Pile à combustible – Électrique

Les véhicules H2 – Les véhicules PAC – « pile à combustible »

Les véhicules hydrogène sont des véhicules électriques avec prolongateur d’autonomie H2. Ces véhicules complètent leurs besoins énergétiques en fabriquant de l’électricité à partir de l’hydrogène. Ce sont des piles à combustibles. Les véhicules H2 (de tourisme ou poids-lourds ont la particularité de cumuler les risques générés par des véhicules électriques auxquels s’associent les risques générés par l’emport du gaz hydrogène. Dans ces véhicules il n’y a pas de réaction chimique à proprement parlé puisque c’est la pile qui fabrique son électricité à partir de l’hydrogène embarqué dans le véhicule.

La pile à combustible

Dans une pile à combustible, hydrogène génère de l’électricité en s’associant à l’oxygène avec production d’eau et de chaleur. Cette pile particulière comporte un milieu conducteur ionique, électrolyte, qui sépare une anode alimentée en hydrogène une cathode alimentée en oxygène. La pile à combustible fourni de l’électricité sans rejet de gaz à effet de serre ni polluant et de plus, sans bruit. La plus courante des piles à combustible est la pile à acide polymère dite aussi à membrane échange de protons ou PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Elle comporte une membrane organique conductrice ionique qui joue le rôle d’électrolyte et de séparateur entre les électrodes. Cette membrane de quelques centaines de microns a la propriété d’être perméable aux protons. Le catalyseur indispensable aux réactions de dissociation des molécules d’hydrogène et d’oxygène sur les électrodes détient une membrane en platine.Dans une pile à combustible, hydrogène génère de l’électricité en s’associant à l’oxygène avec production d’eau et de chaleur.Cette pile particulière comporte un milieu conducteur ionique, électrolyte, qui sépare une anode alimentée en hydrogène une cathode alimentée en oxygène.La pile à combustible fourni de l’électricité sans rejet de gaz à effet de serre ni polluant et de plus, sans bruit.La plus courante des piles à combustible est la pile à acide polymère dite aussi à membrane échange de protons ou PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Elle comporte une membrane organique conductrice ionique qui joue le rôle d’électrolyte et de séparateur entre les électrodes. Cette membrane de quelques centaines de microns a la propriété d’être perméable aux protons. Le catalyseur indispensable aux réactions de dissociation des molécules d’hydrogène et d’oxygène sur les électrodes détient une membrane en platine. Cette matière est onéreuse ce qui génère un coût important pour la mise sur le marché d’une telle technologie. Avec la même typologie d’action d’autres matières sont à l’étude pour remplacer le platine ceci pouvant permettre de diminuer sensiblement le prix de revient d’un catalyseur pour une pile à combustible. Des piles à combustible à électrolyte liquide et solide pourront probablement trouver leurs places dans les évolutions technologiques attendues pour ce mode de carburation.

Le moteur électrique alimenté par une pile à combustible

Pour fonctionner, la pile à combustible doit être complété par plusieurs accessoires :

Un compresseur assurant l’alimentation en air dans lequel est prélevé l’oxygène
Un radiateur pour évacuer la chaleur que produit la pile en même temps que le courant électrique
Une unité électronique de puissance
Une batterie d’accumulateur qui adapte le courant électrique continue aux besoins de la propulsion soit :
- Par un moteur unique agissant sur un essieu
- Par un moteur affecté à chaque roue.

En plus du rendement propre élevé de la pile à combustible, plus de 50 %, une voiture électrique ne consomme pas à l’arrêt comme avec un véhicule classique et on peut même récupérer de l’énergie au freinage. En revanche, la dépense énergétique des auxiliaires n’est pas négligeable, c’est pourquoi on peut avancer un rendement global de 40 %, à comparer au 15 % d’un véhicule diesel. Malgré cette technologie performante pleine de promesses, la pile à combustible a un coût encore assez élevé et les véhicules qui en sont équipés ne sont encore que peu nombreux. À l’origine six autobus équipé chacun d’une pile de 200 KW de la firme canadienne Ballard, pionnière en la matière, ont été testé pendant deux ans à Vancouver et à Chicago. Depuis des firmes américaines européennes et japonaises ont multiplié des prototypes d’autobus et de véhicules utilitaires électriques à hydrogène. De même des vélomoteurs, des scooters et des motos à hydrogène ont été mis au point en particulier au Canada, en Italie, au Royaume-Uni, en Inde, au Japon et en Chine.

L’architecture hybride

L’idée est de combiner la propulsion par moteur classique à la propulsion électrique associé à des batteries. Le principe de base est de faire fonctionner le moteur à régime relativement constant dans le domaine où son rendement est le meilleur. Quand la conduite requiert peu de puissance, le moteur recharge les batteries et dans le cas contraire, ces dernières rapportent le complément nécessaire et peuvent même assurer seules la circulation urbaine en véhicule propre. En outre, le moteur thermique fonctionnant à son rendement optimum peut être plus petit.

Le parc H2 en projet en France – En France en 2020 et après …

BUS hydrogène
Constructeur polonais SOLARIS

Équipement Kangoo ZE

Constructeur français – SYMBIO – StackPack

Qu’est-ce qu’un StackPack ? « Un StackPack intègre la pile hydrogène et les composants clefs pour optimiser la durée de vie, l’intégration dans les véhicules et la compacité », résume Symbio sur son site. Actuellement, la gamme H2Motiv réservée à la mobilité compte 2 modèles, S et L, d’une puissance respective de 7 et 45 kW. Le premier, d’une durée de vie de 5.000 heures, est à utiliser comme prolongateur d’autonomie au sein de véhicules électriques légers équipés également d’une batterie de relativement forte capacité énergétique. Ainsi dans les Kangoo ZE REH2 produits dans l’usine Renault d’Heudebouville (27). Le second (7.000 heures) sera embarqué dans des utilitaires légers, camions urbains et bus comme « générateur de puissance électrique zéro-émission très performant » et principal.

StackPack de chez Symbio

Lithium ions Li-i