Générateur d'hydrogène

Par électrolyse de l'eau, obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène. Les récupérer et créer de mini explosions néanmoins très impressionnante. ATTENTION mini explosion = volume d'une petite cuillère, au delà (volume d'un verre) DANGER POUR LES TYMPANS. Ou bien créer une flamme extrêmement chaude si l'on en produit suffisamment et que l'on dispose d'un brûleur adapté.

Il s'agit là d'un prototype fait avec du matériel simple dont je disposais. C'est améliorable, adaptable, ou l'on peut choisir d'autre méhodes... il existe de nombreux tuto..

Je l'ai conçu dans l'idée de l'intégrer à des parcours énergies. Il s'agirait plus à ce stade d'une maquette d'illustration et de démonstration bien que je pense qu'il soit possible de le réaliser en club, en mini stage ... avec des adolescents.

Difficulté

Expert Expert

Durée

6 hour(s) heure(s)

Disciplines scientifiques

Chimie, Electricité, Physique

Hydrogène, énergie, electrolyse, eau, oxygene, électricité, transport G_n_rateur_d_hydrog_ne_G_nerarateur_HHO.jpg

Introduction

A l' heure de la transition Energétique nous parlons beaucoup de l'hydrogène. Or l'hydrogène n'existe pas à l'état pure sur terre. Pour en obtenir on doit l'extraire de molécules en contenant déjà. Notre industrie l'extrait principalement de ressources fossiles (95% de la production mondiale) notamment par le craquage du méthane (CH4) en le mettant dans de l'eau chauffée à près de 1000°C ce qui demande beaucoup d'énergie et qui en plus rejette beaucoup de carbonne (C). Une autre façon beaucoup moins répendu, très cher mais efficace et potentiellement moins polluante consiste à aller le chercher dans l'eau (H²O) par électrolyse. Potentiellement moins émettrice de C0² car tout dépend de la provenance de l'électricité qui sert à l'électrolyse (et là il y a aussi tout un sujet..). Il existe d'autres méthodes pour avoir de l'hydrogène mais pour le moment totalement anecdotiques.

Le rendement et le coût de la production d'hydrogène n'est franchement pas un avantage donc il est judicieux de se poser la question de à quoi va til servir ? Mettre de l'hydrogène partout n'est souvent pas le premier choix intelligent à faire.

Parenthèse, lorsque l'on parle de l'hydrogène pour les transports il faut comprendre que dans la grande majorité des cas le moteur ne brule pas directement l'hydrogène mais qu'il s'agit de moteur électrique dont l'électricité provient d'une pile à combustible elle même nourrit à l'hydrogène.

Étape 1 - SECURITE

Utilisation d'électricité 220V au primaire de l'alimentation, cette partie doit être parfaitement sécurisé d'autant que l'on manipule des liquides. Une terre doit être présente sur l'alimentation !

L'hydrogène est explosif au contact d'une flamme, les volumes produits doivent être minime. Il y a un risque pour les tympans. En cas de retour de flamme dans le système les bocaux peuvent exploser (le couvercle saute avant que le verre casse mais bon...)

Afin de minimiser et éviter les retours de flammes vers vos bocaux, Ne JAMAIS PLACER UNE FLAMME DIRECTEMENT AU TUYAU DE SORTIE. Utiliser un bulleur ou le volume des gazs sera faible, placer une mousse au tuyau de sortie, voir même ajouter un antiretour à la sortie (solution plus bas), voir même ajouter une soupape sur le bulleur. Si vous traiter des volumes de quelques cl, bulleur et mousse sont suffisant par rapport au danger.

Utilisation de soude pour l'électrolyte. En faible quantité mais ça reste très corrosif. Si vous faites manipuler des enfants utiliser du bicarbonnate, beaucoup moins efficace et dégrade les électrodes mais ça marche.

Pour l'électrolyte ne pas utiliser de sel qui produit du dichlore, gaz très toxique, une sorte de gaz moutarde ..

Étape 2 - Définition des termes et quelques finesses ou piste de test.

Une Electrolyse de l'eau pour obtenir de l'hydrogène ça marche comment ?

On fait passer de l’électricité dans de l’eau (électrolyseur), cela a pour effet de casser la molécule d’eau H²0 pour obtenir du dihydrogène H² d’un coté et du dioxygène O² de l’autre (2 fois plus de H que de O). Il faut ensuite pouvoir récupérer ces gazs en sécurité (bulleur).

Pour contôler cette électricité on utilise un multimètre.

