Aurélie 09/03

la pile à combustible Centre étranger I - 03

avec calculatrice

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La pile à combustible a été découverte par W Growe en 1839 mais leur utilisation réelle date des années 1960 par la NASA. Ces piles alimentaient en électricité les ordinateurs de bord des vaiseaux Gemini et Apollo et fournissaient l'eau de consommation. Ces piles présentent deux avantages par rapport aux piles alcalines, utilisant des réactifs abondants ( dioxygène de l'air et dihydrogène) et être non polluantes car libérant de l'eau.
Le principe de fonctionnement est simple et repose sur des réactions d'oxydo-réduction aux électrodes.

données : O=16 ; H=1 g/mol ; constante d'Avogadro : 6,02 1023 mol-1 ; e = 1,6 10-19 C ; 1 F = 96500 C.

I- Schéma de la pile :

  1. Quel est la nature des porteurs de charges à l'extérieur de la pile ?
  2. Indiquer le sens conventionnel du courant électrique et le sens de circulation des porteurs de charges à l'extérieur de la pile.

II- couples redox : les couples mis en jeu sont H+ / H2(g) et O2(g) / H2O(l).

  1. Ecrire les demi-équations électroniques pour chaque couple quand la pile débite.
  2. En déduire l'équation de la réaction.

III- le combustible : c'est le réactif qui est oxydé.

  1. Quel espèce constitue le combustible ? Justifier en définissant la réaction de réduction.
  2. Préciser le nom de l'électrode où s'effectue la réduction. Cette électrode est-elle le pôle positif ou négatif de la pile ?

IV- le véhicule : dans un véhicule motorisé utilisant une pile à combustible, on estime à 250 kg la masse de dihydrogène nécessaire pour parcourir 250 km.

  1. Calculer la quantité de matière de dihyfrogène n(H2) correspondant à cette masse, puis le volume de dihydrogène V(H2) en m3 si Vm=24 L/mol.
  2. Justifier le fait que ces piles ne soient pas encore utilisées dans les voitures.
  3. Proposer un moyen de réduire l'espace occupé par ce gaz, à température ambiante. Justifier à l'aide de la loi des gaz parfait PV=nRT.

V- la navette : dans la navette spatiale, les piles débitent un courant d'intensité I=200 A.

  1. Calculer la charge électrique libérée en 24 heures.
  2. En déduire la quantité de matière nP des porteurs de charge, ayant circulé dans le circuit de la navette pendant 24 heures et la quantité de matière n(H2) de dihydrogène consommée.
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corrigé
les électrons circulent dans le circuit extérieur

 

H2 = 2H+ + 2e- ; oxydation à l'anode ( par définition l'anode est l'électrode où se produit l'oxydation)

des électrons sont libérés lors de l'oxydation du dihydrogène : l'anode est la borne négative de la pile.

½O2 +2H+ + 2e- = H2O ; réduction à la cathode positive

bilan : H2 + ½O2 = H2O

Le combustible est le dihydrogène .

dans une réduction, l'oxydant qui se réduit, gagne des électrons.

1,5 kg = 1500 g ; MH2 = 2 g/mol

Qté de matière de dihydrogène : 1500 / 2 = 750 mol.

volume de ce gaz ( sous un bar et à 20°C) : 750 *volume molaire des gaz = 750 * 24 = 18000 L = 18 m3.

ce volume est trop important pour être embarqué dans le véhicule dans les conditions P= 1bar et t=20)C.

On peut réduire le volume en stockant le gaz dans un récipient sous pression : PV=nRT s'écrit V= nRT/P

à n et T constants le volume et la pression sont deux grandeurs inversement proportionnelles.

Q(coulomb) = I(ampère) * temps (seconde) = 96500 * Qté de matière d'électrons (mol)

La charge d'une mol d'électrons étant égale à 96500 C

ne- = It / 96500 = 200 *24*3600/96500 = 179 mol d'électrons

or H2 = 2H+ + 2e- d'où nH2= ½ ne- = 179*0,5 = 89,5 mol de dihydrogène.

à suivre
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