… à la pile à combustible Piles et ions De Volta… … à la pile à combustible D’après • La chimie au lycée http://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/piles/prezpil.htm • Les piles http://www.cdess.org/Chimie0.htm

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Piles et ions : De Volta à la pile à combustible C’est en inventant un appareil révolutionnaire, la pile, qu’Alessandro Volta fit naître une nouvelle branche de la chimie : l’électrochimie. Dans une pile, l’énergie électrique est obtenue à partir de l’énergie chimique contenue dans les réactifs. Depuis 1800, de nombreuses améliorations ont été apportées mais on distingue encore aujourd’hui seulement deux types de piles : Il existe une multitude de piles différentes. Ce diaporama se propose simplement de présenter les principales étapes qui ont permis d’améliorer l’invention de Volta. • Les piles classiques où les réactifs sont introduits dès la fabrication et en quantité finie. • Les piles à combustion où les réactifs sont introduits au fur et à mesure de l’utilisation de la pile.

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible 1) La pile de Volta

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible Alessandro VOLTA Physicien italien (1745-1827) Volta était passionné par la physique, en particulier par l’électricité, et c’est en 1774 que ses recherches commencent à porter leurs fruits. Il invente plusieurs appareils mais le plus prometteur est celui qu’il nomme « organe électrique artificiel » par analogie avec l’organe électrique naturel du poisson torpille. Pour fabriquer cet appareil, il empile des disques d’argent et de zinc, en alternance et en séparant chaque paire par un tissu imbibé d’eau salée. Ainsi naît en 1800 la pile électrique, premier appareil à délivrer un courant électrique continu. Dessin d’une pile proposée par Volta dans une lettre du 20 mars 1800

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible En réalité, Alessandro Volta réalise plusieurs piles avec d’autres couples de métaux. Ce sont les métaux de la pile photographiée ci-contre qui permettent d’obtenir la plus grande tension et l’eau salée peut être remplacée par un autre liquide. Observer attentivement la photographie ci-contre puis lancer le diaporama.

Etape 1 : Les constituants séparés de la pile de Volta Vinaigre

Etape 2 : Les constituants assemblés de la pile de Volta Calibre : 200 mV continu

Etape 3 : Les constituants empilés de la pile de Volta Calibre : 20 V continu

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible Volta imagine aussi un dispositif à couronne de tasses. Des tasses remplies d’eau salée sont reliées par deux métaux différents et soudés. Un autre modèle appelé « pile à auge » fut plus tard utilisé par Ampère. Mais c’est bien l’appareil ou les métaux sont empilés qui donne son nom à la pile.

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible 2) La pile Daniell

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible La première amélioration notable de la pile de Volta intervient quelques décennies plus tard grâce à J.F. Daniell, professeur au Collège Royal de Londres. En 1836, sa première pile consiste en une boîte de cuivre contenant une solution aqueuse de sulfate de cuivre dans laquelle plonge un œsophage de bœuf contenant une solution diluée d’acide sulfurique et une tige de zinc. En 1842, il remplace l’œsophage de bœuf par un vase poreux. Aujourd’hui, la solution diluée d’acide sulfurique est remplacée par une solution de sulfate de zinc. Lancer le diaporama de la réalisation d’une pile Daniell

Etape 1 : Les constituants séparés de la pile Daniell

Etape 2.1 : Les constituants assemblés de la pile Daniell

Etape 2.2 : Les constituants assemblés de la pile Daniell

Etape 2.3 : Les constituants assemblés de la pile Daniell

Etape 3 : La tension aux bornes d’une pile Daniell La pile Daniell Etape 3 : La tension aux bornes d’une pile Daniell Calibre : 2 V continu

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible Désormais, le principe de fabrication des piles est fixé. Elles seront toutes constituées de deux électrodes séparées par un électrolyte. Malgré les améliorations apportées par Daniell, sa pile présente l’inconvénient de contenir un électrolyte liquide ce qui rend plus difficile le transport de l’appareil. Il faut attendre le milieu du XIXe siècle pour voir apparaître les premières piles dites « sèches » avec l’invention du scientifique français Georges Leclanché.

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible 3) La pile saline

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible La pile Leclanché appartient à la famille des piles salines. Sa forme est cylindrique et elle fournit une tension de valeur 1,5 V. Elle a dominé le marché pendant près d’un siècle. Comme pour les piles précédentes, la pile saline contient deux électrodes solides en matériaux différents en contact avec un électrolyte qui cette fois n’est pas liquide. Lancer l’animation du schéma simplifié d’une pile saline

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible Schéma simplifié d’une pile saline Capsule métallique (borne positive) Electrode en graphite associée à de l’oxyde de manganèse contenu dans le gel Electrolyte en gel : Chlorure de zinc (II) Chlorure d’ammonium Electrode en zinc Enveloppe Fond métallique (borne négative)

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible 3) La pile alcaline

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible Pendant la seconde guerre mondiale, deux américains, S. Ruben et P.R. Mallory, construisent la pile dite « au mercure » . Le mercure s’avère trop cher pour permettre une production en quantité industrielle. C’est pourquoi, dans les années cinquante, Ruben reprend les constituants de la pile saline de Leclanché en changeant l’électrolyte et la façon d’assembler les différents éléments. Sa forme est aussi celle d’un cylindre, elle fournit alors 1,5 V mais on peut aussi lui donner la forme d’un parallélépipède et fournit 9 V. Lancer l’animation du schéma simplifié d’une pile alcaline

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible Schéma simplifié d’une pile alcaline Electrolyte ( hydroxyde de potassium) Capsule métallique (borne positive) Électrode formée d’une boîte en acier en contact avec la poudre de graphite et le dioxyde de manganèse baignant dans l’électrolyte Électrode formée d’un clou en acier en contact avec de la poudre de zinc baignant dans l’électrolyte Enveloppe Fond métallique (borne négative)

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible Le principe de la pile à combustion est découvert dès le début du XIXe siècle. La pile est alimentée en réactifs (combustible et comburant) et débarrassée des produits pendant le fonctionnement de l’appareil. Cette pile est aussi appelée « pile à combustible » . En 1839, W.R. Grove, réalisa une pile hydrogène-oxygène qui n’était rien d’autre qu’une cellule d’électrolyse de l’eau inversée. La tension théorique fournie par cette pile vaut 1,23 V, toutefois l’invention ne connut pas de succès face aux autres piles plus faciles à fabriquer. Dans les années soixante, la conquête spatiale permet enfin de développer la pile à combustible. La pile utilisée dans le module lunaire de la NASA est capable de fournir une tension de 30 volts pendant 400 heures.

Piles et ions : De Volta à la pile à combustible FIN