1er THEME : L`EAU CHAPITRE 3 EAU ET ENERGIE TP 2 LA PILE A

1er THEME : L’EAU
CHAPITRE 3 EAU ET ENERGIE
TP 2 LA PILE A COMBUSTIBLE
Notions abordées :

Oxydoréduction

Piles

Electrolyse
I.
ETUDE DE LA PILE A COMBUSTIBLE
Activité 2 p 54
II.
PETROLE CONTRE DIHYDROGENE
En raison de l’épuisement des ressources en pétrole, les constructeurs automobiles doivent trouver de nouveaux modes de
propulsion, propres et non dépendants du pétrole. La solution peut-elle venir du dihydrogène
Lors de ces quarante dernières années, la répartition des
réserves mondiales de pétrole entre ce qui a déjà été
consommé, les gisements exploités et les réserves possibles
s’est inversé. Il en reste très peu de réserves connues
encore non exploitées et les industries dépendantes du
pétrole, notamment les transports doivent envisager des
solutions de remplacement
Evolution des réserves de pétrole dans le monde entre 1970
et 2008
« Au Royaume-Uni, les taxis vont devenir écolos dans les
années à venir !
Souvenez-vous : en 2008, la société Intelligent Energy
(spécialisée dans la technologie des piles à combustible), LTI
Vehicles (London Taxis International) et le bureau d'études
Lotus Engineering ont noué un partenariat pour travailler
ensemble sur un projet de taxis à l'hydrogène devant être
lancés en 2012 à Londres à l'occasion des Jeux Olympiques.
Leur premier prototype de taxi à l'hydrogène a été dévoilé
en juin 2010 à Londres. Il est baptisé « Fuel Cell Black Cab
». Le gouvernement britannique soutient financièrement ce
projet.
Nous savons pour l'instant qu'il reçoit un moteur électrique, des batteries Lithium Polymère et une pile à combustible à
hydrogène. Il ne rejettera que de l'eau quand il circulera en zones urbaines.
Il bénéficie d'une autonomie de 400 km et affiche une vitesse maximale de 130 km/h.
Le prochain objectif de Londres sera le suivant : proposer uniquement des taxis non polluants à l'usage d'ici 2020 dans la
capitale britannique. »
http://www.caradisiac.com/JO-de-Londres-2012-des-taxis-a-l-hydrogene-seront-operationnels-57513.htm; juin 2010
Questions :
1) Pourquoi l’industrie du transport doit-elle trouver des modes de propulsion alternatifs au pétrole ?
2) Quel est le rôle de la pile à combustible ?
3) Identifier les principaux éléments de la chaîne de propulsion du taxi londonien
4) Quels sont les avantages annoncés d’un tel véhicule ?
5) Quels reproches pourrait-on lui faire ?
6) La pile à combustible peut-elle être une solution d’avenir pour l’automobile ?
III.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE PILE A COMBUSTIBLE
La réaction du dihydrogène avec le dioxygène peut libérer une grande quantité d’énergie, dont les conséquences peuvent être
destructrices. Est-il possible d’exploiter cette énergie de manière contrôlée ?
1. Document
« Une pile à combustible à membrane échangeuse (PEMFC) d’ions est composée de deux électrodes minces et poreuses
(anode et cathode) séparées par une membrane de polymère solide qui ne laisse passer que les protons. L’une des faces de
chaque électrode (la face d’entrée de l’anode et la face de sortie de la cathode) est recouverte d’un catalyseur à base de
platine. Les molécules de dihydrogène entrent dans la pile et parviennent à proximité du catalyseur, où elles se dissocient en
électrons et en ions hydrogène H+. Les électrons suivent le circuit externe où ils alimentent un moteur, les protons
traversent la membrane. Arrivés de l’autre côté, ils rencontrent des électrons et des molécules de dioxygène en présence du
catalyseur ; des molécules d’eau sont ainsi synthétisées. Ce processus se produit simultanément au sein des nombreuses
cellules dont la pile est composée, afin que la tension électrique recherchée soit atteinte.
Des progrès peuvent encore être accomplis sur la pile à combustible, notamment en ce qui concerne l’électrolyte solide qui
constitue les membranes. Actuellement constituées de polymères perfluorés sulfonés, ces membranes ont une autonomie
faible et une fragilité mécanique.
Les membranes en polymères organiques sont moins chères à produire, et ont une plus grande durée de vie et un meilleur
rendement énergétique. Cette efficacité résulte d’un assemblage de blocs de polymères conducteurs, qui facilitent le
passage des protons, et de blocs de polymères rigides, qui renforcent la structure de la membrane. Les deux polymères ont
peu d’affinité chimique, de sorte qu’ils restent séparés pendant le processus de production. »
S.Ashley, « Voiture à hydrogène, la route sera longue », pour la science, n°330, avril 2005
Structure schématique de la membrane de polymère
Circulation des charges au sein d’une pile à combustible
2. Questions
1) Déduire du texte l’équation de réaction associée à la transformation chimique ayant lieu au sein de la pile à combustible.
Montrer qu’il s’agit d’une réaction d’oxydoréduction, en indiquant les couples redox en jeu
2) Sous quelle forme est libérée l’énergie issue de la réaction entre le dihydrogène et le dioxygène ?
3) En quoi cela permet-il d’appeler ce dispositif « pile » ?
4) A l’aide de vos connaissances sur les piles, justifier la présence de la membrane échangeuse d’ions
5) Pourquoi cette membrane ne laisse-t-elle passer que les protons ?
6) Quels sont les inconvénients des membranes actuelles ?
7) Les membranes en polymère organique pallient-elles ces inconvénients ?
8) Quelles différences y-a-t-il entre l’oxydation du dihydrogène dans une pile à combustible et la combustion du
dihydrogène ?