Spécialité Thème Eau Chapitre Eau et énergie
Les piles à combustible
I. Le principe de fonctionnement de la pile à combustible
Une pile à combustible est un générateur électrochimique d'énergie permettant de transformer directement l'énergie chimique d'un combustible (hydrogène, hydrocarbures, alcools,...) en énergie électrique sans passer par l'énergie thermique. La pile à combustible fonctionne sur le mode inverse de l'électrolyse de l'eau. Ici, on supprime la source de tension, on alimente en dihydrogène et dioxygène et on constate l'apparition d'une tension électrique entre les deux électrodes : le dispositif est devenu un générateur électrique qui fonctionnera aussi longtemps qu'il sera alimenté. Pour cela, la cellule d'une pile est constituée de deux électrodes (anode et cathode) séparées par un électrolyte, c'est-à-dire matériau qui bloque le passage des électrons mais qui laisse circuler les ions. La réaction est déclenchée à l'aide d'un catalyseur. Il s'agit en général d'une ne couche de platine disposée sur les électrodes (anode et cathode).
Le combustible, à base de dihydrogène H2, est amené sur l'anode. H2 va alors se transformer en ions H+ et libérer des électrons qui sont captés par l'anode. Les ions H+ migrent alors vers la cathode où ils se combinent au dioxygène O2 pour former de l'eau. C'est le transfert des ions H+ et des électrons vers la cathode qui va produire un courant électrique continu à partir du dihydrogène.
Cependant la tension électrique qui en résulte ne dépasse pas 0,7 V par cellule : il faut donc utiliser un grand nombre de cellules en série pour obtenir la tension requise.
Ainsi, le courant électrique produit par la pile est continu. Il est donc souvent nécessaire de placer en aval de la pile un onduleur permettant la transformation du courant continu en un courant alternatif, notamment lorsque l'installation est utilisée pour fournir du courant domestique.
Un des points critique, relatif à la construction de la pile, est de pouvoir contrôler de manière optimale l'approvisionnement et l'évacuation des composés alimentant chaque cellule (généralement de l'hydrogène et de l'air), ou devant être évacués (généralement de l'eau).
II. Résolution de problème
Pour toute résolution de problème :
Lire l'ensemble des documents, tous doivent être utilisés dans votre argumentaire.
Reformuler la problématique avec des données scientiques.
Établir en quelques lignes une stratégie de résolution en identiant les grandeurs à obtenir pour répondre à la problématique.
Présenter clairement l'ensemble des calculs.
Porter un regard critique sur la réponse obtenue.
Zéro CO2, le premier voilier au monde alimenté par l'hydro- gène en mission scientique d'étude des polluants de l'air en méditerranée. Utiliser dans le bassin Méditerranéen un voilier dont le moteur auxiliaire sera sans rejet direct de gaz carbo- nique, tel est le dé du projet "Zéro CO2". Le voilier de 12 m est équipé d'un moteur électrique alimenté par une pile à combustible, à hydrogène développée par le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives-Institut Liten.
Grenoble.
Problème
Le moteur auxiliaire est indispensable pour les man÷uvres de port, il fonctionne alors entre 1/2 heure et 1 heure lors de chaque escale. Combien d'escales l'équipage peut-il envisager en autonomie totale ?
Document 1 : Principe d'une pile à hydrogène
D'après http ://eduscol.education.fr/orbito/pedago/pileh2/pile0.html
Document 2 : Gestion énergétique à bord du voilier Stockage hydrogène
I Caractéristiques des conteneurs : 3 bouteilles de 150 L, Type III, (Carbon full Wrap / metallic liner) I Pression de service : 350 bars
I Masse d'hydrogène (H2) stockée : 10,5 kg
I Énergie totale stockée : 350 kWh utilisée pour moteur auxiliaire, équipements de navigation, laboratoire embarqué.
Document 3 : Caractéristiques de la pile Génépac D'après Sujet de bac métropole 2010
Les 170 cellules élémentaires identiques constituant la pile sont montées électriquement en série. Ainsi, la durée d'au- tonomie de la pile correspond à la durée d'autonomie d'une seule cellule. Dans certaines conditions d'utilisation, on peut considérer que le courant circulant dans les cellules élémen- taires est constant, d'intensité I = 120 A.
Document 4 : Quantité d'électricité fournie par une pile et durée de fonctionnement La quantité d'électricité fournie par la pile pendant le temps ∆t est : Q=I×∆t
avec Qla charge qui s'est déplacée dans le circuit en coulomb (C),I l'intensité du courant fourni par la pile (A), ∆t : la durée (s).
Cette quantité d'électricité correspond au déplacement d'un nombre de moles d'électrons : n(e−) = Q F avec Q la charge qui s'est déplacée dans le circuit en coulomb (C) et F le faraday, charge transportée par une mole d'électrons : 1 F = 96500 C.mol−1
