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  • Publié le : 7 décembre 2010
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La pile à combustible 

L'hydrogène et l'oxygène brûlent facilement ensemble, produisant de l'eau et une très grande quantité d'énergie thermique. Dans une centrale électrique, cette énergie thermique peut être utilisée pour fabriquer de l'électricité : les deux gaz entrent en combustion dans un brûleur, la chaleur ainsi dégagée fait bouillir de l'eau, la vapeur d'eau fait tourner une turbine,la turbine fait tourner une génératrice et la génératrice produit de l'électricité. Cela fait un grand nombre d'intermédiaires entre les deux gaz et l'électricité : le brûleur, l'eau, la turbine et la génératrice. Il existe un moyen chimique pour produire directement de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène, sans intermédiaires : la pile à combustible. Expérience

L'hydrogène 

Imaginez un bac rempli d'eau. De l'hydroxyde de potassium, KOH, est dissout dans l'eau. 
Comme tout sel dissout dans de l'eau, le KOH est ionisé en K+ et OH-. 
Dans le fond du bac, on place une pomme de douche, par laquelle on envoie de petites bulles d'hydrogène, H2. 
Du fait de la présence d'un catalyseur, l'hydrogène et les ions OH- onttendance à réagir ensemble, pour former des molécules d'eau, H2O : 
-------------------------------------------------
H2  +  2 OH-               2 H2O  +  2 e-
(Tout comme l'hydrogène peut brûler avec l'oxygène, O2, il peut "se contenter" de brûler avec des OH-.) 
Le problème, c'est que dès qu'un atome d'hydrogène se lie à un OH-, l'électron en trop du OH- se retrouve isolé. Alors, de force, cetélectron se réintroduit dans une molécule d'H2O, reprend son orbite, casse la molécule, et chasse un H : 
-------------------------------------------------
2 H2O  +  2 e-                H2  +  2 OH-
Résultat : On revient au point de départ. Tout se passe comme si les H2 ne réagissaient pas avec les OH-. 
Solution :
On va plonger un fil électriquedans le liquide. Ainsi, il pourra recevoir les électrons qui "débordent" de la réaction. Les électrons vont s'insérer de force dans le fil électrique. 
Il faut que les électrons entrés dans le fil, puissent le quitter par un autre endroit. Sinon le fil atteindra une charge électrique trop négative par rapport à l'eau (-1.8 Volts (table redox)). Alors, les électrons, repoussés par le fil, irontde nouveau casser des molécules d'eau. (Voir le chapitre "Solution".) 
Deuxième problème : la réaction consomme des OH-. 
Bien avant que tous les OH- ne soient consommés, la réaction va s'arrêter. Car les électrons rejetés lors de la consommation des OH- partent par le fil, et l'eau devient rapidement électriquement positive. Les électrons suivants ne peuvent plus monter dans le fil : ils serontattirés par l'eau. Il faut d'ajouter des OH- en permanence.

L'oxygène 

Soit une deuxième cuve remplie d'eau, dans laquelle on dissout également du KOH. 
On place une pomme de douche dans son fond, d'où sortent de petites bulles d'oxygène, O2. 
Du fait de la présence d'un catalyseur, et de la forte basicité du milieu, les molécules d'O2 et les molécules d'eau, H2O, vont avoir tendance àréagir ensemble pour former des OH-. L'oxygène "brûlant" ainsi de l'eau : 
O2  +  2 H2O  +  4 e-                4 OH-            
Le problème, c'est qu'il manque les électrons nécessaires pour former les OH-. 

Solution :
On plonge dans le bac un fil électrique capable d'amener des électrons. 
Tant que le fil peut fournir des électrons,la réaction continue. Si le fil venait à atteindre un potentiel positif de 0,43 Volts par rapport à l'eau (table rédox), la réaction n'arrivera plus à pomper des électrons sur le fil, et elle s'arrêtera. 
Deuxième problème : En pompant des électrons, pour fabriquer des OH-, la solution devient rapidement électriquement négative. Cela tend à chasser les électrons du fil, et donc à stopper la...
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