Word 2007

AD3
Les piles à combustible
(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 :
DOC. 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
Pile à combustibles de Général Electric,
embarquée dans une capsule Gemini.
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.
DOC. 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.
1
Eau et énergie
DOC. 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.
DOC. 4 : DIFFERENTS TYPES DE PILES A COMBUSTIBLE
DOC. 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
Analyse
LA PILE PEMFC
Q1. [DOC. 2] Expliquez la phrase en italique du document 2.
Q2. [DOC. 2] Quelle est la réaction de fonctionnement d’une pile PEMFC ? Repérez l’anode et la cathode dans le
schéma du document.
Q3. [DOC. 2] Pourquoi l’ion H+ joue-t-il un rôle important dans ces piles ?
Q4. [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.
Q5. [DOC. 2 & 4]Écrire les équations des réactions à l’anode et à la cathode de cette pile.
Q6. 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.
Q7. [DOC. 4] Écrire l’équation des réactions électrochimiques d’oxydation du dihydrogène en eau et de réduction du
dioxygène en ion oxyde.
Q8. En déduire l’équation de la réaction globale de fonctionnement de cette pile.
LE PLATINE
Q9. Quel est le rôle du platine dans les piles à combustible ?
Q10. [DOC. 5] Expliquez, en quelques mots, l’intérêt et le principe du catalyseur découvert par le CEA.
Synthèse
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 !
Exercices : n°8 p47
n°8 p61
n°14 p63
n°12 p61
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Eau et énergie
TABLEAU DES COMPETENCES MISES EN ŒUVRE DANS L’ACTIVITE
Exemples de capacités et d’aptitudes
COMPÉTENCES
MOBILISER SES
CONNAISSANCES
Connaître les notions scientifiques du programme, le vocabulaire approprié, les symboles
adaptés, les unités.
Rechercher, extraire et organiser l’information utile.
Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’information.
S’APPROPRIER
Questionner, identifier, formuler un problème.
Reformuler.
Identifier les risques.
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.
REALISER
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.
Émettre une hypothèse.
Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à mesurer.
Élaborer ou justifier un protocole.
ANALYSER
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.
Estimer l’incertitude d’une mesure, faire un traitement statistique d’une série de mesures, etc.
VALIDER
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
Communiquer des résultats, rédiger une solution.
SCIENTIFIQUES
Rendre compte à l’écrit ou à l’oral en utilisant un vocabulaire adapté.
Exprimer un résultat (grandeur ─ unité ─ chiffres significatifs).
S’impliquer.
ÊTRE AUTONOME,
Prendre des initiatives, anticiper, faire preuve de créativité.
FAIRE PREUVE
D’INITIATIVE
Travailler en autonomie.
Travailler en équipe.
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Eau et énergie
CORRECTION
Réponses aux questions :
Q1. 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.
Q2. La réaction de fonctionnement de la pile PEMFC est la suivante :
Cathode
O2 (g)  4H(aq)  4e
H2 (g )
Anode
2H2O(ℓ)
( 1)
Couple O2 (g) / H2O(ℓ)
2H(aq)  2e
( 2)
Couple H+(aq) / H2 (g)
O2 (g )  2H2 (g )  2H2O(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 :
e‒
Dihydrogène
M
e‒
Dioxygène (air)
H+
H2 (g )  2H(aq)  2e
Électrolyte solide
(membrane échangeuse
de protons)
O2 (g)  4H(aq)  4e
Zone catalytique
2H2O(ℓ)
Zone catalytique
H+
Air appauvri en
dioxygène (+eau)
Dihydrogène
Anode
Cathode
CHALEUR
Q3. L’ion H+ joue un rôle important, car c’est lui qui assure le passage du courant électrique à l’intérieur de la pile.
Q4. 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.
Q5 et Q6.
Cathode
Anode
O2 (g)  2H2O(ℓ)  4e
H2 (g )  2HO(aq)
4HO(aq)
( 1)
Couple O2 (g) / HO‒(aq)
2H2O(ℓ)  2e 
( 2)
Couple H2O(ℓ) / H2 (g)
O2 (g )  2H2 (g )  2H2O(ℓ)
Schéma récapitulatif de la pile AFC en fonctionnement :
e‒
M
Dihydrogène
e‒
Dioxygène (air)
HO‒
Électrolyte
H2 (g )  2HO(aq)  2H2O(ℓ)  2e 
(solution aqueuse
d’hydroxyde de potassium)
O2 (g)  2H2O(ℓ)  4e  4HO(aq)
Zone catalytique
Zone catalytique
HO‒
Dihydrogène
(+ eau)
Anode
Air appauvri en
dioxygène
Cathode
CHALEUR
Q7 et Q8.
