Word 2007

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Eau et énergie
AD3
L
Le es s p pi il le es s à à c co om mb bu us st ti ib bl le e
(Mots-clés : Piles à combustible)
Depuis la fin des années 1990, la Communauté
internationale place la question de l'énergie au
centre de ses préoccupations. L'indépendance
énergétique, l'efficacité de la production et la
recherche en énergies renouvelables sont
désormais une priorité. C'est dans ce cadre que
s'inscrit le développement des piles à
combustible et des modes de production de
dihydrogène utilisé comme source d'énergie
propre.
DOCUMENTS MIS A DISPOSITION :
D
DO OC C. . 1 1 : : HISTOIRE DES PILES A COMBUSTIBLE
Le développement de la filière hydrogène repose en grande partie
sur la technologie de la pile à combustible (PAC).
Son principe n’est pas nouveau, puisqu’il fut découvert dès 1839 par
W. GROVE. À l’époque, cet avocat anglais, chercheur amateur en
électrochimie, constate qu’en recombinant du dihydrogène et du
dioxygène, il est possible de créer simultanément de l’eau, de la
chaleur et de l’électricité. La pile à combustible est née. C’est F.T.
BACON, ingénieur américain, qui réalise, en 1953, le premier
prototype industriel de puissance notable (de l’ordre du kW). Mais
seule la NASA exploitera, dans les années 60, cette technologie pour
fournir en électricité deux de ses vaisseaux, Gemini et Apollo. Car, si
le principe de la PAC paraît simple, sa mise en œuvre est complexe
et coûteuse, ce qui interdisait jusqu’alors sa diffusion vers le grand public.
Aujourd’hui, des progrès ont été réalisés et les applications envisageables sont nombreuses.
D’après L’Hydrogène,
Livret Pédagogique n°12, CEA, 2004.
D
DO OC C. . 2 2 : : FONCTIONNEMENT D’UNE PILE PEMFC
La pile PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) est la plus
développée actuellement, car c’est une pile à basse température
et tout solide, donc à coût potentiel bas. La réaction s’opère au
sein d’une structure essentiellement composée de deux
électrodes séparées par un électrolyte solide, conducteur
protonique. Les réactions aux électrodes s’effectuent à l’interface
électrolyte-électrode en présence d’un catalyseur.
D’après T. ALLEAU, « Mémento de l’Hydrogène », fiche 5.2.2,
site AFH2, révision juin 2007.
Pile à combustibles de Général Electric,
embarquée dans une capsule Gemini.

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Eau et énergie
D
DO OC C. . 3 3 : : LES PILES A COMBUSTIBLE ET LEURS APPLICATIONS
Il y a aujourd’hui trois grands domaines dans lesquels on
promet un brillant avenir économique à la pile combustible : le
portable, le transport et le stationnaire.
Dans le domaine du portable, une micropile à combustible
recharge la batterie lithium-ion (pour assurer les demandes de
puissance) des téléphones mobiles, ordinateurs portables, etc.
L’autonomie ne sera alors limitée que par la taille du réservoir
de combustible.
Dans le domaine du transport, les études et essais portent sur
l’alimentation des voitures, bus, navires, sous-marins.
Actuellement, plusieurs milliers de chariots élévateurs sont
alimentés par des piles à combustible.
Pour les systèmes fixes, en forte progression depuis 2006, la production d’électricité peut être collective ou
individuelle (habitations, sites publics, industriels ou sites isolés).
D’après « Mémento de l’Hydrogène », fiche 5.2.1,
site AFH2, révision avril 2011.
D
DO OC C. . 4 4 : : DIFFERENTS TYPES DE PILES A COMBUSTIBLE
D
DO OC C. . 5 5 : : UN CATALYSEUR BIO-INSPIRE D’AVENIR
« Des chercheurs [...] ont combiné nanosciences et chimie bio-inspirée pour élaborer, pour la première fois, un
matériau capable de catalyser sans platine aussi bien la production de dihydrogène que son utilisation dans les
piles à combustible. Cette avancée est un nouveau pas vers le remplacement du platine, métal rare et précieux,
dans ces procédés. Ce résultat, majeur dans la perspective d’une économie de l’hydrogène plus compétitive, fait
l’objet d'une publication à paraître dans la revue Science. Les recherches menées aujourd’hui pour substituer au
platine des métaux abondants et à bas coût s’inspirent des processus chimiques à l’œuvre dans certains
organismes vivants. Ceux-ci possèdent des systèmes enzymatiques fascinants, appelés hydrogénases et utilisant
exclusivement des métaux abondants comme le fer et le nickel. »
Extrait de « Un catalyseur d’avenir »,
Communiqué de presse, CEA-CNRS, déc. 2009.

