Piles à combustible

• Cet article a pour sujet les piles à combustible.
• Nous verrons d'abord ce qu'est une pile à hydrogène.
• Ensuite, nous explorerons un système de carburant à l'hydrogène.
• Ensuite, nous verrons comment écrire une demi-équation pour une pile à hydrogène.
• Nous explorerons ensuite les applications des piles à combustible.
• Enfin, nous étudierons les avantages et les inconvénients des piles à combustible.

La pile à hydrogène

En général, la première chose qui te vient à l'esprit lorsque tu penses à l'hydrogène est l'eau , car l'eau est composée de deux molécules d'hydrogène et d'une d'oxygène. Mais en utilisant l'hydrogène et l'oxygène, nous pouvons en fait trouver une forme d'énergie alternative qui ne nuit pas à notre planète. En effet, aucun combustible fossile n'est produit, ce qui permet de réduire les émissions de carbone et d'atténuer le changement climatique. Cela semble donc être une bonne solution jusqu'à présent, mais plus loin dans l'article, tu verras pourquoi ce n'est peut-être pas la solution la plus parfaite.

Système de pile à combustible

Si tu regardes ci-dessus, tu verras le schéma d'une pile à combustible à hydrogène. Il y a deux électrodes en graphite, une positive et une négative, ainsi que deux entrées et une sortie. Tu peux également voir en haut un circuit externe, où les électrons sont mobiles et permettent donc le flux d'énergie pour alimenter un objet.

La façon dont cela fonctionne est la suivante : l'hydrogène à l'état gazeux est introduit dans le système par l'entrée de l'électrode négative. Le gaz se diffuse à travers l'électrode de graphite et réagit avec les ions hydroxyde (^OH-). Il en résulte la formation d'eau et une source d'électrons pour le circuit externe.

L'oxygène sous sa forme gazeuse, quant à lui, est introduit dans le système par l'entrée de l'électrode positive. Cependant, au lieu de réagir avec les ions hydroxyde, il réagit avec les électrons mobiles pour former les ions hydroxyde qui, comme nous l'avons mentionné précédemment, réagissent avec l'hydrogène et produisent de l'eau.

Maintenant, si nous pouvons imaginer cela, nous pouvons identifier qu'en utilisant la réaction de l'hydrogène gazeux et la réaction de l'oxygène gazeux, les électrons qui ont été produits et ensuite absorbés s'annulent mutuellement et le seul produit est l'eau, qui bien qu'étant un produit de l'eau n'est pas nocif comme les gaz à effet de serre.

Fig. 2 : Le charbon.

Demi-équations pour les piles à hydrogène

Nous avons maintenant exploré ce que sont les piles à hydrogène et comment elles fonctionnent, alors en tant que chimistes, explorons cela à travers une équation chimique. En général, les piles à combustible comportent deux éléments distincts qui réagissent ensemble pour générer un flux d'électrons, ce qui signifie que nous avons deux équations distinctes, dont l'une montre l'oxydation des éléments et l'autre la réduction, et ce que nous devons savoir, c'est comment les réunir pour présenter la réaction totale.

Pour les piles à hydrogène, nous savons que nous utilisons de l'hydrogène et de l'oxygène, nous allons donc utiliser la demi-équation pour l'oxygène et la demi-équation pour l'hydrogène.

Lademi-équation de l'hydrogène est la suivante:

$$2H_2(g)+4OH^-(aq)\rightarrow4H_2O(l)+4e^-$$

La demi-équation de l'oxygène est:

$$O_2(g)+2H_2O(l)+ 4e^-\rightarrow4OH^-(aq)$$.

Si nous passons d'abord par les ions hydroxyde, nous pouvons voir qu'il y en a 4 dans la demi-équation de l'hydrogène à gauche et sur 4 dans la demi-équation de l'oxygène à droite. Comme ils se trouvent de deux côtés différents de l'équation et qu'il y en a 4 de chaque côté, ils s'annulent.

Nous avons maintenant les équations suivantes :

$$2H_2(g)\rightarrow4H_2O(l)+4e^-$$$

$$O_2(g)+2H_2O(l)+ 4e^-$$$

Tu remarqueras également qu'une autre partie de l'équation est similaire, à savoir le nombre d'électrons, qui est de 4 dans chaque cas. Dans la demi-équation de l'hydrogène, il se trouve à droite et dans la demi-équation de l'oxygène, il se trouve à gauche, ce qui nous permet de les annuler et d'obtenir les équations suivantes:

$$2H_2(g)\rightarrow4H_2O(l)$$

O_2(g)+2H_2O(l)$$$.

La dernière partie que nous pouvons simplifier est l'eau. Nous en avons 4 dans la demi-équation d'hydrogène et 2 dans la demi-cellule d'oxygène, nous pouvons donc enlever 2 à chaque équation, mais contrairement aux ions électron et hydroxyde, nous aurons toujours 2 eaux dans la demi-équation d'hydrogène et les équations ne ressembleront pas à ceci :

$$2H_2(g)\rightarrow2H_2O(l)$$

O_2(g)$$.

Nous ne pouvons plus simplifier ou annuler une partie de l'équation, nous pouvons donc les joindre toutes les deux, et elles ressembleront à ceci :

$$2H_2(g)+O_2(g)\rightarrow2H_2O(l)$$

Voici l'équation complète d'une pile à combustible à hydrogène.

Application de la pile à combustible

Les piles à combustible en général peuvent être utilisées dans différents objets pour produire de l'énergie, et elles le font en convertissant l'énergie chimique en énergie électrique. Les piles à combustible sont différentes des batteries car elles ont besoin d'un approvisionnement constant en combustible, alors que les batteries n'ont pas besoin d'un approvisionnement constant, mais cela signifie que les batteries finissent par ne plus être capables de fournir une énergie constante, contrairement aux piles à combustible.

Fig 3. Bus à pile à combustible Toyota Sora 2017

Cependant, il y a eu quelques inventions qui utilisent des piles à combustible, comme les voitures et les bus. Si tu regardes ci-dessus, tu verras un bus Toyota qui fonctionne avec une pile à combustible. La recherche et le développement dans ce domaine ont été plus importants, notamment parce que la menace du changement climatique devient plus grande.

Avantages de la pile à combustible

Au début de cet article, nous avons mentionné le fait que les piles à combustible ne produisent pas de gaz à effet de serre ni d'émissions de carbone. C'est un avantage considérable, surtout à une époque où nous constatons les effets néfastes des polluants et du carbone. Un autre avantage est qu'elles n'ont pas besoin d'être rechargées électriquement, ce qui signifie que nous pouvons les utiliser en permanence au lieu d'avoir à les recharger comme des piles rechargeables, ou à les remplacer et à produire des déchets. Enfin, comme les batteries, les piles à combustible peuvent être produites en différentes tailles pour différents objets, ce qui est très utile.

Inconvénients de la pile à combustible

Dans toute chose, il y a des avantages et des inconvénients. Nous avons passé en revue les avantages, passons donc en revue les inconvénients. Les principaux inconvénients se retrouvent dans les piles à combustible à hydrogène. En effet, l'hydrogène est hautement inflammable et difficile à stocker, et comme pour les piles à combustible, nous avons besoin d'un approvisionnement constant, cela peut rendre la situation délicate. En outre, pour produire de l'hydrogène, il faut parfois utiliser des sources non renouvelables. Ainsi, même si la pile à combustible elle-même ne nuit pas à l'environnement, les matières premières nécessaires à son fonctionnement le font.