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Corrosion galvanique base des générateurs électrochimiques
La corrosion galvanique peut se définir simplement par l’effet résultant du contact de deux métaux ou alliages différents dans un environnement corrosif conducteur.
Lorsqu’un métal est immergé dans une solution électrolytique quelconque, on peut mesurer son potentiel de dissolution (corrosion naturelle) à l’aide d’une électrode de référence et d’un millivoltmètre à haute impédance d’entrée.
Dans chaque solution, il est donc possible d’établir une « série galvanique », c’est-à-dire un classement des différents métaux et alliages en fonction de ce potentiel mesuré. La différence de potentiel électrochimique qui existe entre deux alliages donne naissance, lorsqu’ils sont couplés électriquement et immergés dans une même solution électrolytique, à un courant électrique (courant galvanique) circulant de l’alliage le plus noble vers l’alliage le moins noble .
Fonctionnement : Pour avoir une corrosion galvanique, trois conditions sont nécessaires: Des métaux de natures différentes : C’est la différence de potentiel de dissolution entre les deux métaux qui provoque le phénomène. L’expérience montre qu’il faut une différence de potentiel de 100 mV pour voir apparaître la corrosion.
La présence d’un électrolyte en général aqueux : La présence d’ions dans le milieu aqueux (exemple : eau de mer), accélère le phénomène. Ce type de corrosion peut également exister dans un milieu anhydre mais ionique comme l’ammoniaque liquide.
La continuité électrique entre les deux métaux : Le phénomène diminue très rapidement en éloignant les deux métaux. Il faut qu’il y ait transfert de charges électriques pour avoir le phénomène de corrosion.
Le potentiel de couplage est obligatoirement compris entre les deux potentiels des métaux non couplés et on observe généralement un accroissement de la corrosion de l’alliage le moins noble (anodique) au voisinage immédiat de la zone de contact et diminution ou suppression de la corrosion de l’alliage le plus noble (cathodique).
Les différents facteurs affectant la corrosion galvanique
Les facteurs favorisant la corrosion galvanique favorisent également l’intensité du courant obtenue par ce phénomène, car la vitesse de corrosion est fonction de la densité de courant .
Rapport des surfaces Anode/Cathode des deux métaux : Le cas le plus défavorable est celui d’une grande surface cathodique (matériau le plus positif) électriquement reliée à une petite surface anodique (métal le plus négatif). La vitesse de corrosion du métal le plus négatif peut être multipliée par 100 voire par 1000.
K augmente si la surface de la cathode augmente et/ou la surface de l’anode diminue. La corrosion galvanique sera donc très importante si l’on a une grande cathode et une petite anode. Cette rapport de surface explique la raison pour laquelle les organes de liaison de pièces sollicitées mécaniquement (écrous, rivets, boulons, goupilles, soudures, brasures…) doivent toujours être plus nobles, ou au moins de même nature, que le matériau de base. Par exemple, un assemblage constitué par des plaques de fer fixées par des rivets en cuivre est beaucoup plus résistant à la corrosion que la configuration inverse (plaques de cuivre et rivets de fer).
Caractéristiques des générateurs électrochimiques
Malgré l’apparition des machines tournantes produisant des électricités beaucoup plus puissante que celles produites par les générateurs électrochimiques, ces derniers ne peuvent être abandonnés vue leurs qualités autonomes et portatives. C’est par ces qualités que l’on a tiré les différents caractères de fonctionnement des générateurs électrochimiques.
L’autonomie : Un générateur électrochimique est utile et utilisé quand la connexion au réseau est impossible ou trop onéreuse. C’est le cas des systèmes mobiles, véhicules électriques par exemple, et des systèmes portatifs ou portables (téléphone).
Le critère à prendre en compte dans ce caractère autonome du générateur électrochimique est le rapport puissance-masse. C’est surtout pour les applications mobiles ou pour des applications fixes dans un espace restreint ou ne pouvant supporter des masses importantes de batteries que l’on parle en termes d’énergie et de puissance massiques et volumiques.
C’est le diagramme dit « de Ragone » qui montre cette relation entre énergie et puissance massiques pour plusieurs types de générateurs. Ce diagramme est un graphique utilisé couramment pour comparer les performances des techniques de stockage d’énergie (batteries, piles, accumulateurs électriques, etc.). Il s’agit d’un graphique à axes logarithmiques, la densité massique de puissance (W/kg) est tracée en abscisse, et la densité massique d’énergie (en J/kg) est tracée en ordonnée. Il peut être complété par des lignes transversales (en secondes) qui indiquent le temps nécessaire à la charge ou la décharge des systèmes de stockage.
