Hydrogène et avenir

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Exercices
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : L'eau

Dans cet exercice, on étudie le principe de fonctionnement d’une cellule élémentaire et la durée d’autonomie de la pile GENEPAC.

Doc 1 L’hydrogène : une solution d’avenir ?

Depuis quelques années, les chercheurs réfléchissent à un nouveau concept de véhicule hybride. Celui-ci, qui couplera des batteries LiFePO4 à une pile à combustible (PAC), existe au CEA incarné dans un cabriolet 307 Peugeot.

Ses performances sont prometteuses : vitesse de pointe de 155 km/h et autonomie de 500 km, dont un peu moins de 100 km avec la batterie et 400 km grâce aux 3 kg d’hydrogène de la PAC. Ainsi, forts de leur savoir-faire, notamment avec leur prototype GENEPAC, les chercheurs continuent d’innover.

Il y a par exemple des projets en cours qui visent les marchés de niche comme l’alimentation d’engins agricoles, de drones ou de véhicules robustes évoluant en conditions hostiles, comme dans le désert.

Plus connu est celui du voilier Zéro CO2 autour de la Méditerranée, bateau hybride qui a initié son périple en juin 2010. Il a dans un premier temps fonctionné en tout électrique, avec une technologie de batterie lithium LiFePO4, et entre actuellement en mode hybride afin que soit testée la PAC en milieu marin. Le projet Zéro CO2 doit donc permettre de tester un bateau aux énergies renouvelables et au dihydrogène pour promouvoir un littoral économe et respectueux de l’environnement.

Malheureusement, si le nouveau concept de véhicule ne doit voir le jour qu’en 2020, son développement reste conditionné à la problématique du stockage de l’hydrogène et à la réglementation associée.

Doc 2 La pile GENEPAC

Le principe de la pile à combustible est le suivant : une réaction électrochimique contrôlée, entre du dihydrogène et le dioxygène de l’air, produit simultanément de l’électricité, de l’eau et de la chaleur.

Cette réaction s’opère au sein d’une cellule élémentaire (schéma ci-dessous) composée de deux électrodes, de forme ondulée, séparées par un électrolyte.

L’électrolyte est constitué d’une membrane polymère échangeuse de protons H+ qui empêche le passage des électrons.

Cette pile est un empilement de 170 cellules élémentaires identiques.

Doc 3 Le réservoir de combustible

Le dihydrogène est stocké à bord sous forme de gaz comprimé à la pression de 700 bars ; le volume du réservoir est .

Lorsque le réservoir de dihydrogène est plein, la masse du dihydrogène disponible est de 3,0 kg.

Données.

  •  Loi des gaz parfaits dans les conditions normales de pression et de température : , où n représente la quantité de matière de gaz et V0 son volume.
  •  Constante des gaz parfaits : .
  •  Pression normale : .
  •  Température normale : .
  •  Masses molaires atomiques :  ; .
  •  Constante d’Avogadro : .
  •  Charge électrique élémentaire : .
  •  Couples d’oxydoréduction mis en jeu dans la réaction :

et .

Partie A. Principe de fonctionnement d’une cellule élémentaire

1. Écrire les équations des réactions à chaque électrode quand la pile débite.

2. Préciser pour chaque réaction s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction.

3. Montrer que l’équation de la réaction chimique mise en jeu dans le fonctionnement de la pile est :

4. Sur la figure ci-après, indiquer (en justifiant) :

– le sens de circulation et la nature des porteurs de charges circulant à l’extérieur de la pile ;

– le sens conventionnel de circulation du courant électrique ;

– la polarité de chaque électrode ;

– le sens de circulation des protons dans la membrane polymère (électrolyte).

5. D’après le document 2, « L’électrolyte est constitué d’une membrane polymère… qui empêche le passage des électrons. » Pourquoi est-il important que cette membrane ne laisse pas passer les électrons ?

Partie B. Autonomie de la pile GENEPAC

Les 170 cellules élémentaires constituant la pile sont montées électriquement en série.

Dans certaines conditions d’utilisation, on peut considérer que le courant circulant dans les cellules élémentaires est constant, d’intensité .

1. En utilisant la masse de dihydrogène disponible dans le réservoir plein, calculer la quantité de matière de dihydrogène correspondante.

En considérant que le dihydrogène est un gaz parfait, déterminer le volume de dihydrogène V0, pris dans les conditions normales de pression et de température, qu’il a fallu comprimer pour remplir le réservoir.

2. On note la quantité de matière de dihydrogène disponible pour chaque cellule élémentaire. Quelle est la relation entre et  ?

3. La quantité totale d’électricité Q fournie par la réaction de la pile est donnée par la formule ne est le nombre d’électrons échangés entre l’anode et la cathode.

L’intensité est alors définie par est la durée de fonctionnement de cette pile.

a. Démontrer la relation en vous appuyant sur les équations des réactions aux électrodes de la pile.

b. Calculer alors le temps de fonctionnement de cette pile.

c. Le comparer avec celui évoqué dans le document 1.

Partie C. Et les énergies renouvelables ?

D’après le document 1, « le projet Zéro CO2 doit permettre de tester un bateau aux énergies renouvelables et au dihydrogène pour promouvoir un littoral économe et respectueux de l’environnement ».

a. Qu’appelle-t-on une « énergie renouvelable » ?

b. Citer deux énergies renouvelables que le voilier pourrait utiliser.