DE L'ENERGIE CHIMIQUE A L'ENERGIE ELECTRIQUE ET VICE VERSA
Les moteurs électriques des bus de Madrid sont alimentés par des piles à combustibles. Le dihydrogène nécessaire au fonctionnement de ces piles est fabriqué par voie chimique. Nous réalisons une étude expérimentale de production du dihydrogène par électrolyse.

1. Un bus propre roulant à l'hydrogène

Dans la touffeur de l'été, les Madrilènes ont vu apparaître, ou milieu des deux mille autobus municipaux rouge corrida dont ils sont coutumiers, trois véhicules mauve et blanc. (...)

Excepté la couleur, rien de l'extérieur ne distingue ces bus d'un autobus conventionnel. Tout au plus remarque-t-on la position inhabituelle - en hauteur-de la sortie du pot d'échappement, qui relâche un panache de... vapeur d'eau.

L'aménagement intérieur est, lui aussi, strictement identique à celui d'un bus classique. Il faut regarder sur le toit pour découvrir les réservoirs d'hydrogène : 7 bouteilles en carbone où sont stockés, à une pression de 350 bars, 25 kg de gaz censés assurer une autonomie de plus de 200 kilomètres. Il faut ouvrir le capot arrière pour trouver la pile à combustible de 205 kilowatts qui, en faisant réagir l'hydrogène embarqué sur le toit et l'oxygène de l'air, produit, par une électrolyse inversée, l'électricité qui alimente le moteur électrique, placé lui aussi à l'arrière.[...]

Pour ravitailler [...] ce modèle, la capitale espagnole s'est dotée, pour 2 millions d'euros, d'une station-service à hydrogène conçue par Air liquide. Une petite unité de reformage' de gaz naturel produit sur place, à raison de 50 m3/heure, de l'hydrogène stocké dans des bouteilles sous une pression élevée. Celles-ci alimentent un « dispenseur d'hydrogène » automatisé, où les bus viennent remplir leurs réservoirs en « quatorze minutes maximum », assure un employé. [...]

L'horizon est plus lointain pour les voitures particulières, pour lesquelles les constructeurs devront gagner plusieurs ordres de grandeur pour rapprocher le coût d'un moteur à pile à combustible de celui d'un moteur à essence ou diesel. [...]

Pierre Le Hir, le Monde-8 novembre 2003.
* Reformage : procédé qui consiste à rompre des liaisons chimiques pour obtenir des molécules plus légères.

Principe de la pile

Ce système est constitue de deux électrodes recouvertes de platine (catalyseur), séparées par une membrane (électrolyte). Au contact de l'anode, le dihydrogène se transforme en ions hydrogène et en électrons. Les ions migrent vers la cathode à travers la membrane, tandis que les électrons partent dans le circuit électrique extérieur, générant un courant électrique. À la cathode, le dioxygène de l'air capture des électrons et se transforme en ions OH-. Ces derniers se combinent aux ions hydrogène H+ pour former de l'eau.

J'ai des difficultés a répondre a ces questions, alors il serait gentil de votre part de bien voulair m'aider.

Analyse du document

1. Pourquoi cette nouvelle technologie de moteur est-elle considérée comme non polluante ?

2. Quelle erreur de nomenclature l'auteur a-t-il commise pour nommer les deux espèces chimiques mises en jeu dans la pile?

3. Le dihydrogène utilisé existe-t-il dans la nature ? Comment ce combustible est-il généré dans la station-service de Madrid ?

4. Justifier le sens de déplacement des électrons, à l'aide des réactions aux électrodes.

5. Écrire l'équation de la réaction chimique ayant lieu dans la pile à combustible. Pourquoi ce bus est-il qualifié de « propre »?

6. En considérant que la vitesse moyenne d'un bus en ville est de 40 km/h, quel travail électrique moyen a été fourni par la pile à combustible lorsque le bus a parcouru 200 km ?

7. En déduire le travail électrique fourni par kilogramme « d'hydrogène » embarqué. Le comparer au « pouvoir calorifique » d'une essence classique qui est d'environ 45 MJ/kg et correspond à l'énergie dégagée, sous forme de chaleur, par la réaction de combustion de l'essence.

8. Déterminer la masse moyenne « d'hydrogène » fabriqué par l'usine de reformage en une heure (on suppose que le gaz est formé à pression atmosphérique P = l,0.105 Pa et à 25°C). En déduire la durée nécessaire pour fabriquer la quantité «d'hydrogène » assurant au bus une autonomie de 200 km.
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