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date de publication21.01.2018
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ENSEIGNEMENT DE SPÉCIALITÉ

Thème 1 : l'eau

Titre

La pile à hydrogène une alternative intéressante énergétiquement pour les automobiles ?

Type d'activité

Activité documentaire et expérimentale

Objectifs de l’activité

Analyser scientifiquement la rentabilité énergétique de l’utilisation de la pile à hydrogène dans son utilisation pour l’automobile.

Références par rapport au programme

Cette activité illustre le Thème 1 : l'eau

Dans le sous-thème : Eau et énergie


Notions et contenus :



Compétences exigibles



Conditions de mise en œuvre

Prérequis : Changement d’état ; Réactions chimiques et aspects énergétiques associés ; énergie libérée lors d’une combustion d’un hydrocarbure ; Piles, accumulateurs ; Oxydants réducteurs, polarités d’une pile. Production de l’énergie électrique : puissance. Conversion d’énergie dans un générateur, dans un récepteur. Loi d’Ohm, effet joule. Notion de rendement de conversion.
Cette activité est coupée en deux parties :

Première partie : une activité préparatoire réalisée par l’élève à la maison (sous la forme d’un DM ?)

Deuxième partie : un TP réalisé en classe.

Remarques



La dernière partie de cette activité est basée sur des études de texte, en raison de la non disponibilité actuelle de pile à hydrogène.

Une fois tous les lycées équipés, il serait envisageable de remplacer cette partie par une partie expérimentale (type paillasse prof ?). Il faudra dans ce cas envisager d’alléger la première partie du TP, pour pouvoir le terminer.


Auteur


Les enseignants du lycée René Cassin de Tarare

Académie de LYON



Document 1 : Document préparatoire à distribuer une semaine avant et à faire préparer par les élèves :

La pile à hydrogène une alternative intéressante énergétiquement pour les automobiles ?

Pré-étude théorique
I. Les enjeux de l’activité :

A l’aide du site internet suivant (en allant dans la partie « L’énergie demain », puis dans la sous-partie : « Les voies du futur » et enfin dans le thème « L’hydrogène ») :

http://www.planete-energies.com/
Répondre aux questions suivantes :

1. Expliquer la phrase : « N'existant pratiquement pas à l'état naturel sur Terre, l'hydrogène n'est pas une source d'énergie primaire ».

2. Pourquoi dit-on, alors, que l’hydrogène est un « vecteur d’énergétique » ?

3. Quelles sont les différentes façons de fabriquer de l’hydrogène ?

4. Celle que nous allons étudier, dans cette partie est l’électrolyse de l’eau. Quels en sont les principes ? Quels sont les avantages par rapport au vaporeformage ?
elcetrolyseur.jpg

G

+

-

Eau

II. 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 que vous réaliserez en TP :

1. Sur ce montage, représenter le sens du courant électrique, ainsi que le sens de déplacement des électrons.

2. Rappeler les définitions d’une oxydation et d’une réduction.

3. L’anode est l’électrode où se produit l’oxydation. La cathode est l’électrode où se produit la réduction.

En raisonnant sur le sens de parcourt des électrons, prévoir où se produira l’oxydation. En déduire où se trouve l’anode et la cathode sur le schéma.

4. Les couples intervenants dans cette électrolyse sont les suivant :

O2 (g) / H2O (l) ; H+ (aq) / H2 (g)

Ecrire les demi-équations intervenant dans cette électrolyse.

En déduire celle qui se produit à l’anode et celle qui se produit à la cathode.

5. Montrer que l’équation bilan associée peut se mettre sous la forme :

2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

6. Cette électrolyse produira « deux fois plus de dihydrogène que de dioxygène » ou « deux fois plus de dioxygène  que de dihydrogène» ? Justifier.
III. Aspect énergétique :

D’un point de vue énergétique, on peut déterminer l’énergie à apporter, par mole d’avancement de la réaction, à l’eau pour réaliser cette réaction (forcée).
Pour réaliser cette évaluation, nous allons tout d’abord calculer la chaleur de réaction (énergie molaire de réaction) de cette transformation : l’énergie apportée au système pour réaliser une mole d’avancement de cette réaction. Si cette chaleur de réaction est positive, cela implique que le système reçoit de l’énergie de l’extérieur (c’est notre cas). On dit alors que la réaction est endothermique.

Pour cela, nous allons nous intéresser aux liaisons cassées et formées au cours de cette réaction.

1. Donner les formules développées de l’eau puis du dioxygène et enfin du dihydrogène.

2. Réécrire l’équation de la réaction en utilisant les formules développées des molécules (n’oubliez pas les coefficients stœchiométriques).

3. Justifier alors la phrase suivante : « pour 1 mol d’avancement de la réaction envisagée, il faut casser 4 mol de liaisons H-O, former 2 mol de liaisons H-H et former 1 mol de liaison O=O ».

4. Sachant que

« L'énergie de liaison A-B , notée DA-B, est l'énergie qu'il faut fournir à une mole de molécule AB prise à l'état gazeux à 25° C, pour dissocier ses atomes (casser la liaison) et obtenir une mole de A et une mole de B à l'état gazeux à 25° C. »


Et que :

Liaison

Energie de liaison

kJ.mol-1

H—H

432

O—H

462

O=O

493

Montrer que la chaleur de réaction, de la réaction suivante :

2 H2O (g) → 2 H2 (g) + O2 (g)

est :

Q = 491 kJ.mol-1
5. Cependant l’équation bilan associée à l’électrolyse est :

2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g) (l’eau est sous la forme liquide)

Et non

2 H2O (g) → 2 H2 (g) + O2 (g) (l’eau est sous la forme gazeuse)

Ainsi la chaleur de réaction associée à l’électrolyse est la somme de la chaleur de réaction obtenue à la question précédente et l’énergie nécessaire pour faire passe les 2 mol d’eau nécessaire à l’avancement d’une mole de l’état liquide à l’état gazeux.

