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⚗️ Chimie et matièreTerminale (voie techno)

🚗 La pile à combustible à dihydrogène

Une voiture dont le pot d'échappement ne crache que de l'eau ? C'est possible avec une pile à combustible : du dihydrogène d'un côté, l'air de l'autre, une fine membrane au milieu… et un courant électrique qui fait tourner le moteur. Regarde les molécules se casser, les électrons faire le tour par le moteur, et vide le réservoir pour voir combien d'eau sort !

🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.

Ce que tu vois

  • À l'anode, chaque molécule H2 se casse en deux ions H+ et deux électrons. La membrane ne laisse passer que les ions H+ : les électrons sont obligés de faire le tour par le circuit extérieur, où ils font tourner le moteur.
  • À la cathode, le dioxygène de l'air capte les ions H+ et les électrons : il se forme de l'eau. Il faut deux molécules H2 pour une molécule O2.
  • Une cellule donne moins de 1 V (1,23 V en théorie) : on empile des centaines de cellules en série pour obtenir quelques centaines de volts.
  • Plus on demande de courant, plus la tension d'une cellule baisse : la puissance augmente, mais le rendement diminue et une part croissante de l'énergie part en chaleur.
  • Avec un plein de 5,6 kg de dihydrogène, la voiture rejette une quantité d'eau étonnante : vide le réservoir pour la mesurer !

Expériences à faire

  • Voiture : règle j pour obtenir le meilleur rendement possible, puis la plus grande puissance. Pourquoi ne peut-on pas avoir les deux à la fois ?
  • Pile de TP : quelle est la tension d'une seule cellule quand aucun courant ne circule ? Et à j = 0,5 A/cm² ?
  • Calcule la masse d'eau produite par 5,6 kg de H2 avec n(H2O) = n(H2), puis vérifie en vidant le réservoir.
  • À énergie électrique égale, combien pèserait la batterie lithium-ion de la voiture ? Et combien de temps faut-il pour la recharger ?
  • ✏️ Mes valeurs : combien de cellules faut-il pour obtenir 230 V à j = 0,5 A/cm² ?

La chimie derrière l'animation

  • Demi-équations : à l'anode (pôle −), oxydation H2 → 2 H+ + 2 e− ; à la cathode (pôle +), réduction O2 + 4 H+ + 4 e− → 2 H2O. Bilan : 2 H2 + O2 → 2 H2O. Les électrons circulent de l'anode vers la cathode dans le circuit extérieur, les ions H+ traversent la membrane.
  • Couples H+/H2 (E° = 0 V) et O2/H2O (E° = 1,23 V) : tension théorique d'une cellule 1,23 V, en pratique 0,6 à 0,9 V en fonctionnement. N cellules en série : U = N × Ucell ; puissance P = U × I, avec I = j × S.
  • Consommation : la charge Q = I × Δt correspond à n(e−) = Q / F, donc n(H2) = N × I × Δt / (2 F) (F = 96 485 C/mol), et n(O2) = n(H2) / 2.
  • Rendement : η = Pélectrique / Pchimique, la puissance chimique étant le débit de H2 multiplié par son pouvoir calorifique inférieur (120 MJ/kg). Ici η = Ucell / 1,25 V : environ 50 à 65 %, le reste est de la chaleur.
  • Modèle de cellule : U(j) = 1,02 − 0,045 ln(1 + j/0,003) − 0,12 j − 0,05 (j/1,8)4, ordre de grandeur d'une cellule réelle. Batterie Li-ion : environ 0,16 kWh/kg ; réservoirs de H2 à 700 bar : environ 15 kg par kg de H2.

Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉

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