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Chimie Thème : L’eau - Eau et énergie TP n°4
Spécialité
Les piles à combustible Chap.3
Contexte du sujet
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).
Rappel de 1ère S
Une pile électrochimique est un convertisseur d’énergie chimique en énergie électrique.
Elle est constituée par 2 demi-piles (2 couples redox) reliées par un pont ionique ou une membrane permettant la circulation des ions. On mesure la force électromotrice (ou fem = E1 − E2) aux bornes de la pile à l’aide d’un voltmètre (voir ci-contre).
L’oxydant le plus fort capte les électrons ; il subit une réduction à la cathode (borne +) ;
Le réducteur le plus fort donne les électrons ; il subit une oxydation à l’anode (borne -).
La demi-équation redox de chaque couple permet d’écrire l’équation bilan de la réaction.
L’intensité I du courant électrique est égale à la charge électrique q (en coulomb) circulant dans le circuit par seconde : I = q/Δt
Le Faraday F correspond à la charge électrique d’une mole d’électrons : F = NAe ; A.N. : F = 96 485 C.mol-1 I. Production du combustible (H2(g)) et du comburant (O2(g))) de la pile
Préparation de la cellule (déjà fait par le préparateur)
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 recueillis sous chaque cloche (voir bécher) 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).
Les deux réservoirs O2 et H2 sont remplis d’eau distillée dans lesquels ont été insérées les cloches.
1. Protocole expérimental
Réaliser le circuit ci-contre en commençant par brancher le 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.
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2. Exploitation
Données : Potentiels d’oxydant/réduction : E0 (H+ / H2) = 0 V ; E0 (O2 / H2O) = 1,23 V
2.1. Sur le schéma électrique, indiquer le sens conventionnel du courant électrique et le sens de circulation des électrons.
2.2. À partir de l’écriture des deux demi-équations, indiquer l’équation de la réaction électrochimique traduisant l’obtention de dihydrogène et de dioxygène à partir d’eau.
2.3. Justifier qu’il s’agisse d’une réaction forcée et non spontanée.
2.4. 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.
2.5. Déterminer la charge électrique Q qui a traversé le circuit lors de l’électrolyse. En déduire la quantité de dihydrogène attendue, n(H2)att.
2.6. 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
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 Eél 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
