Activité 5 – Pile à hydrogène bus à hydrogène SITUATION PRO + EDD

Ch07 – Oxydoréduction | Terminale ICCER | ⏱ 35 min

Dernière mise à jour : 3 juin 2026

Ce que tu vas apprendre :

Comprendre le fonctionnement d'une pile à combustible H₂/O₂
Écrire les demi-équations et l'équation bilan
Calculer l'autonomie d'un bus à hydrogène

🖥️ Pour visualiser : ouvre la simulation Pile à combustible à hydrogène — observe le trajet des électrons, la production d'eau et le mode électrolyse (fabrication de l'H₂).

🤔 Avant de commencer

Comment un bus peut-il rouler 400 km sans émettre autre chose que de la vapeur d'eau ?

Le bus est équipé d'une pile à combustible (PEMFC) qui combine de l'hydrogène (stocké dans des bonbonnes à 700 bar) avec l'oxygène de l'air pour produire de l'électricité + de l'eau.

Équation globale : 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Pas de combustion classique, mais une réaction d'oxydoréduction contrôlée dans la pile. Pas de CO₂, pas de NOx, pas de particules. Seule sortie : de la vapeur d'eau pure (potable !).

L'électricité produite alimente un moteur électrique. Avantages vs batterie lithium : recharge en 10 min (vs 8 h), autonomie 400-600 km (vs 200-300 km), pas de dégradation.

Situation – Léa, ingénieure projet H₂ chez HyMobility (Marseille)

Léa, ingénieure projet hydrogène chez HyMobility 13 Marseille, supervise le déploiement de 8 bus Solaris Urbino 12 H₂ pour le réseau RTM. Elle doit valider les données techniques et le bilan environnemental face aux bus diesel actuels.

Document 1 — Bus Solaris Urbino 12 hydrogène

Pile à combustible PEMFC : 70 kW électrique continu.
Réservoir H₂ : 5 bonbonnes type IV (composite carbone) à 350 bar, capacité totale 37,5 kg de H₂.
Consommation moyenne : 8 kg H₂ / 100 km en parcours urbain.
Autonomie annoncée : 350 km.
Tension batterie tampon (lithium 30 kWh) : 600 V DC.
Recharge H₂ : 10 min à la station (compresseur 700 bar).

📖 Vocabulaire

PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Pile à combustible avec membrane échangeuse de protons (polymère Nafion). Standard automobile. Fonctionne à 80 °C.
Anode: Électrode où se produit l'oxydation. À la pile H₂ : l'hydrogène y perd ses électrons.
Cathode: Électrode où se produit la réduction. À la pile H₂ : l'oxygène y gagne des électrons.
Catalyseur platine: Fine couche de platine sur les électrodes qui accélère les réactions. ~ 30 g par pile (coût pile fortement lié au cours du platine).

Q1 APP

Écrire les demi-équations à chaque électrode et l'équation bilan.

Anode (oxydation de H₂) : H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻

Cathode (réduction de O₂) : ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂O

Bilan : H₂ + ½ O₂ → H₂O

Multiplions par 2 pour conventions : 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.

Tension théorique de la pile : E° = +1,23 V (théorique). En pratique : 0,7 V par cellule à régime nominal.

Q2 REA

Une pile PEMFC 70 kW est composée de 400 cellules en série de 0,7 V chacune. Vérifier la tension totale et calculer le courant.

U_pile = 400 × 0,7 = 280 V en sortie.

Pour 70 kW : I = P / U = 70 000 / 280 = 250 A.

Cette tension est ensuite transformée en 600 V DC (convertisseur élévateur) pour alimenter le moteur traction.

Q3 REA

Masse de H₂ consommée par seconde à 70 kW. La pile consomme 1,05 kg H₂ par MWh produit.

Conso H₂ = 70 kW × 1,05 kg/MWh = 70 × 0,001 × 1,05 = 0,0735 kg/h.

= 73,5 g/h = 20,4 mg/s.

Sur 8 h de service (300 km parcourus) : 600 g/h moyen → 4,8 kg consommés. Cohérent avec annonce 8 kg/100 km × 3 km moyens dans la journée.

Q4 ANA

Autonomie réelle du bus avec 37,5 kg de H₂ et conso 8 kg/100 km.

Autonomie = 37,5 / 8 × 100 = 469 km.

Annonce : 350 km. Pourquoi cette différence ?

Réserve de sécurité 20 % (jamais vider la bonbonne, sinon contamination).
Conditions réelles : climatisation, dénivelé, accélérations → conso ×1,2.

Donc 469 × 0,8 × 0,9 ≈ 340 km en conditions réelles. Cohérent avec annonce constructeur.

Q5 ANA

Bilan CO₂ : bus H₂ vs bus diesel sur 100 km.

