Document 2 : La séance de TP
La pile à hydrogène une alternative intéressante énergétiquement pour les automobiles ?
Etude expérimentale du rendement globale de la pile à hydrogène
I. Rendement de l’électrolyse de l’eau :
Dans une électrolyse, on force une réaction chimique (non spontanée) en
faisant parcourir, à travers le système, un courant électrique.
Voici le montage à réaliser :
1. On souhaite mesurer le courant traversant la cuve à électrolyse et la tension
à ses bornes, sur le schéma du montage ci-contre, représenter le voltmètre et
l’ampèremètre nécessaire à cette opération.
2. Réaliser le montage, sans allumer le générateur.
Faites vérifier votre montage par votre professeur
Allumer le générateur, amener la tension à la valeur de U = 3,0 V. Quel est la
valeur de l’intensité ?
Demander au professeur d’ajouter quelques millilitres de solution d’acide
sulfurique. Bien mélanger. Que se passe-t-il ? A quoi servent les ions apportés
en solutions ?
3. A partir de cette tension U= 3,0 V, abaisser celle-ci de 0,20 V en 0,20 V jusqu’à la valeur 0 V et noter la valeur
prise par l’intensité I du courant électrique pour chaque valeur de U.
Avant de passer à l’exploitation des mesures réalisées, faire le montage suivant :
Vider votre électrolyseur ; le remplir de nouveau ; introduire dans le montage deux
éprouvettes graduées retournées (et pleines d’eau) permettant de récupérer les gaz
formés (sur le schéma, le voltmètre, l’ampèremètre et les supports ne sont pas
représentés).
Demander au professeur d’ajouter, de nouveau, quelques millilitres de solution
d’acide sulfurique. Bien mélanger.
Déclencher un chronomètre ou relever précisément l’heure lorsque vous remettez
en route l’alimentation (U= 3,0 V). Mesurer l’intensité moyenne qui parcourt
l’électrolyseur. Lorsqu’une des éprouvettes est pleine, arrêtez le chronomètre ainsi
que le générateur. En attendant, passez à l’exploitation des mesures réalisées
précédemment.
4. Tracer la courbe U = f ( I ). Il existe une valeur de la tension en dessous de
laquelle l’électrolyse n’a pas lieu. Quelle est cette valeur ?
5. Sur votre graphique, montrer que l’on peut modéliser la partie de la courbe
obtenue, correspondant dans le cas où l’électrolyse a lieu, par une relation du type :
U = E + r.I
Les deux constantes de cette relation sont : la force contre-électromotrice (E, en V) et la résistance interne de
l’électrolyseur (r, en
).
6. Déterminer, graphiquement, les valeurs des deux constantes (E et r) de cette relation.
Puissances électrique, thermique et chimique
Un récepteur placé entre les bornes A et B, traversé par un courant électrique I et
ayant une tension UAB entre ses bornes, reçoit une puissance électrique :
Pe = UAB.I
Ici la caractéristique peut être modélisée par la relation : UAB = E + r.I.
Pour l’électrolyseur, la puissance électrique transformée en puissance chimique est : Pc = E.I (le reste de l’énergie
absorbée est transformée en chaleur, par effet Joule, dont la puissance est Pth = r.I2 ).
7. Calculer le rendement de l’électrolyseur, lorsque l’électrolyseur fonctionne sous une tension U = 3,0 V. Le
rendement peut se mettre sous la forme :
=
8. Calculer le rendement de l’électrolyseur, lorsque l’électrolyseur fonctionne sous une tension U = 1,5 V.
9. Quel est l’avantage de travailler réaliser l’électrolyse sous la tension U = 3,0 V ? Sous la tension U = 1,5 V ?