BAC S METROPOLE 2010 Correction © http//labolycee.org
EXERCICE III. LA PILE GÉNÉPAC (4 points)
(GÉNérateur Électrique à Pile à Combustible)

1. Principe de fonctionnement d’une cellule élémentaire
1.1. Réactions dans la cellule
(0,25) 1.1.1. H2 (g) = 2H+ (aq) + 2e– (1)
(0,25) O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– = 2H2O (l) (2)

(0,25) 1.1.2. La réaction (1) libère des électrons, il s’agit d’une oxydation.
Quant à la réaction (2), elle consomme des électrons, c’est une réduction.

(0,25) 1.1.3. Si on effectue la somme des deux équations 2×(1) + (2) on obtient : 2 H2(g) + O2(g) + 4H+(aq) = 4H+(aq) + 2H2O (l)
Soit 2 H2 (g) + O2 (g) = 2H2O (l)

1.2. Mouvement des porteurs de charge
(0,75)

Au niveau de l’électrode où arrive H2, il y a libération d’électrons.
Cette électrode constitue la borne – de la pile.

À l’extérieur de la pile, les porteurs de charge sont les électrons.

Au niveau de l’électrode où arrive O2, il y a consommation d’électrons.
Cette électrode constitue la borne + de la pile.

Les protons H+ sont libérés à l’électrode –, et sont consommés à l’électrode +.

1.3. (0,25) L’utilisation d’électrodes ondulées permet d’augmenter la surface des électrodes à l’intérieur de la pile et ainsi la surface de contact avec les gaz. On peut penser que cela favorise les réactions d’oxydo-réduction.

2. Durée d’autonomie de la pile GÉNÉPAC.
2.1.1. (0,25) nR(H2) = = 1,5×103 mol
Le réservoir a un volume V = 15,0 L et il contient nR(H2) mol de dihydrogène
D’après la loi des gaz parfaits, on a P0.V0 = nR(H2).R.T0
V0 =
(0,25) V0 = = 33,7 m3 = 34 m3 avec deux chiffres significatifs

(0,25) 2.1.2. Il y a 170 cellules élémentaires, on a alors

(0,25) 2.2.1. Q = I.t

(0,25) 2.2.2. Q = n(e-).NA.e

(0,25) 2.2.3. D’après l’équation(1) : H2 (g) = 2H+ (aq) + 2e–, lorsqu’une mole de dihydrogène est consommée, alors deux moles d’électrons sont transférées au circuit extérieur soit nC(H2) =

2.3.1. (0,25) Q = I.t = n(e-).NA.e