous allions produire 1 litre par minute d’hydrogène.
Nous avons recueillis une quantité de 500 ml dans une
bouteille d’eau en chronométrant le temps que cela prenait.
Ensuite, nous avons calculé une production d’environ 1 litre en
2 minutes 30 secondes. Pour le reste, nous avons confirmé que
l’hydroxyde de potassium(KOH) était le meilleur électrolyte (à
égalité avec l’hydroxyde de sodium), comme il est possible de
voir sur la figure 1. Après cette expérience, nous avons donc
choisi d’utiliser le NaOH comme électrolyte parce qu’il était
moins cher. Celui-ci nous a causé un problème : il produisait
Figure 12:
beaucoup de mousse. Nous avons consulté quelques sites
internet pour comprendre ce qui se passait et découvert que
Joint étanche 2
c’était normal qu’il se produise de la mousse. Nous avons donc
choisi d’utiliser un anti-moussant non réactif qui sert
normalement aux spas et cela a bien fonctionné. Dans
l’expérience suivante, et comme il est possible de voir sur les
figures 11 et 12, le volume d’hydrogène produit augmente en
fonction du voltage et de l’ampérage. De plus, nous avons
constaté que lorsque l’ampérage ou le voltage double, la
production double ou à peu près. C’est ce que nous avions pu
lire sur les références du web et nous l’avons démontré par nos
expérimentations. Nous avons aussi démontré que la production augmente en fonction de la
concentration, comme on peut le constater sur la figure 4. Ensuite, nous avons été capables
de faire un dessin 3D sur logiciel de notre montage. Pour cette partie, nous connaissions
déjà le fonctionnement du logiciel SolidWorks pour l’avoir utilisé dans le passé, il a donc été
aisé de faire le montage 3D excepté pour les vis. Il nous a fallu l’aide de quelqu’un qui avait
plus de connaissances. Finalement, nous avons construit le générateur d’hydrogène et il est
fonctionnel. La difficulté fut de rendre le système étanche parce qu’il fallait qu’il soit étanche
à l’eau, mais aussi à l’hydrogène qui est très volatil. Nous avons utilisé un joint de filtreur à
l’huile comme dans les automobiles. Cela à bien fonctionné, mis à part la décoloration du
joint. Par contre, cela ne causait aucun problème au niveau de l’électrolyse. Ensuite, les
raccordements de tuyaux, que l’on peut voir sur les images 11 et 12, ont été difficiles à
sceller. Cela est dû au fait qu’il fallait appliquer la colle sur du plastique et que celle-ci était
en contact avec notre électrolyte, une base forte. Nous avions essayé plusieurs colles pour
résoudre le problème et celle qui a donné les meilleurs résultats fut la colle époxy, qui alliait
solidité et étanchéité.
Critiques et améliorations
Pour les expériences que nous avons faites en laboratoire sur les électrolytes, l’ampérage et
le voltage et la concentration, nous sommes satisfaits et n’avons pas d’améliorations à
proposer. Il faut aussi noter que les manipulations étaient relativement simples. Nos
améliorations à proposer seraient sur ce que nous aurions pu faire de plus pour rendre le
projet plus complet.
Critique
Amélioration
Le contenant que nous avons utilisé
étant trop gros inutilement. Cela causait
que nous avions besoin de 10L de
solution, ce qui était dépense inutile, et
que le système devait marcher pendant
L’utilisation d’un contenant de 3 à 5 L
aurait été appropriée pour ce dont nous
avions besoin.
Générateur d’hydrogène
Page 6
5 à 10 minutes avant que le gaz qui
sorte soit de l’hydrogène.
Nous ne connaissions pas la résistance
du système, ce qui causait qu’on ne
pouvait pas prévoir l’ampérage lorsqu’on
contrôlait le voltage et vice-versa.
Pour calculer le rendement du système,
nous avons utilisé une méthode plus ou
moins bonne qui nous a donné une
valeur approximative.
À l’aide de la formule V=RI et de 2
multimètres, nous aurions certainement
pu calculer la résistance du système et
ainsi faire des calculs pour avoir le
voltage optimal entre chaque plaque.
