La réalisation de notre maquette
Il s'agit maintenant d'effectuer le processus d'électrolyse de l'urine. Mais pour cela, nous devons disposer d'un système adapté à nos besoins. Celui fourni par le lycée Descartes n'étant pas convenable à notre situation, nous nous sommes proposé de fabriquer notre propre maquette. La réalisation d'une maquette "aboutie" est passée par plusieurs étapes, au cours desquelles nous avons fabriqué plusieurs prototypes, chacun ayant ses avantages et ses inconvénients.
Voici donc les différentes étapes par lesquelles nous sommes passés avant d'aboutir à la maquette finale :
La photo ci-contre représente notre premier prototype pour un système d'électrolyse. On a assemblé 4 plaques de zinc de mêmes dimensions, et on les a disposés de manière à ce qu'elles ne se touchent pas en plaçant des isolants entre elles. On relie deux plaques à la borne positive du générateur et deux autres à la borne négative (en alternant à chaque fois). On dispose le tout dans un bocal en verre, et l'on perce deux trous dans son couvercle : le premier permet de faire passer les fils et le deuxième permet de récupérer les gaz (dioxygène + dihydrogène).
Après l'essai de ce prototype, on a constaté que les plaques de zinc s'érodaient très rapidement, ce qui ralentissait la réaction chimique. De plus, ce prototype n'était pas tout à fait étanche : les fuites de gaz étaient nombreuses !
Afin d'empêcher l'érosion des électrodes qui causait un ralentissement de la réaction chimique dans le prototype précédent, nous avons remplacé les électrodes en zinc par des électrodes en acier inoxydable, elles sont reliées au générateur de la même façon que précédemment, et le bocal est également le même. Nous avons donc résolu un problème, celui de l'érosion. Mais un problème persiste : les fuites de gaz sont toujours présentes malgré nos essais pour améliorer l'étanchéité (rajout de colle).
Le prototype ci-dessus est le troisième que nous avons fabriqué, dans le but de résoudre le principal inconvénient des prototypes précédents à savoir l'étanchéité. Ainsi, nous avons disposé, au sein d'un bocal en plastique, deux électrodes en acier inoxydable. Par souci d'étanchéité, on a fixé des presse-étoupes dans les différents trous percés (pour la récupération des gaz ainsi que pour introduire les électrodes) et on a ajouté un joint au niveau du couvercle. Le tout est assemblé avec de la silicone pour joints contrairement aux prototypes précédents qui ont été assemblés grâce à un pistolet à colle. À noter également que les fils électriques ne sont plus trempés dans la solution, ce qui permet d'éviter tout mauvais contact. Enfin, ce prototype est plus "esthétique" que les précédents (ajout d'un support de fixation...).
Cependant, ce prototype-là présente un inconvénient : il ne permet pas de séparer dioxygène et dihydrogène.
Ce quatrième prototype est le même que le précédent, à la seule différence que l'on a percé deux trous au niveau du couvercle et que l'on a recouvert l'électrode négative (celle du dihydrogène) par un tuyau, permettant par conséquent d'isoler le dihydrogène du dioxygène, que l'on récupère séparément grâce à deux tuyaux différents.
Le prototype ci-dessus fonctionne selon le même principe que le précédent, nous avons seulement amélioré la séparation du dihydrogène et du dioxygène en plaçant sur les électrodes des tubes plus grands et de forme conique.
La maquette ci-dessus représente notre prototype final. Nous avons essayé d'y rassembler tous les différents points positifs des prototypes précédents.
Nous avons procédé, pour sa fabrication, de la façon suivante :
- Tout d'abord, nous avons découpé deux plaques de plexiglas de même taille dans laquelle on perce des trous de serrage et deux trous qui permettent le passage de la solution et la sortie des gaz (voir photo ci-dessous).
- Ensuite, nous avons découpé 9 plaques en acier inoxydable de taille similaire (voir photo ci-dessous)
- On dispose ces plaques l'une au-dessus de l'autre entre les deux plaques de plexiglas en veillant à les séparer par des joints permettant d'éviter tout contact entre les plaques d'acier inoxydable et d'assurer une parfaite étanchéité. Une de ces plaques est reliée à la borne positive du générateur, une autre à la borne négative, et les autres sont des plaques neutres.
- On assemble ensuite le tout grâce à des boulons que l'on serre suffisamment afin de garantir une bonne étanchéité.
Ce système d'électrolyse permet un meilleur rendement en dihydrogène du fait qu'il permet d'accélérer la réaction chimique, et ce pour les raisons suivantes :
- Premièrement, l'électrode négative et l'électrode positive sont séparées par des plaques neutres, ce qui favorise le déplacement rapide des ions entre les deux plaques. De plus, l'espace entre les plaques (moins d'un millimètre) facilite également la circulation de ces ions.
- Ensuite, cette maquette permet une plus grande surface de contact entre les électrodes et la solution.
- Et enfin, la solution dans la pile sèche est continuellement en mouvement sous l'effet de la pression et de la gravité (circuit fermé).
Plaques de plexiglass
Plaques d'acier inoxydable
Boulons d'assemblage
Joints d'étanchéité
Nous avons également fabriqué, de la même façon, une deuxième pile sèche, plus petite cette fois-ci, ce qui facilite son transport tout en garantissant un rendement élevé.
Notre maquette en main, nous nous sommes ensuite consacré à la production d'énergie à partir du dihydrogène extrait de l'urine par électrolyse.