Cathode
O2 (g)  4e
2O(2aq )
( 1)
Couple O2 (g) / O2‒(aq)
Anode
H2 (g )  O(2aq )
H2O(ℓ)  2e
( 2)
Couple H2O(ℓ) / H2 (g)
O2 (g )  2H2 (g )  2H2O(ℓ)
Q9. Le platine est un catalyseur d'oxydoréduction : il favorise la réaction d’oxydation du dihydrogène.
Q10. La découverte du CEA permet de remplacer l’utilisation du platine (métal rare et coûteux) par un matériau qui
s’inspire (« bio-inspirés ») des processus enzymatiques présents dans certains organismes vivants. Il est à base de
métaux abondants et peu coûteux tels que le fer et le nickel et favorise (catalyse) l’oxydation du dihydrogène en ions
hydrogène.
Commentaire argumenté
Les grands enjeux de notre siècle que sont la nécessité de réduire les émissions de gaz à effets de serre (notamment
le CO2) et la lutte contre le réchauffement climatique ont favorisé la recherche de moyens de production d'énergie
moins polluants. Par ailleurs, nos réserves d’énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) s’amenuisent. Il faut
donc s’orienter vers des moyens alternatifs de production d’énergie. L’une des nombreuses solutions à l’étude, pour
répondre aux défis énergétiques des décennies à venir, est le développement de la pile à combustible.
[Présenter la photographie du DOC. 2] Une pile à combustible est un générateur électrochimique dans lequel du
dihydrogène est oxydé à l’anode et du dioxygène est réduit à la cathode, l’eau constituant le produit de la réaction.
Anode
e‒
Cathode
O2
H2
Reste
de H2
H2O
Électrolyte
[Présenter le DOC. 4] Il existe différents types de piles à combustible, qui diffèrent par la nature de l’électrolyte et des
ions assurant le passage du courant dans la pile, ainsi que par la température de fonctionnement.
[Présenter le schéma du DOC. 3] Leurs utilisations sont multiples :
-
Alimentation énergétique des engins spatiaux [Présenter la photographie du DOC. 1] ;
Moyen de propulsion dans les transports (alimentation en électricité des bateaux, des voitures, des scooters,
des bus, des engins de manutention, etc.) [Présenter la photographie de l’introduction] ;
Alimentation en électricité des instruments portables (téléphones, ordinateurs, instruments portables, etc.) ;
…
Les piles à combustible présentent de nombreux avantages comme une pollution quasiment nulle pendant son
utilisation, un fonctionnement silencieux, un rendement supérieur aux autres moyens de production d’électricité…
Mais le dihydrogène n’est pas disponible à « l’état naturel » : il est nécessaire de le produire, de le transporter et de
le stocker, ce qui n’est pas sans poser quelques problèmes techniques.
Le 9 janvier 2012 a été inaugurée la plateforme Myrte (Mission
hydrogène renouvelable pour ['intégration au réseau électrique)
en Corse, près d'Ajaccio. L'ambition de cette plateforme est de
proposer une solution de stockage d'électricité sous forme de
dihydrogène et de dioxygène produits par électrolyse de l'eau.
Cette énergie électrique sera ensuite restituée via une pile à
combustible.
La production et le stockage de dihydrogène, couplés à une
production d'électricité à partir d'énergie solaire (utilisation de
panneaux photovoltaïques), ont pour objectif :
- de mieux gérer les pics de consommation électrique dans
l'île, en restituant, lors des périodes de forte consommation,
l'énergie stockée ;
- d'atténuer les variations de production par les panneaux
dues aux variations d'ensoleillement ;
- de limiter les surtensions liées à une forte production lors des
périodes de faible consommation.
Cette technologie prometteuse en est encore à ses balbutiements, des obstacles restent encore à franchir pour
qu’elle rivalise avec l’utilisation des énergies fossiles ou pour qu’elle puisse faire face aux groupes pétroliers qui,
pour préserver leurs intérêts, s’opposent à l’arrivé sur le marché des nouvelles technologies de motorisation
(domaine prédestiné pour l’utilisation de la PAC). De plus, le coût de fabrication d’une PAC reste encore trop élevé et
sa durée de vie trop faible pour qu’elle se démocratise. (Mais ça viendra !)
Caractéristiques techniques d’un véhicule fonctionnant
avec une pile à combustible PEMFC
Pour aller plus loin :
-
GUIDEnR HQE, l'information Haute Qualité Environnementale (La pile à combustible) ;
La pile à combustible (Wikipedia.org);
La pile à combustible alcaline (Wikipedia.org) ;
La pile à combustible à oxyde solide (Wikipedia.org) ;
Avantages de la pile à combustible ou Avantages des piles à combustible ou Pile à combustible
(Ékopédia.org).
Source de l’activité
Activité n°3 p52 (HACHETTE TS Ens. Spécialité, Collection Dulaurans Durupthy)