Nous avons eu un manque de temps,
mais dans le cas contraire nous aurions
pu mettre au point un montage
semblable à l’appareil de Hoffman ou
encore utiliser un compteur de gaz.
Retombées et applications possibles
Il faut premièrement savoir que lorsqu’on allume de l’hydrogène, la réaction inverse de sa
séparation se produit et il revient en vapeur d’eau, donc la réaction ne produit aucune
pollution contrairement à l’essence qui est utilisée dans les automobiles. De plus, il est
important de savoir que l’hydrogène est très puissant et pourrait devenir une des principales
sources d’énergie dans les années à venir. Grâce à l’hydrogène, il est possible d’acheminer
de l’électricité dans des endroits isolés à l’aide de piles à combustible. Par exemple, on
stocke l’hydrogène dans des bombonnes et on le transporte. Cela évite de perdre de
l’énergie dans une installation ayant des kilomètres et des kilomètres de fils électriques. Une
autre application est de concevoir un générateur comme nous l’avons fait et par la suite, de
l’installer à l’intérieur d’une voiture, dans l’entrée d’air du moteur. En faisant cela, il est
possible de rendre le moteur plus performant et plus économique, donc moins polluant.
Plusieurs personnes essaient de mettre des technologies au point concernant l’hydrogène et
il y a beaucoup d’avenir dans ce domaine fascinant, cependant les compagnies de pétrole
veulent continuer à empocher leur argent, donc ils achètent les particuliers qui réussissent à
développer quelque chose de nouveau.
Conclusion
Notre projet a demandé beaucoup de temps mais le résultat fut très gratifiant. Nous avons
été forcés de faire des recherches poussées pour comprendre tous les concepts techniques
cachés derrière cette merveilleuse invention mais cela nous a permis de comprendre la
difficulté qu’il y a pour développer les nouvelles technologies. Pour nos hypothèses, nous les
avons toutes confirmées, sauf pour la production d’hydrogène attendue qui était de 1 litre
par minute; nous avons produit 1 litre en 2 minutes 30 secondes. Donc, l’hydroxyde de
potassium était le meilleur électrolyte pour l’électrolyse de l’eau. Aussi, lorsque le courant, le
voltage ou la concentration augmentaient, la production de gaz augmentait aussi et
finalement, nous avons réussi, comme prévu, à construire un générateur d’hydrogène
fonctionnel. Bref, l’important pour nous était de montrer aux gens la puissance de ce gaz et
son potentiel en tant que future source d’énergie RENOUVELABLE, VERTE ET À NOTRE
PORTÉE.
Générateur d’hydrogène
Page 7
Médiagraphie










Référence 1 : [ANONYME]. Wikipédia, [En ligne],
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrolyse_de_l'eau(consulté le 27 avril 2013)
Référence 2 : FLAMAND, Eddy & ALLARD, Jean-Luc, 2003, Chimie des solutions,
Canada, Modulo Éditeur, 365 pages. (consulté le 27 avril 2013)
Référence 3 : [ANONYME]. daddyo44907, [En ligne],
http://www.hho4free.com/(consulté le 27 avril 2013)
Image (titre) : [ANONYME]. Cleanbreak, [En ligne],
http://www.cleanbreak.ca/wordpress/wp-content/uploads/icon_hydrogen.gif
Figure 1 : [ANONYME]. 2HHO, [En ligne], http://2hho.com/
Figure 2 : [ANONYME]. MAGNUM tuning™, [En ligne],
http://www.magnumtuning.com/en/product_text/hypercell-hydrogen-hho-systemfully-assembled
Figure 3 : [ANONYME]. daddyo44907, [En ligne], http://www.hho4free.com/
Figure 4 : [ANONYME]. Wikipedia, [En ligne],
http://fr.wikipedia.org/wiki/Voltam%C3%A8tre_de_Hofmann
Figure 5, 6, 11, 12 : Images personnelles de notre montage
Figures 7, 8, 9 et 10 : Réalisées sur Microsoft Word
Annexes
Protocole des laboratoires
Expérience sur les électrolytes
1. Peser 25 g de l’électrolyte à tester.
2. Dissoudre cette quantité dans un ballon jaugé de 250 ml rempli d’eau pour obtenir
une concentration 10%(g/ml).