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Eau et énergie
Exercices : n°8 p47
n°8 p61
n°14 p63
n°12 p61
Vous rédigerez un texte court dans lequel :
- Vous décrirez le fonctionnement d’une pile à combustible (utilisant du dihydrogène comme combustible),
quelques uns de ses avantages et de ses inconvénients ;
- Vous présenterez quelques applications de la pile à combustible ;
Vous développerez votre argumentation en vous appuyant sur les documents et sur vos connaissances
scientifiques. Des illustrations sont les bienvenues !
LA PILE PEMFC
Q
Q1 1. . [DOC. 2] Expliquez la phrase en italique du document 2.
Q
Q2 2. . [DOC. 2] Quelle est la réaction de fonctionnement d’une pile PEMFC ? Repérez l’anode et la cathode dans le
schéma du document.
Q
Q3 3. . [DOC. 2] Pourquoi l’ion H+ joue-t-il un rôle important dans ces piles ?
Q
Q4 4. . [DOC. 2] Pourquoi la structure de la cathode doit-elle être hydrophobe ?
LA PILE AFC
Dans les piles à combustible dont l’électrolyte est constitué de potasse, (K+(aq) + HO‒(aq)), les ions hydroxyde, HO‒,
assurent le passage du courant.
Q
Q5 5. . [DOC. 2 & 4]Écrire les équations des réactions à l’anode et à la cathode de cette pile.
Q
Q6 6. . En déduire l’équation de la réaction globale de fonctionnement de cette pile. Faire un schéma récapitulatif de
cette pile en fonctionnement.
LA PILE SOFC
Dans les piles SOFC, les ions oxyde, O2‒, assurent le passage du courant et sont mis en jeu dans les réactions
électrochimiques.
Q
Q7 7. . [DOC. 4] Écrire l’équation des réactions électrochimiques d’oxydation du dihydrogène en eau et de réduction du
dioxygène en ion oxyde.
Q
Q8 8. . En déduire l’équation de la réaction globale de fonctionnement de cette pile.
LE PLATINE
Q
Q9 9. . Quel est le rôle du platine dans les piles à combustible ?
Q
Q1 10 0. . [DOC. 5] Expliquez, en quelques mots, l’intérêt et le principe du catalyseur découvert par le CEA.
Analyse
Synthèse

