Sujet Bac – Afrique - Juin 2003 ( 2,5 points) Calculatrice autorisée

II ) La pile à combustible :

Le principe des piles à combustible a été découvert par William Growe en 1839, mais leur utilisation réelle ne date que des années 1960, à l'occasion des programmes spatiaux de la NASA. Ces piles alimentaient en électricité les ordinateurs de bord des vaisseaux Gemini et Apollo et fournissaient l'eau de consommation. En effet, par comparaison aux piles salines et alcalines, les piles à combustible, type hydrogène-oxygène présentent deux avantages : faire appel à des réactifs ( dioxygène de l'air et dihydrogène) disponibles en grande quantité et être non polluantes car libérant de l'eau.
Le principe de fonctionnement est simple : la cellule de réaction est composée de deux électrodes 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 sur une réaction d'oxydo-réduction au niveau des électrodes.

Données : M_H = 1,0 g.mol^-1 ; M_O = 16,0 g.mol^-1 ; Constante d'Avogadro : N_A = 6,02 10²³ mol^-1 ;
Charge électrique élémentaire : e = 1,6 10^-19 C ; Faraday : 1 F = 96500 C.mol^-1

I ) Schéma de la pile à combustible :

1) Quel est la nature des porteurs de charges à l'extérieur de la pile ? [0,125 pt]

2) Légender le schéma de la pile ci-après en indiquant le sens conventionnel de circulation du courant électrique I et le sens de circulation des porteurs de charges à l'extérieur de la pile.
(en ajoutant des flèches bien orientée) (à rendre avec la copie). [0,125 pt]

Schéma de la pile à combustible

II ) Les couples d'oxydoréduction mis en jeu dans la réaction sont : H⁺_(aq) / H_{2
(g)} et O_{2 (g)} / H₂O _(l).

1) Ecrire les demi-équations électroniques pour chaque couple quand la pile débite. [0,25 pt]

2) En déduire l'équation de la réaction modélisant la transformation ayant eu lieu dans la cellule de réaction. [0,125 pt]

III ) Le réactif qui est réduit est appelé le "combustible" de la pile.

1) Parmi les espèces chimiques présentes dans les couples, laquelle constitue le combustible ? Justifier la réponse en définissant la réaction de réduction. [0,25 pt]

2) Préciser le nom de l'électrode où se produit la réduction. Cette électrode est-elle le pôle positif ou négatif de la pile ? [0,25 pt]

IV ) Dans un véhicule motorisé fonctionnant grâce à une pile à combustible, on estime à 1,5 kg la masse de dihydrogène nécessaire pour parcourir 250 km.

1) Calculer la quantité de matière de dihydrogène n(H₂) correspondant à cette masse, puis le volume de dihydrogène V(H₂) en mètre-cube (m³) si le volume molaire V_m =24 L.mol^-1 [0,25 pt]

2) Justifier le fait que les piles à combustible ne soient pas encore utilisées dans les voitures, en utilisant la réponse à la question IV ) 1). [0,125 pt]

3) Rappelons la loi des gaz parfaits : P.V = n.R.T avec :
P (pression du gaz) ; V (volume du gaz) ; n (quantité de matière du gaz) ;
R ( constante des gaz parfaits) ; T (température du gaz)
Proposer un moyen de réduire l'espace occupé par ce gaz, à température ambiante pour la quantité de matière n de gaz calculée précédemment. Justifier à l'aide de la loi précédente[0,25 pt].

V ) Dans la navette spatiale, les piles à combustible débitent un courant d'intensité I=200 A.

1) Calculer la charge électrique Q libérée en 24 heures. [0,125 pt]

2) En déduire la quantité de matière n_P des porteurs de charge, ayant circulé dans le circuit de la navette pendant 24 heures et la quantité de matière n(H₂) de dihydrogène consommée.[0,375pt]