Voilà , le dernier chapitre de notre leçon sur le sujet de la conversion d'énergie chimique en électricité ou en travail électrique concerne les piles à combustible. Les piles à combustible sont des systèmes électrochimiques qui utilisent un combustible. Par exemple, le méthanol ou l'hydrogène. Et l'oxyde en CO2. Et de cette réaction, on peut tirer donc une énergie électrique qui ensuite peut être utilisée par exemple dans une voiture pour faire marcher la voiture électrique. Donc, aujourd'hui nous allons voir comment ces piles à combustible marchent. La première chose c'est que le principe change par rapport à la batterie parce qu'on a donc une réaction chimique qui intervient et qui engendre donc un courant électrique. Voilà . Le principe de la pile. Donc, je note, il y a l'anode et la cathode. Et au niveau de l'anode, il y a toujours l'oxydation. Donc, on crée des électrons en oxydant en l'occurrence de l'hydrogène. Et le produit de l'oxydation de l'hydrogène, c'est des protons. Donc, on fait à partir de l'hydrogène, deux protons et deux électrons. Les électrons sortent du système. Ils produisent donc le courant électrique. Alors, que les protons sont conduits à l'autre électrode. Donc, la cathode, où il sert à la réduction d'oxygène. Donc, pour la réduction d'oxygène en eau, donc le produit de la réduction est de l'eau, j'ai besoin de deux protons et deux électrons qui donnent donc l'eau liquide. Si je regarde, donc j'ai ces deux réactions. L'oxydation à l'anode et la réduction à la cathode. Et puis, cela donne comme réaction globale, la combustion de l'hydrogène avec oxygène en eau. Donc, c'est pour cela qu'on appelle ces piles, des piles à combustible. Donc, il y a toujours une combustion. Et à la cathode, c'est l'oxygène qui est réduit en eau. Donc, le schéma de la pile à combustible est très simple. Il n'y a pas de liquide. Il y a l'électrolyte qui est en fait un polymère. On l'appelle nafion. Qui ne conduit que les protons à travers donc la séparation entre l'anode et la cathode. Alors, voyons maintenant au niveau thermodynamique ce que cela donne. Donc d'abord, on va regarder les enthalpies, l'enthalpie, les réactions, les variables de réactions. Et puis, donc on commence par l'enthalpie standard. Donc, cela vaut- 285,8 kJ par mole. C'est donc la chaleur de combustion de l'eau qui vaut autant de kilojoules. Ensuite, je peux calculer l'entropie de la réaction à partir des entropies pour les composés individuels qui participent à la réaction. Donc, j'ai l'entropie de l'eau, l'entropie d'hydrogène et l'entropie d'oxygène qui sont connues en valeurs absolues. Donc, je peux simplement faire le calcul avec les quotients stœchiométriques. Cela me donne- 163,3 J par mole et Kelvin. Donc, la réaction s'accompagne d'une diminution d'entropie. Et cela vient du fait que la réaction consomme des molécules. Donc, il y a moins de désordre à la fin qu'au départ. Donc, nous connaissons maintenant l'entropie de la réaction. Nous connaissons l'enthalpie de la réaction. Et on peut, en utilisant l'équation de Gibbs–Helmholtz, je peux en déduire l'enthalpie libre de la réaction. Donc, dont la valeur est 237,1 kJ par mole. Et cette enthalpie libre peut être convertie en tension de la pile, comme on l'avait fait pour le cas des piles électriques. Donc, je divise les 237,1 kJ par mole par le nombre d'électrons. Donc le coefficient stœchiométrique des électrons qui est 2. Et puis, le nombre de Faraday. Et cela me donne 1,23 V. Donc, si je regarde la tension au bord donc de cette pile combustible, je mesure à circuit ouvert. Je mesure une tension de 1,23 V. L'inverse, donc je peux aussi penser à faire la réaction inverse. Donc, je veux dissocier l'eau électrolytiquement en hydrogène, oxygène. Donc là , je devrais appliquer une tension d'au moins 1,23 V pour séparer l'eau en ces deux cases hydrogène et oxygène. Donc, regardons maintenant le cas d'une réaction réversible. Cela nous donne le maximum de travail que je peux tirer donc de l'opération de la pile à combustible. Donc, le bilan qu'on a déjà fait pour les piles électriques, les batteries, il se répète. C'est le même bilan. On considère l'entropie globale de la pile qui est donc entourée par une ambiance et un échange de travail et de chaleur entre la pile et l'ambiance. Là je fais maintenant un bilan de l'entropie globale sur ce système global qui est composé de deux, donc l'environnement et la pile à combustion. Pour ce qui est de la pile à combustible, je connais le changement de son entropie lors de l'avancement de la réaction. Donc, par