Partie A L hydrogène, vecteur énergétique utilisé dans l automobile. M(H) = 1,00g.mol 1. P = 1,01 10 Pa = 1,01bar

Transcription

1 L indstrie atomobile est amenée à concevoir de novelles technologies afin de prendre en compte l épisement des ressorces natrelles pétrolières. es novelles technologies ont assi por objectif de rédire l émission de dioxyde de carbone ainsi qe la polltion. Plsiers constrcters proposent à la location des véhicles éqipés d ne pile à combstible (PA). Il s agit sovent de systèmes hybrides associant ne pile à combstible à dihydrogène et ne sorce secondaire d énergie réversible (batterie o spercondensater). es différentes sorces d énergies, associées à l électroniqe de pissance, alimentent n moter électriqe. Partie A L hydrogène, vecter énergétiqe tilisé dans l atomobile Données : onstante des gaz parfaits : = 8,3J.mol.K Masse molaire atomiqe de l hydrogène : M(H) =,g.mol Pression atmosphériqe normale : 5 P =, Pa =,bar Volme molaire d n gaz à 2 et sos la pression P : Vm = 24,L.mol onstante de Faraday : F = 965.mol I Stockage d dihydrogène dans n véhicle éqipé de pile à combstible I.. Le dihydrogène est assimilé à n gaz parfait. Une masse m = 6,8 kg de dihydrogène gazex est stockée, sos la pression atmosphériqe normale P et à la températre de 2 soit environ T = 273K. I... alcler la qantité de matière (nombre de moles) de dihydrogène correspondant à m = 6,8 kg. I..2. Donner l éqation d état des gaz parfaits en précisant la signification des lettres tilisées et l nité de chaqe grander. I..3. Montrer qe le volme V occpé par 6,8 kg de dihydrogène sos la pression atmosphériqe 5 P =, Pa et à la températre de 2 est spérier à 3 8 m. I..4. En dédire qe le stockage d ne telle qantité de dihydrogène à la pression atmosphériqe normale n est pas envisageable dans n véhicle. I.2. Le stockage d dihydrogène s effecte dans des conteners composites en matéria polymère étanche a gaz et résistant ax fortes pressions. I.2.. Si le dihydrogène conten dans le véhicle est considéré comme n gaz parfait, la pression P d gaz en fonction d volme occpé V à la températre constante de 2 est représentée sr le docment à rendre avec la copie. Une masse de 6,8 kg de dihydrogène gazex est placée dans n réservoir de volme interne V= 5L, à la températre T = 273K. Déterminer graphiqement la pression P à l intérier d réservoir. I.2.2. A partir d tablea ci-dessos, indiqer si le dihydrogène pet être considéré comme parfait dans le réservoir d véhicle. Jstifiez brièvement votre réponse. Valers réelles de la pression d dihydrogène à la températre ambiante en fonction d volme : P(bar) T(K) 3 V(m ), m

2 II - La pile à combstible à dihydrogène A - Etde de la réaction chimiqe Le schéma d n élément de pile à combstible à membrane échange de protons (PEMF : proton exchange membrane fel ceps) est représenté sr le docment 2 à rendre avec la copie. Dex électrodes, l anode et la cathode sont séparées par n électrolyte. Les transformations chimiqes sont possibles grâce à la présence d n catalyser. A l anode, le combstible tilisé est le dihydrogène H 2 d cople H (aq)/ H 2 (g), selon la demi-éqation + électroniqe : H 2 (g) = 2 H (aq) + 2 e. A la cathode, le combrant mis en je est le dioxygène O 2 d cople O 2(g)/ H2O( l ), selon la demi-éqation + électroniqe : O 2(g) + 4H (aq) + 4e = 2H2O( l ). II.. Sr le docment 2, indiqer le sens de déplacement des électrons dans le récepter ainsi qe le sens d corant électriqe qi le traverse. II.2. Ecrire l éqation de la réaction d oxydorédction qi se prodit dans la pile. B - Etde d ne cellle II.3. On dispose d ne cellle élémentaire de pile à combstible de type PEMF comportant dex réservoirs permettant de stocker le dioxygène et le dihydrogène. A cors de son fonctionnement, elle consomme d dihydrogène et d dioxygène. On étdie la consommation de dihydrogène en fonction d temps. Les résltats des mesres sont donnés dans le tablea ci-dessos : V(H 2)(en ml) t(ens) Le graphe V(H 2) = f (t) et sa modélisation sont représentés sr le docment 3. II.3.. a) Donner le coefficient directer de la droite en précisant son nité. b) En dédire la consommation volmiqe moyenne de dihydrogène en + L.s. II.3.2. Le volme molaire dans les conditions de l expérience est Vm =. n(h 2) Montrer qe la consommation molaire moyenne de dihydrogène, notée t vat 24,L.mol 5 7, mol.s. II.3.3. A partir de la demi-éqation de la réaction qi se prodit à l anode, montrer qe la qantité de matière d électrons échangés notée n (e) et la qantité de matière de dihydrogène consommée notée n(h 2) vérifient : n(e) = 2n(H 2) II.3.4. Montrer qe l intensité débitée par la cellle vat I = 3,5 A. On rappelle la relation donnant la qantité d électricité débitée : Q = I t = n (e) F. où I est l intensité en ampère d corant qi parcort le circit, t la drée de fonctionnement en seconde et F la constante de Faraday en.mol. II.3.5. La tension disponible ax bornes d ne cellle élémentaire est égale à U P M fornie par cette cellle. =,8 V. alcler la pissance

