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Chimie Thème : L’eau - Eau et énergie TP + Docs
Spécialité
Les piles à combustible Chap.3
Etude d’une pile à combustible
Dans les habitations de demain, des panneaux photovoltaïques transformeront l’énergie solaire en énergie électrique, utilisée directement pour alimenter les appareils électroménagers. Les surplus d’énergie électrique serviront à faire fonctionner un électrolyseur permettant de transformer de l’eau en dihydrogène et en dioxygène, qui seront, qui seront stockés dans deux réservoirs.
En absence de Soleil, le dihydrogène et le dioxygène seront acheminés vers une pile à combustible qui les transformera en eau en libérant de l’énergie électrique, utilisée une nouvelle fois dans l’habitation.
La pile à combustible étudiée est une PEMFC ( Proton Exchange Membrane Fuel Cell) : elle est constituée de deux électrodes séparées par une membrane polymère qui laisse passer les protons H+(aq).
I. Production du combustible (H2(g)) et du comburant (O2(g))) de la pile Préparation de la cellule
De l’eau a été introduite dans la pile de façon à ce que la
membrane polymère ne puisse sécher et le réservoir rempli d’eau.
Une électrolyse réalisée avec cette cellule permet de préparer le dihydrogène et le dioxygène nécessaires au fonctionnement de cette même cellule en tant que pile à combustible.
L’énergie nécessaire à cette électrolyse est fournie par un panneau solaire ou des piles AA contenues dans le boitier ( en l’absence de Soleil).
Préparation des réservoirs
Remplir d’eau distillée les deux réservoirs O2 et H2 dans lesquels ont été insérées les cloches.
A l’aide d’une seringue branchée à l’extrémité du tuyau relié au réservoir O2, aspirer jusqu’à ce que l’eau remplisse le tuyau. Ôter la seringue en serrant avec les doigts l’extrémité du tuyau, puis l’insérer sur
l’embout O2 de la pile.
Opérer de même avec le réservoir H2 et l’embout H2 de la pile
Avec la seringue, faire coïncider le niveau de l’eau distillée dans chacun des réservoirs avec la graduation 0.
1. Réalisation du circuit ci-contre
Réaliser le circuit ci-contre en commençant par brancher le boitier noir générateur.
Il faut impérativement respecter les polarités des appareils la borne
« com » correspond au « - »
Déclencher le chronomètre quand on ferme le circuit.
1.1. Noter les valeurs de la tension U = …... V aux bornes de la cellule et de l’intensité I = …... mA du courant qui traverse alors la cellule. Vérifier que ces valeurs restent à peu près stables au cours de l’électrolyse.
1.2. Noter la durée Δt = ... min ... s nécessaire au dégagement de 10 mL de dihydrogène.
2. Exploitation
Donnée : La charge Q = 96 500 C correspond à l’échange d’une mole d’électrons à chaque électrode 2.1. Sachant que l’électrolyte est acide et laisse passer les protons H+, écrire l’équation de la réaction
électrochimique traduisant l’obtention à partir d’eau de dihydrogène et de dioxygène 2.2. En déduire l’équation de la réaction traduisant le bilan de l’électrolyse.
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2.3. Déterminer la quantité de dihydrogène obtenue, n(H2)obt, lors de l’électrolyse en considérant que le volume molaire dans les conditions de l’expérience est VM = 24 L.mol-1.
2.4. Déterminer la charge électrique Q qui a traversé le circuit lors de l’électrolyse. En déduire la quantité de dihydrogène attendue, n(H2)att.
2.5. Calculer le rendement de la cellule r = n(H2)obt
n(H2)att
. Commenter le résultat.
II. Fonctionnement de la pile à combustible
1. On arrête l’électrolyse quand le réservoir de dihydrogène est complètement rempli.
1.1. Noter la valeur des volumes
V ( H2)0 = …... de dihydrogène et
V(O2)0 = …... de dioxygène contenus dans les réservoirs de la pile.
1.2. A l’aide d’un voltmètre, mesurer la tension à vide aux bornes de la pile.
Noter sa f.é.m. E = …...
1.3. Faire un schéma d’un montage permettant de mesurer la tension aux bornes de la pile et l’intensité qu’elle débite lorsqu’elle est branchée aux bornes d’un moteur alimentant une éolienne.
Réaliser le montage proposé après accord du professeur.
Déclencher le chronomètre à la fermeture du circuit.
1.4. Noter les valeurs des tensions U = …... aux bornes de la pile et de l’intensité I0 = …... du courant que la pile fait circuler lorsque ces valeurs sont stabilisées.
Faire débiter la pile jusqu’à ce que le volume de dihydrogène dans le réservoir ait diminué de moitié.
Arrêter le chronomètre et débrancher la pile.