Bus diesel : conso 40 L/100 km. Émission : 40 × 2,67 kg CO₂/L = 107 kg CO₂/100 km (combustion directe).

Bus H₂ « gris » (H₂ produit à partir de gaz naturel par vaporeformage) : 10 kg CO₂ par kg H₂ produit. 8 kg/100 km × 10 = 80 kg CO₂/100 km. Soit -25 % vs diesel.

Bus H₂ « vert » (H₂ électrolyse + électricité décarbonée France 60 g/kWh) : 1 kg CO₂ par kg H₂. 8 kg CO₂/100 km. Soit -92 % vs diesel.

Conclusion : la pertinence environnementale du bus H₂ dépend du mode de production de l'hydrogène. C'est l'enjeu majeur du déploiement.

Q6 ANA

Pourquoi la pile à H₂ est-elle plus efficace qu'un moteur thermique ?

Rendement moteur thermique (Carnot) : limité par les températures de combustion. Diesel : 35-45 % à charge nominale, 25-30 % en réalité urbaine.

Pile PEMFC : pas de cycle thermodynamique, conversion directe chimique → électrique. Rendement intrinsèque : 55-60 % à régime nominal.

Globalement (puits-roue) :

Diesel : 16-22 % (perte raffinage + transport + moteur + pertes mécaniques).
Pile H₂ vert : 25-30 % (perte électrolyse + compression + transport + pile + moteur élec).

Encore loin du véhicule électrique batterie (60-70 % puits-roue), mais largement supérieur au thermique.

Q7 VAL

Sécurité du stockage H₂ à 350 bar. Risques et précautions.

H₂ inflammable en mélange avec O₂ (limites 4-75 % vol.) — large plage explosive.
Pression 350 bar : énergie élastique 1 MJ par kg H₂ stocké. Bonbonne renforcée Type IV : carbone + plastique + dispositif de fusible à 110 °C qui libère le H₂ vers le ciel en cas d'incendie.
Diffusion rapide : H₂ s'élève très vite (densité × 14 plus légère que l'air). Avantage : dispersion immédiate à l'extérieur. Inconvénient : confinement (parking souterrain) dangereux.
Pas de toxicité propre : asphyxiant en cas de saturation, mais pas cancérigène.
Normes : ECE R134 / ISO 17268 pour véhicules. Tests crash-test 700 bar OK.

Statistique : 0 accident grave sur 5 ans de roulage bus H₂ en France et Allemagne.

Q8 COM

Note technique Léa.

Validation 8 bus H₂ — Léa (HyMobility 13 Marseille)
• Solaris Urbino 12, pile PEMFC 70 kW, 37,5 kg H₂ à 350 bar.
• Bilan : 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Seul rejet = vapeur d'eau.
• Autonomie réelle 340 km, recharge 10 min (vs 200 km / 8 h batterie).
• CO₂ bus H₂ vert : 8 kg/100 km (-92 % vs diesel 107 kg/100 km).
• ROI sensible au mode de production H₂ : exiger contrat H₂ vert (électrolyse + EnR).

✅ Auto-évaluation

J'écris les demi-équations d'une pile PEMFC. Je distingue H₂ vert / gris / bleu. Je calcule l'autonomie d'un véhicule à partir d'une conso et d'un stock énergétique.

Bonus — H₂ gris, bleu, vert : quelles différences ?

L'hydrogène est presque toujours produit (pas extrait), avec 3 « couleurs » selon la méthode :

H₂ gris (95 % du marché actuel) : vaporeformage du gaz naturel. CH₄ + 2 H₂O → CO₂ + 4 H₂. Émet 10 kg CO₂ par kg H₂. Bon marché (1,5 €/kg).
H₂ bleu : même méthode + captage et stockage du CO₂ (CCS). Émet 1-2 kg CO₂/kg H₂. Plus cher (3 €/kg).
H₂ vert : électrolyse de l'eau avec électricité renouvelable. 2 H₂O → 2 H₂ + O₂. Émet 0,5-1 kg CO₂/kg H₂ (selon mix). Cher (4-7 €/kg).

Objectif France 2030 : 6,5 GW d'électrolyseurs (loi de programmation énergie-climat). Mais en attendant, beaucoup de projets H₂ utilisent du gris.

Avenir : passage massif au vert avec EnR à 30 €/MWh + électrolyseurs PEM/SOEC à 600 €/kW.

À retenir

PEMFC : H₂ + ½ O₂ → H₂O. Production directe d'électricité (pas de combustion).
Anode = oxydation (H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻). Cathode = réduction (O₂ + e⁻ → H₂O).
Conso H₂ : 1 kg H₂ ≈ 33 kWh d'énergie. Bus : 8 kg/100 km.
H₂ vert > bleu > gris (-92 % CO₂ vs diesel pour vert).

📚 §1 (oxydoréduction) + §2 (demi-équations) de la leçon Ch07.