Seance 09 Principe d une pile a combustible

Séance 09 ( Principe d'une pile à combustible )
28 août 14
Spécialité Séance n° 09 : Eau et énergie
Principe d'une pile à combustible
Les piles à combustibles sont de plus en plus utilisées pour
à combustible
alimenter en électricité les équipements dans le domaine du Doc. 1 : pileCircuit
extérieur
portable (téléphones, ordinateurs), dans le domaine du
transport (voitures, bateaux, etc. et dans le domaine du
estationnaire (habitations, sites isolés, etc.).
Dans les habitations de demain, des panneaux
H+ →
photovoltaïques transformeront l’énergie solaire en énergie
H2 ←
électrique, utilisée directement pour alimenter les appareils
appauvri
H+ →
électroménagers. Le surplus d’énergie électrique servira à
faire fonctionner un électrolyseur permettant de transformer
H+ →
de l’eau en dihydrogène et en dioxygène, qui seront stockés
dans deux réservoirs. En l’absence de soleil, le dihydrogène
H2 →
H+ →
et le dioxygène seront acheminés vers une pile à
Electrolyte
combustible (doc.1) qui les transformera en eau en libérant
de l’énergie électrique, utilisée dans l’habitation.
Comment peut-on construire une pile à combustible au
laboratoire et quel est son fonctionnement ?
→ O2 appauvri
+ eau
← O2
I. Production des combustibles par électrolyse :
a. Dans un bécher de 150 mL, placer deux lavettes en
inox séparées par trois feuilles de papier filtre repliées
sur elle-même. Les deux lavettes ne doivent pas être en
contact et le papier filtre doit toucher le fond du bécher.
b. Ajouter de l’eau distillée sur environ 2 cm de haut.
c. Verser une spatule de sulfate de sodium sur chaque
lavette, puis ajouter de l’eau distillée jusqu’en haut du
bécher de façon à bien dissoudre le solide.
d. Ajouter quelques gouttes de BBT au niveau de chaque
lavette.
e. Faire vérifier le montage (doc.2.) par le professeur
avant de continuer.
f. Lancer le chronomètre dès que le circuit est fermé,
pendant 15 minutes environ.
(1) Notez la tension appliquée (ou sa moyenne) U moy
ainsi que l'intensité circulant dans l'électrolyseur (ou
sa moyenne) I moy .
Doc. 2 : Electrolyseur
Générateur
(7,0 V)
G
Electrode 1
(lavette inox)
Electrode 2
(lavette inox)
Solution de
sulfate de sodium
(électrolyte)
Paroi poreuse
(2) Notez vos observations avant et pendant le
laissant passer
fonctionnement de cet électrolyseur.
les ions
(3) Indiquer le sens du courant électrique I sur le doc.2
(papier filtre)
ainsi que le sens de déplacement des électrons.
(4) En déduire l’électrode qui correspond à l’anode et
celle correspondant à la cathode.
(5) En vous aidant de la couleur prise par le BBT au niveau de chaque lavette, écrire les demi-équations
électroniques se produisant sur chaque électrode sachant que les couples oxydoréducteurs de l’eau sont
H 2 O (l) / H 2( g ) et O 2( g )/ H 2 O ( l) .
(6) Écrire l’équation de la réaction qui modélise le fonctionnement de cet électrolyseur.
(7) Sur quelle électrode a-t-on formé le dihydrogène dans l’électrolyse précédente ? Le dioxygène ?
(8) Sont-ils encore présents au niveau de ces électrodes ? Si oui, comment ?
(9) Stopper le fonctionnement de l’électrolyseur en retirant le générateur du dispositif et relever la durée de
fonctionnement :Δt = …………………………..
(10)Calculer l'énergie consommée E=U moy . I moy . Δt
Séance 09 ( Principe d'une pile à combustible )
28 août 14
2. Fonctionnement d'une pile à combustible :
Doc. 3 : Définition d'une pile
Une pile est un générateur électrochimique constitué de deux compartiments séparés par un pont ionique assurant le
transferts du courant électrique grâce à des ions. Chaque compartiment est constitué d'une électrode conductrice et
d'une solution aqueuse ionique. A chaque électrode peut se produire soit une oxydation soit une réduction avec des
couples différents pour les deux électrodes.
Doc. 4 : Tension à vide ou f.e.m. de la pile
La tension aux bornes d'une pile qui ne débite aucun courant est appelé force électromotrice (f.e.m.). On mesure cette
tension en reliant un voltmètre aux bornes de la pile :
(1) - la borne négative reliée à la borne "COM" du voltmètre (couleur noire).
(2) - la borne positive reliée à la borne "V" du voltmètre (couleur rouge).
Par définition, la f.e.m. est positive.
Doc. 5 : Tension de seuil d'une D.E.L. (Diode Electro Luminescente)
Une D.E.L. ne laisse passer le courant qu'à partir d'une tension de seuil U 0=1,7 V . Elle
devient lumineuse à partir d'une tension comprise entre U 0 et U 0 +0,3 V et le reste au delà.
+
a. Montrer à partir du Doc. 3, que le montage précédent une fois séparé
du générateur correspond à la définition d'une pile.
b. Quelle est la valeur de la f.e.m. de la pile (utiliser l'entrée en tension
d'un joule-mètre en respectant les polarités - borne positive sur le
rouge) ?
c. Cette pile, peut-elle faire fonctionner une D.E.L ?
d. Relier la bornes négative de la pile en série avec une D.E.L. et
l'entrée en intensité du joule-mètre.
e. Relier le joule mètre à la borne positive de la pile et déclencher le
compteur du joule-mètre en même temps.
f. Relever l'énergie restituée E rest à travers la D.E.L.
g. Faire un schéma de la pile : y faire apparaître la polarité des
électrodes, la localisation du dihydrogène H 2 et du dioxygène O2 ,
la circulation du courant et le sens de déplacement des électrons dans
les électrodes et le circuit extérieur.
h. Ecrire les équations aux électrodes et le bilan du fonctionnement chimique de la pile. Relier la dernière équation
à celle de l'électrolyseur.
i. Quel est le rendement de ce type de montage ?

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