Nouveau banc d’essai pour les piles à hydrogène

L’engouement actuel pour l’hydrogène comme vecteur énergétique du futur est conditionné à de nombreuses avancées techniques. Deux enjeux majeurs sont la production décarbonée de cette molécule et le déploiement d’infrastructures de recharges dans l’optique d’une mobilité hydrogène. Dans le domaine du transport, il est aussi nécessaire de mieux comprendre les caractéristiques des systèmes utilisant de l’hydrogène dans les véhicules. Deux solutions sont possibles : soit la combustion directe dans un moteur thermique, soit le recours à une pile à combustible dans les véhicules électriques.

L’IFPEN travaille sur plusieurs de ces aspects et vient tout particulièrement de lancer des expérimentations sur un nouveau banc d’essai de piles à combustible (PàC). « Depuis 2018, l’intérêt des pouvoirs publics et des acteurs industriels pour l’hydrogène est très fort. Face aux questions émergentes, nous avons commencé en 2019 par la simulation numérique des PàC. Puis, en 2020, nous avons mené des expérimentations sur un véhicule de série, la Hyundai Nexo, et nous venons d’en lancer d’autres sur la nouvelle Mirai de Toyota. Mais de nouveaux types de tests des PàC, directement sur banc d’essai et hors véhicules roulants, vont nous permettre d’aller plus loin pour améliorer l’utilisation de cette technologie », explique Pierre Leduc, chef de projet Véhicules électrifiés et pile à combustible de l’IFPEN.

Améliorer l’efficacité des piles à combustible

Pour bien saisir le travail que mène l’IFPEN, il faut avoir à l’esprit la combinaison d’éléments d’un véhicule électrique fonctionnant avec de l’hydrogène. Tout d’abord, ce type de véhicule contient la pile à combustible et une batterie. Un des enjeux est donc d’arriver à gérer au mieux ces deux sources d’électricité de tensions différentes qui varient selon la demande de puissance, et dont le courant continu doit ensuite être transformé en courant alternatif pour le moteur, via de l’électronique de puissance (onduleur). De plus, il faut distinguer le cœur de la PàC constitué des cellules produisant l’électricité et les auxiliaires qui permettent son alimentation en hydrogène et en air comprimé, son refroidissement, etc.

Le nouveau banc d’essai de l’IFPEN permet d’isoler et d’étudier spécifiquement le système « cœur + auxiliaires », pour une puissance totale jusqu’à 210 kW, un niveau correspondant au besoin d’un poids lourd. En sortant ainsi des contraintes du véhicule roulant, les essais vont permettre d’identifier les leviers d’amélioration de l’efficacité des PàC. « Nous avons par exemple besoin de mieux gérer la purge de la pile. En effet, la réaction entre l’hydrogène et l’oxygène crée de l’eau, et la présence de l’azote de l’air qui est certes inerte peut gêner la réaction. Il faut donc éliminer l’eau et l’azote de la pile, mais sans consommer trop d’énergie ni perdre d’hydrogène » détaille Pierre Leduc. Autre sujet majeur, le vieillissement de la pile dû à l’usure des catalyseurs (comme ceux en platine) lors de la réaction H2/O2 ou à de trop forts échauffements. La quantification de ces phénomènes qui abaissent le rendement du système permettra de mieux les modéliser, et ainsi comprendre les conditions dans lesquelles on peut éviter un vieillissement prématuré. L’enjeu est de taille puisque aujourd’hui, la durée de vie d’une PàC sur voiture est d’environ 10 000 heures, alors qu’il en faudrait trois à cinq fois plus pour les poids lourds.

Un banc d’essai à disposition des industriels

Le banc d’essai a été installé à Solaize, au sud de Lyon, là même où de premières applications des PàC pour le transport avaient été testées dans les années 1970 et réévaluées dans les années 1990 par l’IFP (à l’époque sans le EN d’Energies Nouvelles). L’installation a été faite avec le soutien de la filière Carnot. L’investissement dans cet outil d’expérimentation est conséquent (montant non communiqué) mais est inclus dans un ensemble plus large testant des technologies hydrogène, ce qui permet la mutualisation de certains coûts (procédure de sécurité, formation des équipes, approvisionnement en hydrogène, etc.). Si les résultats des premiers tests sur la Hyundai Nexo avaient fait l’objet d’une publication dans la communauté scientifique, les prochaines données acquises par IFPEN seront commercialisées. Ainsi, non seulement des PàC existantes seront étudiées mais les fabricants de piles à combustible pour les marchés adéquats (voir encadré ci-après) pourront venir tester leurs projets.