3. Remplir l’appareil de Hoffman avec la solution préparée (environ 225 ml).
4. Connecter l’ampèremètre, le voltmètre et la source de courant sur l’appareil de
Hoffman.
5. Ouvrir la source et laisser fonctionner durant 15 minutes (Réajuster quand
l’ampérage baisse pour toujours avoir 200 mA).
6. Prendre en note le voltage requis.
7. Mesurer la production de dihydrogène et calculer le rendement par minute.
8. Répéter les étapes 1 à 6 pour les autres électrolytes à tester.
Expérience sur l’influence de l’ampérage
1. Peser 25 g d’hydroxyde de sodium(NaOH) et le dissoudre dans 250 ml d’eau.
2. Effectuer l’électrolyse de l’eau avec le système de Hoffman pendant 3 minutes en
conservant l’ampérage constant.
3. Noter le volume d’hydrogène produit et calculer le rendement par minute.
4. Répéter à plusieurs reprises avec différentes valeurs d’ampérage.
5. Construire un graphique du volume d’hydrogène en fonction de l’ampérage.
Expérience sur l’influence du voltage
Générateur d’hydrogène
Page 8
1. Peser 25 g d’hydroxyde de sodium(NaOH) et le dissoudre dans 250 ml d’eau.
2. Effectuer l’électrolyse de l’eau avec le système de Hoffman pendant 3 minutes en
conservant le voltage constant.
3. Noter le volume d’hydrogène produit et calculer le rendement par minute.
4. Répéter à plusieurs reprises avec différentes valeurs de voltage.
5. Construire un graphique du volume d’hydrogène en fonction du voltage.
Influence de la concentration de l’électrolyte
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Peser X grammes de NaOH.
Dissoudre la quantité d’électrolyte dans 250 ml d’eau.
Verser la solution dans l’appareil de Hoffman.
Mettre en marche durant 3 minutes.
Mesurer le volume d’hydrogène recueilli et calculer le rendement par minute.
Répéter les étapes 1 à 5 avec différentes concentrations.
Construire un graphique de la production d’hydrogène en fonction
concentration.
de
la
Pour le reste des cours, nous n’avions pas de protocoles. Nous avons investi notre temps
à concevoir le SolidWorks 3D de notre montage, à fabriquer le générateur à hydrogène,
ce qui inclut quelques problèmes et tests, et à concevoir un module pour supporter le
générateur à l’expo-sciences. Notre horaire était tout de même très chargé et nous
avons fait quelques expériences durant les fins de semaine à la maison.
Tableaux des graphiques:
L’influence de l’ampérage sur la quantité d’hydrogène produite
Ampérage (A)
Quantité d'hydrogène (ml)
0,20 ± 0.05
2,0
± 0.1
0,40 ± 0.05
3,8
± 0.1
0,80 ± 0.05
7,9
± 0.1
1,60 ± 0.05
15,8 ± 0.1
2,12 ± 0.05
21,9 ± 0.1
Générateur d’hydrogène
Page 9
L’influence du voltage sur la quantité d’hydrogène produite
Voltage (V)
Quantité d'hydrogène (ml)
1,0 ± 0.1
3,7
± 0.1
2,0 ± 0.1
6,9
± 0.1
3,0 ± 0.1
10,8
± 0.1
4,0 ± 0.1
14,7
± 0.1
5,0 ± 0.1
19,9
± 0.1
L’influence de la concentration sur la quantité d’hydrogène produite
Concentration (%)
5
Quantité d'hydrogène (ml/min)
± 1
3,5
± 0.1
10 ± 1
6,7
± 0.1
15 ± 1
10,3
± 0.1
20 ± 1
14,2
± 0.1
25 ± 1
18,4
± 0.1
Nous avons mis une incertitude de ± 1%, car une grande précision n’était pas nécessaire.
Dessin en 3D de notre montage sur le logiciel Solidworks :
Générateur d’hydrogène
Page 10
Vue explosée de notre générateur :
Une conception de :
&
Générateur d’hydrogène
Page 11