Extrait BAC STI2DPolynésie session 2022Physique-chimie et mathématiques
EXERCICE 4-A : Pile à combustible au méthanol
Une pile à combustible au méthanol est embarquée dans un camping-car. Elle a pour but d’en assurer l’autonomie en rechargeant une batterie auxiliaire. L’étude consiste à répondre à la question suivante : Combien de fois peut-on recharger cette batterie auxiliaire avec 1 litre de méthanol alimentant la pile à combustible ?
Document n°1 : Présentation de la pile à combustible au méthanol
Document n°2 : Demi-équations aux électrodes de la pile à combustible
Document n°3 : Données utiles - Masse volumique du méthanol : ρ = 792 g·L-1 - Formule chimique du méthanol : CH3OH - Masses molaires : MH = 1,0 g·mol-1 MC = 12,0 g·mol-1 MO = 16,0 g·mol-1 - Quantité totale d'électricité d’une pile ou d'une batterie : Q = ne- × F avec F = 96500 C·mol-1 - Remarque : 1 A·h = 3600 C
Document n°4 : Caractéristiques de la pile à combustible - Tension nominale de la pile U = 12 V - Rendement de la pile η = 25 %
Document n°5 : Caractéristiques de la batterie auxiliaire
- Tension nominale de la batterie : 12 V
- Capacité de la batterie : 100 A·h
- Energie stockée sous forme chimique : 1,2 kWh
1. Indiquer sur le schéma du document n°1 : - les demi-équations électroniques qui se produisent à chacune de deux électrodes. - le sens de déplacement des électrons e- et celui du courant électrique I à l'extérieur de la pile. - les polarités de la pile. - le sens de déplacement des ions H+ à l'intérieur de la pile.
Nommer le type d’électrode où a lieu l’oxydation et celui où a lieu la réduction.
2. Établir l’équation de fonctionnement de la pile à combustible.
3. Calculer la masse molaire moléculaire MCH3OH du méthanol Données : masses molaires atomiques du carbone MC = 12,0 g/mol et de l'oxygène MO = 16,0 g/mol.
4. Calculer la quantité de matière nCH3OH contenue dans un litre de méthanol. Arrondir le résultat avec 3 chiffres significatifs.
5. Déterminer, à l’aide de la demi-équation d'oxydation et du résultat précédent, la quantité de matière d’électrons ne-
6. Calculer la quantité totale d'électricité Q de la pile à combustible en coulomb. Exprimer le résultat en notation scientifique.
7. En déduire la capacité C de la pile à combustible en ampère-heure (Ah). Exprimer le résultat en notation scientifique.
8. Calculer l’énergie absorbée Ea sous forme chimique par la pile à combustible. Exprimer le résultat en kWh.
9. Calculer l’énergie utile Eu délivrée par la pile à combustible. Exprimer le résultat en kWh.
10. Déterminer le nombre de charge nb de la batterie auxiliaire que l'on peut faire avec un litre de méthanol.