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Eau et énergie
T
TA AB BL LE EA AU U D DE ES S C CO OM MP PE ET TE EN NC CE ES S M MI IS SE ES S E EN N Œ ŒU UV VR RE E D DA AN NS S L L’ ’A AC CT TI IV VI IT TE E
COMPÉTENCES
Exemples de capacités et d’aptitudes
MOBILISER SES
CONNAISSANCES
Connaître les notions scientifiques du programme, le vocabulaire approprié, les symboles
adaptés, les unités.
S’APPROPRIER
Rechercher, extraire et organiser l’information utile.
Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’information.
Questionner, identifier, formuler un problème.
Reformuler.
Identifier les risques.
REALISER
Réaliser un montage à partir d’un schéma.
Suivre un protocole donné.
Utiliser, dans un contexte donné, le matériel à disposition.
Savoir choisir, combiner et réaliser plusieurs actions.
Effectuer un relevé de mesures.
Schématiser, construire un graphique, un tableau, etc.
Exploiter une relation, un calcul littéral.
Effectuer un calcul numérique, utiliser les symboles et les unités appropriés, utiliser la
calculatrice.
Reconnaître et utiliser la proportionnalité.
Respecter les règles de sécurité, manipuler avec soin, veiller au rangement du plan de travail,
etc.
ANALYSER
Émettre une hypothèse.
Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à mesurer.
Élaborer ou justifier un protocole.
Proposer une méthode, un calcul, un outil adapté ; faire des essais (choisir, adapter une
méthode, un protocole).
Proposer, décrire un modèle ; utiliser un modèle pour prévoir, décrire et expliquer.
Percevoir la différence entre un modèle et la réalité, entre la réalité et une simulation.
VALIDER
Estimer l’incertitude d’une mesure, faire un traitement statistique d’une série de mesures, etc.
Interpréter des résultats, juger de la qualité d’une mesure, etc.
Confronter le résultat au résultat attendu, mettre en relation, déduire.
Valider ou invalider une information, une hypothèse, etc.
COMMUNIQUER A
L’AIDE DE LANGAGES
OU D'OUTILS
SCIENTIFIQUES
Communiquer des résultats, rédiger une solution.
Exprimer un résultat (grandeur ─ unité ─ chiffres significatifs).
Rendre compte à l’écrit ou à l’oral en utilisant un vocabulaire adapté.
ÊTRE AUTONOME,
FAIRE PREUVE
D’INITIATIVE
S’impliquer.
Prendre des initiatives, anticiper, faire preuve de créativité.
Travailler en autonomie.
Travailler en équipe.

C
CO OR RR RE EC CT TI IO ON N
Réponses aux questions :
Q
Q1 1. .
La phrase en italique signifie que la pile PEMFC est une pile qui fonctionne sur le principe de cellules constituées
de membranes échangeuse de protons.
Q
Q2 2. .
La réaction de fonctionnement de la pile PEMFC est la suivante :
Cathode
22
4 4 2
( ) ( ) ( )
O H H O
g aq e
 ℓ
( 1)
Couple O2 (g) / H2O(ℓ)
Anode
22
( ) ()
H 2H
gaq e
( 2)
Couple H+(aq) / H2 (g)
2 2 2
22
( ) ( ) ( )
O H H O
gg ℓ
À l’anode, se produit une oxydation : l’anode constitue la borne ⊖ de cette pile.
À la cathode, se produit une réduction : la cathode constitue la borne ⊕ de cette pile.
Schéma récapitulatif de la pile PEMFC en fonctionnement :
Q
Q3 3. .
L’ion H+ joue un rôle important, car c’est lui qui assure le passage du courant électrique à l’intérieur de la pile.
Q
Q4 4. .
La structure de la cathode doit être hydrophobe puisqu’il y a production d’eau lors de la réduction cathodique et
cette eau doit être éliminée et ne doit pas entrer en contact avec l’électrolyte solide.
Q
Q5 5
et
Q
Q6 6. .
Cathode
22 4 4 ( ) 2 ( ) ( )
O H O HO
g aq
e
ℓ
( 1)
Couple O2 (g) / HO‒(aq)
Anode
222
( ) ( ) 2 ( )
H HO 2H O
gaq e
ℓ
( 2)
Couple H2O(ℓ) / H2 (g)
2 2 2
22
( ) ( ) ( )
O H H O
gg ℓ
Électrolyte solide
(membrane échangeuse
de protons)
H+
H+
C
CH HA AL LE EU UR R
Dioxygène (air)
Air appauvri en
dioxygène (+eau)
Cathode
Anode
Zone catalytique
Zone catalytique
22
4 4 2
( ) ( ) ( )
O H H O
g aq e
 ℓ
22
( ) ()
H 2H
gaq e
M
e‒
e‒
Dihydrogène
Dihydrogène