L'alimentation électrique: fournit l'électricité en courant continu (dc) au système. Une tension (V) minimum est nécessaire (elle dépend de beaucoup de facteur...), a priori 3V minimum, plus la tension est basse plus le système sera facile à piloter (courant, chaleur, evaporation..). Le courant (A) est le facteur qui déterminera la quantité de gaz produit. Ici j'utilise un 5 V qui peut fournir 17A maximum.

Le multimètre : Il permet de contrôler la puissance du système, On l'utilise en mode ampèremètre il se branche en série à la sortie de l'alimentation ; il est limité à 10A. Si l'on dispose d'une pince Ampèremétrique aucun branchement n'est nécessaire et la limite de courant est bien plus élevée, celà fonctionne par magnétisme.

L'Electrolyseur

Il est étanche, c'est là que sont produit ces gazs. On peut récupérer l'hydrogène et l'oxygène séparement, ce qui n'est pas le cas ici.On y trouve :

- Les électrodes sont les moceaux de métal que l'on trempe dans l'électrolyte et par ou sortira l'électricité. Il y a une électrode + (anode) qui produit l'oxygène et une - (cathode) qui produit l'hydrogène . Il faut les multiplier pour obtenir un bon résultat et faire en sorte qu'elles soient le plus proche possible sans se toucher, elles doivent être isolées l'une de l'autre. Dans l'idéal on utilise de l'inox ou du graphite (mine de crayon). Ici j'utilise du zinc et tiges filetées en fer.

Entre ces électrodes se trouvera la tension(V) de l'alimentation. Ce n'est pas le cas ici mais iI est possible de diviser cette tension en rajoutant entre les + et les - des plaques neutre (connectées à rien). La tension sera divisé par autant de plaque neutre qu'on aura rajoutée.

Si vous n'avez qu'une alimentation de 12 V vous pouvez ajouter 4 plaques neutre entre + et - alors on aura 12/4 soit 3 V entre chaque plaque. Une autre solution qui vous mènera à produire plus d'hydrogène est de faire 4 électrolyseurs (sans plaque neutre) cablés en série mais attention au courant qui sera plus élevé...

Dans le cas d'une alimentaion 12V avec 1 seul électrolyseur et sans plaque neutre celà marchera bien mais cela sera moins gérable... cette tension élevé fera qu'il y a plus de risque que le courant se mette à monter avec le temps... , Le système sera aussi plus puissant, l'électrolyte chauffera plus, il y a aura plus d'évaporation (voir "ce qui fait rater l'expérience")

- L'électrolyte est de l'eau dans laquelle on ajoute une matière qui facilitera la circulation du courant. Eviter le sel car cela produit un gaz toxique et le bicarbonnate qui déteriore les electrodes. Ici j'utilise de la soude et de l'eau distillée.

Puis ces gazs passe via un tuyau vers le bulleur.

Le bulleur

C'est un élément de sécurité pour le matériel et les personnes. C'est un récipient étanche remplis d'eau qui reçoit les gazs venus de l'électrolyseur. Ils remontent dans l'eau et ressortent via un autre tuyau pour leurs utilisation. En cas de retour de flamme c'est le bulleur qui encaisse et empêche la flamme d'aller jusqu'à l'électrolyseur.

Étape 3 - Fabrication Alimentation Electrique

Alimentation d'une tour de PC. Voir l'étiquette pour les voltages et ampérages disponibles. Ici j'utilise le 12 Vdc qui me permet 17A.

• Couper tous les connecteurs
• Trier les fils par couleur
• Pour le 12 V prendre tous les fils jaunes et les connecter à un domino
• pour le 0V prendre tous les fils noirs (sauf 1) et les connecter à un domino.
• Selon les alimentations d'autres connexions peuvent être nécessaire. https://www.latelierdugeek.fr/2013/05/11/transformer-une-alimentation-de-pc-en-alimentation-datelier

Étape 4 - Fabrication Electrode - méthode 1

Cette méthode donne une électrode plus petite, nécessite moins de matériel et est plus rapide à la fabrication. Néanmoins elle est plus fastidieuse à fabriquer car les électrodes sont plus proches et les risques de court circuit sont important, l'entretien y est compliqué et elle est plus fragile.

Je ne vais pas develloper cette métode. Simplement quelques photos et ce lien vidéo:https://www.youtube.com/watch?v=Uz0REdjpJtI

Étape 5 - Fabrication Electrolyseur- méthode 2

Cette méthode à l'avantage d'être plus pédagogique car le système est plus visuel, plus robuste, et le réglage, l'entretien y sont plus simples.

Matériel : Grand pot de confiture, tefelon, tuyau30cm, une pièce en bois (isolante) 1-2cm d'épaisseur, à peu près 8 plaques de métal, 2 ecrous/rondelles par plaque + 2 écrous/rondelles pour pièce de maintient + 2écrous et rondelles plastique isolantes pour le couvercle.