Paramètres d’énergie et de puissance délivrée par un générateur électrochimique
Un générateur électrochimique est composé de deux électrodes reliées à un circuit électrique extérieur et plongeant dans un compartiment rempli d’électrolyte ou dans deux compartiments séparés par une membrane perméable aux ions. Les électrodes sont généralement des électrodes composites comprenant :
Le matériau actif généralement solide sous forme divisée (poudre, éponge…) , qui sera transformé par oxydation ou réduction lors de la réaction électrochimique c’est-à-dire lorsque le générateur fournit du courant, de l’électrolyte, des conducteurs électroniques (carbone, poudres ou fibres métalliques), des additifs divers facilitant le fonctionnement (liants par exemple).
Pour les piles Leclanché salines, les godets de zinc n’appartiennent pas à cette catégorie d’électrode, le métal étant à la fois la matière active et l’électrode.
La capacité d’un générateur Q. C’est la quantité d’électricité, exprimée généralement en Ampère-heure, que peut fournir un générateur. On a :
La capacité théorique qui est la transformation totale de l’une des matières actives. La capacité pratique qui dépend de l’intensité du courant que fournit le générateur et donc de la vitesse des réactions d’électrodes.
Cette capacité caractérise d’une certaine façon la taille de la pile ou de l’accumulateur. Au départ, la capacité est déterminée par la quantité de matière active dont elle est pourvue. Comme pour la détermination de la masse de métaux consommée dans la corrosion, la loi de Faraday permet de calculer la capacité théorique.
En effet, un équivalent électrochimique d’une substance active est réduit ou oxydé par 96500 C ou 26,8 Ah. Pour quelques matières électro actives, une quantité d’électricité d’1 Ah, a un équivalent en quantité de matière active.
L’utilisation de l’eau de mer comme électrolyte
L’Électrolyte : Un électrolyte est une substance conductrice, car elle contient des ions mobiles. Il existe des électrolytes liquides et solides. Les électrolytes liquides sont les électrolytes aqueux dans lesquels les ions proviennent d’un sel soluble et les sels fondus qui ne sont constitués que d’ions.
Les électrolytes solides sont des cristaux dans lesquels certains ions sont mobiles ou des polymères comme ceux utilisés dans les membranes échangeuses d’ions.
Les électrolytes les plus communs sont : Les solutions d’acide sulfurique des batteries au plomb ; les solutions de potasse des batteries alcalines de types Ni-Cd ; les solutions de LiPF6 dans des mélanges de solvants organiques de type « carbonate » des batteries lithium-ion ; les solutions de sulfate de cuivre, de zinc ou de nickel en milieu acide sulfurique, utilisées pour les revêtements électrolytiques à anodes solubles ; les sels fondus à base d’alumine et de cryolithe pour l’électrosynthèse de l’aluminium.
Caractéristiques des eaux de mer : En général, l’eau de mer est composée d’eau et de sels, ainsi que de diverses substances en faible quantité. Si plus des deux tiers des 94 éléments chimiques naturels sont présents dans l’eau de mer, la plupart le sont en faible quantité et difficilement décelables. La salinité est un des paramètres les plus importants de l’eau de mer, et désigne la teneur en sels dissous. La salinité moyenne des océans est de 35 g/l.
La grande particularité de l’eau de mer est que les proportions relatives de ses constituants sont sensiblement constantes ; c’est-à-dire indépendantes de la salinité ; cette propriété permet de considérer l’eau de mer comme une solution de onze constituants majeurs avec de l’eau pure, à savoir, par ordre décroissant d’importance, le chlorure, l’ion sodium, le sulfate, l’ion magnésium, l’ion calcium, l’ion potassium, le bicarbonate, le bromure, l’acide borique, le carbonate et le fluorure.
Table des matières
Introduction
Partie I : Etudes bibliographiques
Chapitre I. L’électrochimie
A. Généralités
B. Principes de base
C. Fonctionnement d’un système électrochimique
Chapitre II. Corrosion galvanique base des générateurs électrochimiques
A. Définition
B. Principe
C. Les différents facteurs affectant la corrosion galvanique
D. Principe de corrosion électrochimique d’un métal
Chapitre III. Générateurs électrochimiques
A. Historiques
B. Caractéristiques des générateurs électrochimiques
C. Paramètres d’énergie et de puissance délivrée par un générateur électrochimique
D. L’utilisation de l’eau de mer comme électrolyte
Chapitre IV. Etudes des générateurs électrochimiques classiques
A. Les Piles
B. Accumulateurs
C. Les problèmes liés aux générateurs électrochimiques actuels
Partie II : Réalisation et étude de fonctionnement du Générateur
Chapitre V. Généralités sur le « générateur électrochimique sans recharge »
A. Historique
B. Description générale du Générateur
Chapitre VI. Réalisations et études expérimentales
A. Présentation l’étude
B. Réalisation du générateur à eau de mer
C. Etudes de fonctionnement du générateur
D. Synthèse et interprétation des résultats obtenues
Chapitre VII. Perspective d’exploitation du générateur
A. Stockage de l’électricité
B. Potentiel du générateur d’étude
Conclusion
Bibliographie
Webographie
Annexes
Annexe I
Annexe II
Annexe III
Annexe III.A
Annexe III.B
Annexe III.C
Annexe III.D
