La pile à combustible : concours EMCTA 2010. Ecole Militaire des corps techniques et administratifs

Le principe des piles à combustible a été découvert par l'électrochimiste Willian Grow en 1839, mais leur utilistion réelle ne date que des années 1960, à I'occasion des prograntmes spatiaux de la NASA. Ces piles alimentaient en électricité les ordirnteurs de bord des vaisseaux Gemini el Appolo et fournissaient l'eau de consommation. En effet, par compraison avec piles salines et alcalines, les piles à combustible, type hydrogène oxygène, présentent des avantages : faire appel à des réactifs (dioxygène de l'air et dihydrogène) disponibles en grande quantié et ête non polluantes eu libérant de l'ean. Le principe de fonctionnement est simple : la cellule de réaction est composée de deux éleclrodes séparées par un électrolyte (exemple : l'acide phosphorique H3PO4 ). Elle est alimentée en dihydrogène et en dioxygène en continu. Le fonctionnement de la pile repose sar une réaction d'oxydoréduction au niveau des électrodes. Les couples d'oxydoréduction mis en jeu sont H+aq / H2(g) et O2(g) / H2O(l). Refaire le schéma de la pile en y indiquant : le sens de circulation et la nature des porteurs de charges à l'extérieur de la pile. le sens conventionnel de circulation du courant électrique. Ecrire les demi-équations se produisant à chaque électrode lorsque la pile débite. Oxydation H2(g) = 2H+aq +2e-. réduction ½O2(g) + 2H+aq +2e- =  H2O(l). En déduire l'équation chimique modélisant la transformation dans la cellule de réaction. H2(g) + ½O2(g) =H2O(l). Sachant que le réactif qui est oxydé est appelé le " combustible ", parmi les espèces chimiques présentes dans les couples, laquelle constitue le " combustible " ? H2(g) est le combustible. . Dans la navette spatiale, les piles à combustible utilisées débitent un courant d'intensité I = 200 A.  Donner l'expression de la charge électrique Q libérée pendant une durée t. Q = I t avec I (A), t(s) et Q(C). En déduire la quantité de matière np, calculée en moles des porteurs de charges ayant circulé dans le circuit pendant 24 heures. Q = np F  = I t ; np = I t / F avec F = 96500 C mol-1. Calculer alors la quantité de matière n(H2) et le volume v(H2) de dihydrogène consommé en 24 heures. (On prendra un volume molaire Vm = 24 L.mol-1). Aide : 48*36/965 = 1,79 np =200*24*3600/96500 = 100*2*24*36/965 = 100*1,79 = 179 moles. H2(g) = 2H+aq +2e- : n(H2) = ½np =179/2 =89,5 moles. v(H2) = n(H2) Vm =89,5*24 =2148 L ~2,1 m3. .

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