3 - Utilisation de la pile por n véhicle II.4.. La pile à combstible d n véhicle en circlation est n gropement de cellles élémentaires. La pissance P T qe doit fornir cette pile est égale à 35 kw. alcler N, le nombre de cellles nécessaires. II.4.2. On spposera por cette qestion qe N = 325. On rappelle qe la consommation molaire moyenne n(h 2) de dihydrogène, notée t dihydrogène. vat 5 7, mol.s et qe le réservoir contient n = 34 mol de alcler la drée de fonctionnement en secondes, pis en heres, d n véhicle qi consomme en permanence la pissance P T. Partie B - Le spercondensater, sorce d énergie III Etde d n «sper condensater» Un spercondensater a ne capacité beacop pls élevée q n condensater électrochimiqe classiqe. On donne ci-dessos plsiers caractéristiqes physiqes d n élément nitaire d ne batterie de spercondensaters : Tension nominale : 2,7 V orant pic maximal : Masse : 6 A 6g Energie spécifiqe ( 2,7 V ; 25 ) : 5,3 Wh / kg Pissance spécifiqe maximale ( 2,7 V ; 25 ) : 2 kwh / kg A cors de cette étde, on se propose de déterminer expérimentalement la valer de la capacité d spercondensater tilisé. III.. Etde de la charge à corant constant On considère le schéma d circit ci-dessos : I Sonde différentiell Voie B Voie A III... La valer de la résistance de visalisation est = 5 mω. a) Montrer qe, la tension ax bornes de la résistance, est l image de l intensité I. b) A l aide d schéma ci-desss, dédire la natre d générater tilisé. c) Sr le chronogramme d docment 4, les voies A et B sont réglées sr les calibres mv / division et la position d zéro est décalée de la même façon por les dex voies. A partir d chronogramme d docment 4, vérifier qe I = A. d) On pet tiliser diverses résistances de 5 mω dont les pissances maximales d tilisation sont : 3W;W;25Wet5W.

4 Pls la pissance est élevée, pls le prix est important. A l aide d calcl de la pissance consommée, déterminer le meiller choix. III..2. Donner la propriété essentielle d ne sonde de mesre de tension différentielle. Jstifier son tilisation por visaliser. III..3. La relation qi lie la tension ax bornes d n condensater à l intensité qi le traverse est : d i = dt A partir d chronogramme d docment 4, la base de temps de l oscilloscope étant réglée sr la calibre s / division, déterminer la valer de la capacité. III.2. Etde de la décharge Le condensater étant complètement chargé sos la tension = 2,7V, on réalise le montage ci-dessos por le décharger à travers n condcter ohmiqe de résistance =,8 Ω : K Vers le système A l instant t = s, on ferme l interrpter K. Un système d acqisition permet d enregistrer pendant 4 heres l évoltion de la tension ax bornes d condensater en fonction d temps. La corbe obtene est représentée sr le docment 5 à rendre avec la copie. III.2.. Déterminer graphiqement la valer de la constante de temps τ d circit par ne méthode a choix à expliqer. Les traits de constrction doivent figrer sr le graphe rend avec la copie. III.2.2. Sachant qe τ=, en dédire la valer de. III.3. omparer les valers des capacités d spercondensater obtenes par les dex méthodes. onclre. IV - Stockage de l énergie 2 L énergie emmagasinée par n condensater a por expression : W = ; étant la capacité d 2 condensater et la tension à ses bornes. IV.. alcler l énergie emmagasinée par n condensater de capacité = 33 F somis à ne tension = 2,7V. Exprimer le résltat en Jole pis en W.h. IV.2. La masse d condensater étant de 6 g, calcler la valer de l énergie spécifiqe d condensater et la comparer à la valer donnée par le constrcter.

5 Docment réponse à rendre impérativement avec la copie Docment Pression d n gaz parfait en fonction d volme por ne températre constante de 2. 9 P(enbar) ,,2,3,4,5,6,7,8,9,,,2 3 V(m ) Docment 2 écepter dihydrogène Air H 2 restant + ea Air appavri en dioxygène + ea ANODE ATHODE

6 Docment V(H 2)(en ml) V(H 2) = f (t) ( d type : y =,687 t ) 2 t(ens) Docment 4 Position d zéro de

7 Docment 5 3 2,5 (en V) Variation de la tension en fonction d temps 2,5,5 t(ens)