une mole d'avancement, je vais donc changer son entropie par le montant de l'entropie de réaction. Et puis, pour le réservoir, eh bien, c'est la chaleur réversible qui est puisée par le réservoir. Divisé par la température. Et je dois mettre un signe- parce que ce qui compte positif pour le système compte négatif pour l'environnement. Avec cela, j'ai une approche très élégante. Je peux proposer la condition de réversibilité, c'est-à -dire sous condition réversible, le changement de l'entropie globale est 0. Et j'obtiens donc une relation très simple qui me permet de calculer la chaleur qui est échangée entre la pile à combustible et son environnement. Si la transformation se fait réversiblement. Donc, il faut mettre une résistance entre les deux bornes qui est très grande. Comme cela, il y a un tout petit courant qui passe et qui maintient cette relation lors de la réaction qui se fait, électrochimique, qui se fait dans la pile à combustible. Donc, avec cela, j'obtiens donc la relation entre q rev et T delta r S. Qui me donne- 48,66 kJ par mole. C'est donc une chaleur négative. C'est-à -dire le système rend cette chaleur à l'ambiance. Je ne peux pas l'éviter, c'est le minimum de chaleur qui doit être rendue. Et puis, en sachant la chaleur réversible, je peux maintenant accéder au rendement de la pile telle qu'on l'avait déjà fait pour la pile électrique. Et donc, si je fais marcher la pile à combustible, je fais donc la combustion de l'hydrogène avec l'oxygène qui donne de l'eau. Je prends, je calcule le rendement à partir de la formule qui est donnée là . C'est donc le rapport d'énergie électrique qui est tirée de la réaction et la chaleur de combustion. Donc, j'investis l'énergie chimique pour en faire du travail électrique. Et ce rapport est donc le rendement de la pile. Et donc, en regardant les chiffres, au q rev j'obtiens 83 %. Donc, il y a 17 % qu'on perd. C'est la chaleur réversible qui est rendue à l'ambiance. Donc, quand je fais marcher la pile à combustible, on chauffe aussi l'environnement. On ne peut pas l'empêcher. Par contre, si je fais marcher l'inverse de la réaction, donc j'effectue une électrolyse où je mets de l'énergie électrique et j'obtiens l'hydrogène et l'oxygène à partir de l'électrolyse de l'eau, là , c'est différent, là cette chaleur est donnée par l'environnement et utilisée pour être transformée en énergie chimique. Donc, le rendement dans ce cas est défini comme le rapport qu'on investit lorsqu'on veut obtenir, on veut obtenir l'hydrogène qui a donc cette réaction, cette chaleur de combustion delta r H. Et j'investis un travail électrique pour dissocier l'eau. Et là , je vois que j'ai de nouveau un rendement au-dessus de 100 %. Parce que si je fais l'électrolyse de façon réversible, je vais utiliser donc la chaleur de l'ambiance pour faire de l'hydrogène, pour dissocier l'eau. Et donc, l'ambiance va se refroidir en faisant cette électrolyse. Donc, si je tire maintenant ce bilan graphiquement, j'ai donc pour le cas réversible, j'ai la situation est que l'entropie de l'environnement augmente. Donc, l'entropie du système baisse. Donc là , cette première flèche, c'est le système qui baisse. Et là , on a l'environnement. Donc, cette flèche elle vaut - q ou + q sur T. Et delta S, c'est la diminution de l'entropie par la réaction chimique du système, donc la pile à combustible. Ces deux flèches ont la même longueur. Donc, l'augmentation de l'entropie de l'environnement par le fait qu'il y a la chaleur qui passe de la pile à l'environnement, cette augmentation est compensée entièrement par la baisse de l'entropie du système lorsqu'il y a l'entropie de réaction qui est négative. Alors que pour une réaction réversible, cet équilibre n'est plus présent. Donc, on a, comme a vu déjà pour la pile électrique, on gagne dans le cas extrême où on n'a aucun travail électrique qui est fourni. On va dégager une chaleur irréversible qui correspond à la chaleur de la réaction, c'est- 285,8 kJ par mole. Donc, en résumant le cas qu'on vient de traiter. Le cas de figure de la pile à combustible. Les transformations sont très, la transformation chimique est donc, comme on dit la clé de production d'électricité. Donc, il faut déjà savoir ce qu'on oxyde. Il faut savoir les variables de réactions. Mais, le traitement thermodynamique est très similaire au cas de la pile électrique. Parce que finalement, il y a donc une réaction qui en change la production d'électricité. Et puis, ces conversions obéissent aux mêmes principes qu'on a vus pour la pile électrique. [AUDIO_VIDE]