Or, on appelle chaleur latente de changement d’état, l’énergie qu’il faut fournir à une mole d’un corps pur pour lui faire subir le changement d’état considéré.

La chaleur latente de vaporisation (à 25°C) de l’eau est Lvap = 2438 kJ/kg.

5.a. Montrer que la chaleur latente de vaporisation (à 25°C) de l’eau est

Lvap = 43,9 kJ.mol-1

5.b. Montrer alors que la chaleur de réaction de l’équation bilan associée à l’électrolyse est :

Qélect = 578,8 kJ.mol-1

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

elcetrolyseur.jpg

G

+

-

Eau

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 ?
elcetrolyseur.jpg

G

+

-

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.
Récepteur

UAB

I

A

B

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 ?
II. Détermination expérimentale de la chaleur de la réaction d’électrolyse de l’eau :
Nous allons, à présent, exploiter la mesure faite en continue.

1. Quelle est l’électrode (anode ou cathode) où il s’est formé le plus de gaz ?

2. En observant l’équation bilan associée à l’électrolyse, dire à quelle électrode est produit le H2. Quel test aurions nous pu faire pour s’en persuader ? Nous ne réaliserons pas ce test.

3. Mesurer le volume de H2 produit et, en utilisant les conditions expérimentales de la salle de TP, déterminer la quantité de matière de H2 produit.

4. En utilisant l’équation de la réaction associée à l’électrolyse, calculer l’avancement de la réaction atteint X.

5. Sachant que, pour l’électrolyseur, la puissance électrique transformée en puissance chimique est : Pc = E.I, déterminer l’énergie chimique EC convertie correspondant à cette avancement.

On rappelle que la puissance d’un transfert d’énergie E au cours d’une durée ∆t est définie pas :



6. En déduire alors une valeur expérimentale de la chaleur de réaction de l’équation bilan associée à l’électrolyse :



7. Comparer cette valeur avec la valeur théorique obtenue dans la pré-étude théorique.
III. Rendement de la pile à hydrogène. Bilan global :
Texte 1, extrait du site wikipedia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_à_combustible_alcaline

« Les piles à combustible alcalines (ou AFC selon l'acronyme de l'appellation anglaise alkaline fuel cell) sont une des techniques de piles à combustible les plus développées. C'est aussi une technique qui fut employée lors des expéditions lunaires. Les agences spatiales ont utilisé les AFC dès le milieu des années 1960, lors des programmes GeminiApolloSoyouz 7K-L3 et pour les navettes spatiales Shuttle et Bourane. Les AFC consomment de l'hydrogène et de l'oxygène pur en produisant de l'eau potable, de la chaleur et de l'électricité. Elles sont parmi les piles à combustible les plus efficaces, pouvant potentiellement atteindre 70 % de rendement. »
Texte 2, extrait du site de site Jean-Marc JANCOVICI, Ingénieur Conseil http://www.manicore.com/

« (…) Par ailleurs une pile à combustible produit de l'électricité, donc une voiture à pile à combustible est un cas particulier de voiture électrique, avec un avantage qui est que le moteur électrique a un rendement bien supérieur à celui d'un moteur thermique. Avec 1 kWh de carburant on finira par avoir 0,3 à 0,4 kWh d'énergie mécanique à la sortie du moteur (le reste est de la chaleur perdue) alors qu'avec 1 kWh d'électricité c'est plutôt 0,8 à 0,9 kWh d'énergie mécanique que l'on obtiendra à la sortie du moteur. (…) »
D’après les textes présentés :

1. Quel est le rendement d’un moteur thermique utilisé actuellement ?

2. Quel est le rendement d’un moteur électrique ?

3. Quel rendement peut attendre une pile à hydrogène ? Que devient le reste de l’énergie ?

Electrolyseur

Pile à hydrogène

Moteur électrique

Energie

Électrique

Energie

Chimique

Energie

Mécanique

Energie

Électrique

4. En imaginant que le rendement de production d’hydrogène soit égal au rendement de l’électrolyseur calculé dans la première partie du TP, calculer le rendement global de l’utilisation d’une pile à hydrogène dans l’industrie automobile. Ce rendement prendra en compte toute la chaine de conversion de l’énergie, dans le cas de l’utilisation d’une pile à hydrogène dans l’industrie automobile :


5. Comparer ce rendement global avec le rendement d’un moteur thermique.

Attention : pour que la comparaison complète soit possible, il faudrait connaître le rendement global du moteur thermique (en prenant en compte l’énergie perdu lors de l’extraction, du raffinage, du transport…).
6. Justifier alors cette affirmation : « pour que la pile à hydrogène soit une alternative intéressante, énergétiquement, pour les automobiles il faudrait disposer d’une source d’énergie électrique non polluante. Sans quoi la pollution engendrée serait, tout simplement, déplacée de l’automobile au lieu de production de l’électricité ».

La pile à hydrogène une alternative intéressante énergétiquement pour les automobiles ?

Matériel

elcetrolyseur.jpg

G

+

-

Cuve électrolyse

Générateur de tension variable

2 multimètres

Fils de connexion

2 petites éprouvettes graduées (pour récupérer les gaz)

Support pour tenir les éprouvettes graduées

Paillasse prof :

Solution d’acide sulfurique concentrée

Boite d’allumettes

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