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les piles à combustible

mis à jour le 10/07/2011


Vignette pile à combustible

Cette activité documentaire, rattachée au sous-thème « Convertir l'énergie et économiser les ressources », présente le principe de la pile à combustible et les enjeux qui s'y rattachent.

mots clés : énergie, stockage, oxydoréduction, conversion, hydrogène


[document élève]
Exemples de piles à combustible

Découverte en 1839 par Sir William Grove, la pile à combustible présente la particularité d'utiliser deux gaz, l'hydrogène et l'oxygène. Les réactions d'oxydoréduction présentes dans la pile sont particulièrement simples :
à l'anode : H2  -->  2 H+ + 2 e-  et  à la cathode : 2 H+1/2 O2 + 2 e-  -->  H2O
[...]. Depuis sa découverte, la pile à combustible s'est déclinée selon différentes filières technologiques [...].

Les réelles applications de la pile à combustible ont vu le jour dans les années 60 avec le développement du programme spatial américain. En particulier, des piles à combustibles équipaient les modules Gemini et Apollo. De nos jours les navettes spatiales sont toujours alimentées par des piles à combustible.
Depuis, en particulier suite à la prise de conscience des problèmes liés au réchauffement de la planète, la pile à combustible est apparue comme une alternative crédible aux énergies fossiles. Ainsi, on a vu se développer des programmes visant à démontrer leur intérêt pour les applications stationnaires, que ce soit pour l'habitat individuel ou collectif ou pour les sites publics ou industriels (figure ...). En particulier, pour de telles applications, la pile à combustible présente de plus l'intérêt de pouvoir être utilisée en cogénération : la chaleur produite pouvant soit être utilisée pour le chauffage, soit être transformée en électricité par l'intermédiaire d'une turbine.
Les applications transports ne sont pas, bien sûr, demeurées en reste. Elles concernent principalement la traction électrique pour le transport en commun et pour le véhicule industriel. Ainsi la plupart des grands constructeurs automobiles mondiaux se sont associés au développement de piles à combustible. [...]
Enfin, tout récemment, la pile à combustible est envisagée comme alimentation des objets nomades et communicants de demain (téléphones et ordinateurs portables ...). Toutefois, pour ces applications, un effort de recherche important reste à faire afin de miniaturiser la technologie et la rendre compatible avec l'utilisation visée.

Et pourtant, malgré les multiples usages évoqués ci-dessus, la pile à combustible n'est pas réellement disponible pour l'usager. Cela s'explique par différents verrous qu'il est nécessaire de lever avant tout développement industriel [...]

Actuellement, deux modes de production massive d'hydrogène sont principalement utilisés [...] (Cf. figure 2). Le premier est source de CO2, gaz à effet de serre ; le second permet d'obtenir un hydrogène très pur, mais son rendement énergétique et son impact environnemental sont liés au choix du mode de production de l'électricité (énergies fossiles, énergies renouvelables, nucléaire, ...). Les cycles thermochimiques permettent aussi de produire massivement de l'hydrogène par décomposition de l'eau en utilisant une source de chaleur d'origine nucléaire ou solaire. Le choix de production est donc primordial si l'on souhaite privilégier des cycles complets « du puits à la roue » minimisant la production du gaz à effet de serre.
L'hydrogène étant naturellement sous forme gazeuse, il est nécessaire de le stocker et le distribuer sous une forme plus dense, sous haute pression (200-700 bar) ou liquide (stockage cryogénique à - 250 °C). D'autres alternatives innovantes de stockage font actuellement l'objet de travaux de R & D (Recherche et Développement) comme les hydrures métalliques, les microbilles de verre ou les nanostructures de carbone.

Extraits de l'article de Thierry Priem, responsable du programme « Piles à Combustible », à la Direction de la Recherche technologique, CEA Grenoble  (article paru dans  « l'Actualité Chimique » - février, mars 2009)


La filière hydrogène

Applications et marchés de la pile à combustible


QUESTIONS :

  1-      Le texte est divisé en différentes parties. Quel titre pourriez-vous donner à chacune de ces parties ?
  2-      Dans le texte, il est question « d'hydrogène «  et « d'oxygène », mais s'agit-il d'atomes ?
  3-      Pourquoi parle-t-on de pile à combustible ? (Préciser le combustible)
  4-      a) Quels sont les couples oxydant /réducteur qui interviennent dans cette pile ?
            b) Écrire l'équation de la réaction qui a lieu dans la pile à combustible.
  5-      Compléter la légende du schéma de la pile à combustible ci-dessous :

Schéma de pile à combustible à compléter

  6-      Comment peut-on obtenir du dihydrogène ?
  7-      a) Quels sont les problèmes environnementaux liés à la production de dihydrogène ?
            b) Quels sont les atouts de la pile à combustible sur le plan environnemental ?
  8-      Quelles sont la grandeur électrique et l'unité correspondante associée à une pile ?
  9-      Dans quels domaines les piles à combustibles peuvent-elles être utilisées ?
10-      À votre avis, pourquoi la pile à combustible n'est pas encore disponible pour l'usager ?
 
auteur(s) :

Anne Boisteux

information(s) pédagogique(s)

niveau : 1ère S

type pédagogique : scénario, séquence

public visé : élève

contexte d'usage : classe

référence aux programmes : .
Thème du programme : Agir
Sous-thème : Convertir l'énergie et économiser les ressources

fichier joint

information(s) technique(s) : Fichier modifiable au format .doc (document élève ci-dessus + une fiche professeur)

taille : 1350 kio ;

ressource(s) principale(s)

Vignette nouveau programme 1S programme 2011 de 1ère S 22/07/2011
un dossier complet sur le programme 2011 de première S en sciences physiques et chimiques.
réforme,1S

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