1.5. Noter la durée Δt = …... de l’expérience et le volume de dihydrogène consommé V(H2)conso = …...
2. Exploitation
Données : couple oxydant/réducteur : H+(aq) / H2 (g) et O2 (g) / H2O(l)
2.1. Réaliser le schéma de la chaîne énergétique
L’équation de la caractéristique de la pile s’écrit : U = E – r I0
2.2. Donner l’expression de l’énergie chimique Ech en fonction de E, I0 et Δt puis la calculer.
2.3. Exprimer l’énergie électrique Ee disponible aux bornes de la pile puis la calculer.
2.4. Quelle est l’autre transformation d’énergie qui se produit dans la pile lorsqu’elle fonctionne ? Donner son expression
Le rendement énergétique de la pile est égal au quotient de l’énergie électrique fournie par l’énergie disponible.
2.5. Montrer qu’il est égal à ρ = U
E et le calculer.
2.6. Ecrire l’équation des réactions ayant lieu à l’anode, à la cathode et en déduire l’équation de la réaction de fonctionnement de la pile.
La consommation d’un volume de dihydrogène V(H2) = 1,0 m3, dans les conditions de l’expérience, libère une énergie chimique E = 104 kJ.
2.7. Quelle est l’énergie chimique Ed qui a été mise en jeu lors du fonctionnement de la pile ? 2.8. Calculer le quotient Ed
Ech
. Commenter le résultat obtenu
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III. Les premières piles à combustible
Comment peut-on produire de l’énergie électrique ?
1. Comprendre le texte
1.1.
Expliquer ce qu’est une « combustion thermique ».
1.2.
Les exemples de combustibles proposés dans le texte sont des sources d’énergie fossile. Pourquoi utilise-t-on l’expression « énergie fossile » ?
1.3.
« La première pile à combustible a été réalisée [....] avec une puissance de 1,5 kW » : rappeler la définition de la puissance électrique.
2. Interpréter
2.1.
En considérant la durée de vie des énergies fossiles et les conséquences écologiques de leur utilisation, préciser en quoi la pile à combustible est un progrès scientifique.
2.2.
Ecrire les deux demi-équations Ox/Réd qui ont lieu dans la pile à combustible hydrogène-oxygène à partir des couples H
+/H
2et O
2/H
2O.
En déduire que l’équation de la réaction d’oxydoréduction qui se produit est : 2 H
2+
O22 H
2O
2.3.Rechercher le rôle de l’acide sulfurique dilué, ainsi que celui des électrodes de platine.
2.4.
En comparant la pile étudiée dans cette activité à la pile Daniell vue en 1
èreS, expliquer en quoi cette dernière n’est pas une pile à combustible.
3. Faire une recherche
3.1.
Donner un exemple d’« utilisation pour un usage domestique » de la pile à combustible de puissance 1,5 kW.
3.2.
Citer un ou plusieurs exemples d’utilisation actuelle de piles à combustibles.
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IV. Production de dihydrogène
Une pile à combustible doit être alimentée en continu par du combustible, la plupart du temps du
dihydrogène, et par un comburant, le plus souvent du dioxygène présent dans l’air ambiant.
Le dihydrogène n’est pas une source naturelle. On peut le produire par électrolyse en milieu acide d’une saumure (ci-contre), c’est-à-dire d’une solution aqueuse concentrée de chlorure de sodium (Na
+(aq)+ Cl
-(aq)).
On obtient du dichlore à une électrode et du dihydrogène à l’autre.
Données : couples oxydant/réducteur : H+(aq)/H2(g) et Cl2(g) /Cl-(aq) ;
Nombre d’Avogadro : NA = 6,02 1023 mol-1 ; Charge électrique élémentaire : e = 1,6 10-19 C ; Volume molaire dans les conditions de l’expérience : VM = 30,0 L.mol-1 ;
Masse volumique du dihydrogène : = 0,0899 kg.m-3
1) Indiquer le sens de circulation du courant électrique et celui des porteurs de charges.
2) Préciser, pour chaque électrode, si elle est le siège d’une réduction ou d’une oxydation.
3) Écrire les demi-équations électroniques pour chaque couple mis en jeu lors de l’électrolyse.
En déduire l’équation de la réaction modélisant la transformation.
4) Comment peut-on mettre en évidence expérimentalement la présence de dihydrogène ?
5) Donner une relation liant la quantité de matière d’électrons échangés ne et la quantité de dihydrogène formé n(H2).
6) Dans une pile, la charge électrique débitée Q (en coulomb) est le produit de l’intensité I du courant (en ampère) par la durée t de fonctionnement (en seconde) : Q = I t.
Montrer que, pour I et t donnés, le volume V de dihydrogène produit s’écrit : V = 30,0 I t 2 NA e
7) L’intensité du courant vaut I = 5,00 104 A. Calculer le volume V de dihydrogène produit en une heure de fonctionnement. On donnera le résultat en m3.
8) Une voiture fonctionnant au dihydrogène consomme, en moyenne, 1,0 kg de H2 tous les 100 km. Calculer la distance qu’elle peut parcourir avec une pile à combustible alimentée par le dihydrogène produit en une heure par le dispositif étudié.