ELECTRODE

• Le dimensionnement de votre électrode dépendera des dimensions de votre pot.

- D'abord sa largeur pour les plaques de métal et pièce de maintient qui vous donneront l'entraxe de vos tiges filetées.

- Puis la profondeur du pot pour la longueur des tiges filetées + 3- 5cm.

Dans mon cas j'ai maximisé la largeur de mes plaques (plus grande que l'entraxe des tiges) ce qui multiplie les trous par 2, c'est pas obligatoire.

• Une fois vos dimensions déterminées percer votre pièce en bois à l'entraxe et au diamètre de vos tiges. Cette pièce permet le maintient du parallélisme entre les électrodes, l'ensemble est plus robuste que si seul le couvercle du pot assurait le maintient.
• Faite de même sur le couvercle du pot mais en perçant plus large que les tiges. Si elles font 6mm de diamètre percez à 10. Cela permet que les tiges ne rentrent pas en contact avec le couvercle qui est métallique et donc conducteur ce qui provoquerait un court circuit.
• Mettre de la colle sur la pièce de maintient (elle servira d'étanchéité), glisser vos tiges filetées à travers cette pièce et le couvercle. Faire dépasser de 3cm minimum au dessus du couvercle. Couvercle et pièce de maintient sont maintenant collé avec les tiges au travers, il faut maintenant serrer le tout avec écrou rondelle. ATTENTION coté couvercle, utiliser des pièces en plastiques isolante comme rondelle.
• A ce stade cela pourrait fonctionner mais pas idéalement.Il faut maintenant installer nos plaques pour multiplier les surfaces d'échanges.
• Découper vos plaques à dimensions.
• Reporter sur leur diamètre l'entraxe des tiges pour percer. centrer !
• Sur chaque plaque faire un trou au diamètre de la tige (6) et un à 10 voir plus grand. Un trou servira à la fixation l'autre à laisser passer l'autre tige sans la toucher.
• Maintenant il faut les fixer en quinquonce avec les écrous (2 écrous par plaque). Une + sur une tige, une - sur l'autre tige. Plus elles sont proches mieux c'est.Placer en le maximum. TESTER L'ISOLATION ENTRE VOS ELECTRODE (multimètre en position ohmètre)

TUYAU DE RECUPERATION DES GAZS

• Vous pouvez le faire passer dans la pièce de maintient (plus solide) ou juste par le couvercle.Percer au diamètre, enfiler le tuyau dépassant de 1cm à l'intérieur. coller dessus/dessous.

FINITION

• Mettre du tefelon sur le filetage du pot
• Connecter vos fils électriques aux tiges filetées . Rondelle/fil/rondelle écrou.Serrer.

Étape 6 - Fabrication du bulleur

1 petit pot de confiture, 2 valves de chambres à air, un tuyau 5-10cm, un tuyau 30cm du tefelon

• Selon vos valves : Grande, il faut la percer. Petite elle peut servir d'antiretour (de flamme) pour le tuyau de sortie. Attention tête en bas, soufflez dedans pour tester.
• Percer le couvercle au diamètre de vos valves, insérer à mi chemin, coller dessus/dessous.
• Connecter à une valve coté intérieur le tuyau 5-10cm qui plongera dans l'eau.C'est l'arrivée des gazs depuis l'electrolyseur.

• Connecter à une valve coté extérieur le tuyau 30cm pour qu'il aille du bulleur jusqu'a votre expérience (petit pot d'eau savonneuse ou bruleur ou...)
• insérer un petit bout de mousse au bout du tuyau (anti retour de flamme)
• Etanchéité : Tefelon (sens horaire) sur le filetage du pot.
• Remplir d'eau le bulleur sans immerger le tuyau de sortie.

Étape 7 - Utilisation du multimètre

Pour ce qui suit la mesure du courant (A) est nécessaire.

- Mesure avec un multimètre : sélecteur en position Adc (ampère, continu), calibre 20A si pas automatique, brancher la fiche rouge sur la bonne borne.Il se cable en série. entre l'alimentation et l'électrolyseur. Vous êtes limité à 10 Ampère sinon vous l'endommagerez ainsi que vos fils.

- Mesure avec une pince ampèremétrique : c'est plus simple, pas de branchement, pas de limite. Elle fonctionne par magnétisme. Brancher normalement votre alim à l'électrolyseur et venez placer votre pince autour du fil.

Étape 8 - Composition de l'électrolyte

Proportion à titre indicatif..

• - Revérifier l'isolation entre vos deux électrodes - Connecter votre alimentation aux électrodes via le multimètre.

