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Pile à combustible au méthanol
P.272-273

SUJET BAC CORRIGÉ


1
Pile à combustible au méthanol




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Énoncé

Parmi les piles à combustible, ou PAC, la plus connue est celle à hydrogène. Mais depuis quelque temps, d’autres combustibles sont développés comme le méthanol. On s’intéresse dans ce sujet au fonctionnement d’une pile à combustible au méthanol direct.

Doc. 1
Pile au méthanol

Une pile à combustible au méthanol direct utilise du méthanol liquide en tant que réducteur et du dioxygène comme oxydant. Plusieurs éléments d’une PAC conditionnent son fonctionnement :
  • l’électrolyte (membrane en polymère) ;
  • les électrodes (en graphite ou en métal) ;
  • un catalyseur (à l’anode et à la cathode à base de platine).

Les piles obtenues sont peu puissantes, mais d’une autonomie intéressante, pouvant être utilisées pour des appareils portables (téléphones, ordinateurs, etc.) fonctionnant à des températures basses.

Pile au méthanol

Doc. 2
Disposition des éléments

Téléphone

Doc. 3
Demi-équation du méthanol

L’électrode où s’oxyde le méthanol fonctionne aussi avec de l’eau. La demi-équation à cette électrode s’écrit :

Doc. 4
Schéma d’une pile au méthanol

Schéma d’une pile au méthanol

Données

  • Formule brute du méthanol :
  • Couples d’oxydoréduction : et
  • Masse volumique du méthanol : g·cm-3
  • Masse molaire du méthanol : g·mol-1
  • Constante de Faraday : C·mol-1

Questions résolues

1.1. Écrire la demi-équation se produisant sur la deuxième électrode du doc. 4 (⇧).

1.2. En déduire le signe des pôles de la pile ainsi formée et indiquer le sens de circulation des électrons à l’extérieur de la pile en reproduisant une partie du schéma du doc. 4 (⇧).

1.3. Identifier l’anode et la cathode à la place des électrodes 1 et 2.

1.4. Écrire l’équation de la réaction chimique de fonctionnement de la pile.

1.5. Montrer que la capacité électrique de la pile, possédant une cartouche de 15,0 mL de méthanol, est d’environ C.

1.6. Le rendement de cette pile est de %, c’est-à-dire que la charge réellement utilisable correspond à . Calculer sa durée d’utilisation si elle doit débiter un courant d’intensité 12 A en permanence.

Solution rédigée

1.1. La demi-équation pour l’électrode 2 correspond au couple / :


1.2. À l’électrode 1, il y a production d’électrons qui sortent de la pile par le pôle négatif. À l’électrode 2, il y a consommation d’électrons, donc il s’agit de la borne positive. Les électrons à l’extérieur de la pile circulent du pôle négatif vers le pôle positif.

Schéma éléctrodes


1.3. À l’électrode 1, il y a une oxydation : il s’agit donc de l’anode. À l’électrode 2, la réaction est une réduction, l’électrode correspondante est donc la cathode.

1.4. En reprenant les demi-équations des deux électrodes et en s’assurant que le nombre d’électrons échangés est identique, cela donne :


1.5. La masse volumique du méthanol est égale à g·mL-1.
Ainsi, la masse de méthanol disponible est égale à :

AN : g
La quantité de matière correspondante est égale à :

AN : mol

Or, à l’anode, la demi‑équation est :


La quantité de matière d'électrons ne correspondante est égale à :

AN : mol

La charge électrique maximale débitée est alors :

AN : C

La valeur proposée est bien vérifiée.

1.6. Pour une pile, la charge électrique maximale débitée est liée à la durée d’utilisation et à l’intensité  :



AN : s
4 h 30 min
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