Un grand pot de confiture contient à peu près 700ml.

• Verser 600ml d'eau distillée. L'eau normal fait l'affaire mais le systeme s'encrasse plus vite.
• Rajouter 5ml de soude, mélanger
• Immerger vos électrodes
• Le tout doit recouvrir les électrodes mais ne pas noyer le tuyau de sortie. à vous d'ajuster. Moins il y a d'air dans le pot mieux c'est (temps de purge cf dans la suite).
• Mettre sous tension (si ça coupe cf "problèmes?")
• La réaction commence, vous devriez avoir 3-4 amperes pour une alim pouvant ici 17A.
• Rajouter 1-2-3-4 ml de soude pour atteindre 7 Ampère.
• Il faut garder une marge car avec le temps le courant monte.
• ça y est c'est près, fermez bien votre pot.
  

Étape 9 - Assemblage et Test

Connecter le tuyau de l'électrolyseur au bulleur, fermer bien vos pots. Le tuyau de sortis du bulleur arrive dans un petit pots d'eau savoneuse accompagner d'une petite cuillère.

• Mettre sous tension. dès lors surveiller l'ampérage.
• Des bulles apparaissent dans l'électrolyseur puis dans le bulleur puis dans l'eau savonneuse.
• Dans une petite ceuillère récupérer des bulles.Placer sur une flamme. Les bulles éclates mais il ne se passe rien et c'est normal car elles ne contiennent pas encore d'hydrogène, le système n'a pas encore purgé son air.
• Renouveller toutes les 15 secondes, au bout d'un certain temps on détecte une mini explosion , elle s'amplifiera jusqu'a devenir très surprenante !!

Étape 10 - Utilisation au delà de quelques minutes et fin

• Le courant monte avec le temps, c'est normal.
• La température de l'électrolyseur monte, c'est normal. (diminuer la tension pour que ça chauffe moins)
• Le niveau d'eau monte dans le bulleur , c'est normal c'est du à l'évaporation dans l'électrolyseur.
• L'ampérage dépasse les 10 A. si vous n'avez pas de pince ampèremétrique, couper sous peine d'endommager votre multimètre.
• Le courant monte rapidemement ? on s'approche du court circuit à cause de l'encrassememnt, des christaux qui se forment.
• Le courant s'approche de la limite de l'alimentation, couper.
• NETTOYER , en électrolisant dans de l'eau pure pendant 30s-60s.
• Verifier l'isolation entre vos 2 électrodes.

Étape 11 - Pour aller plus loin

Il est possible de multiplier les électrolyseurs qu'on relie au même bulleur afin de récupérer plus d'hydrogène. Ainsi en rajoutant au tuyau de sortie un brûleur on peu faire une flamme en continu à très haute température.

Comment ça marche ?

Observations : que voit-on ?

- Les gazs circulent, ils remontent dans l'eau

- Il y a une pression, cela permet la circulation dans les tuyaux qu'ils aillent vers le haut ou vers le bas (hydrogène plus léger que l'air il devrait rester coincer lorsque le tuyau part vers le bas...). Si l'on bouche le tuyau de sortie, il n'y a plus de bulle dans le bulleur, la pression monte et l'étanchéiter est mise à l'épreuve.

-Sur les électrodes + et - il y a respectivement des plus ou moins grosse qui remontent plus ou moins vite

- Les températures changent

- Les niveaux d'eau changent

- Le courant électrique augmente.

- Au début les bulles n'explosent pas puis au bout d'un moment... (purge de l'air..)

Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?

-Au démarrage mon alim se coupe : c'est à cause du pic de courant au démarrage. Solution: mettre en route l'alimentation avant de la plonger doucement dans l'électrolyte. Ou modifier son alimentation...

- L'électrolyse fonctionne mais il n'y a pas de bulles dans le bulleur: Outre un tuyau bouché, il n'y pas suffisamment de pression de gaz pour contrer la pression de l'eau dans le bulleur, vérifier l'étanchéité de l'électrolyseur et/ou raccourcisser le tuyau arrivant dans le bulleur. Souvent les 2 sont liés (la pression de l'eau au dessus du tuyau dans le bulleur est trop importante pour l'étanchéité)

- Plus de bulle dans le bulleur, de l'eau à la sortie ? Trop d'eau dans le bulleur, le tuyau de sortie est noyé.

-L'alimentation fonctionne mais l'électrolyse ne fait plus de bulle : outre un problème de connexion le court circuit est atteind. Le courant choisit le chemin le plus facile et ne passe plus dans l'eau. Nettoyer en électrolisant de l'eau pure. vérifier l'isolation des électrodes.

Dernière modification 11/03/2023 par user:Antonydbzh.

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