Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Parmi les technologies de transports décarbonés, la pile à combustible constitue une solution d’avenir pour la traction automobile. Une vingtaine d’année d’intense développement a permis un démarrage de leur commercialisation dès 2014. Au cours de cette période, PSA Peugeot Citroën (aujourd’hui intégré au groupe Stellantis), ainsi que le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)se sont associés pour développer la pile GENEPAC, adaptée aux contraintes de l’automobile.
La plupart des méthodes mises en œuvre dans ce travail de conception restent une référence pour le développement des piles à combustible actuelles, comme en témoignent les réalisations les plus récentes.
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Among the technologies for CO2-free transportation, the fuel cell constitutes an electric powertrain solution for the future. Twenty years of intensive research and development has lead several car manufacturers to launch their marketing since 2014. During this period, PSA Peugeot Citroën, (now a member of the Stellantis Group) and the Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) have teamed up to develop the GENEPAC fuel cell, adapted to the constraints of the automotive industry.
Most of the methods implemented in this design work remain a reference for the development of current automotive fuel cells, as evidenced by the most recent achievements.
Auteur(s)
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Jean-Philippe POIROT-CROUVEZIER : Docteur-Ingénieur, Directeur de recherche du CEA au Laboratoire des Systèmes à Pile à combustible basse température au CEA/LITEN Grenoble
-
Laurent ANTONI : Docteur-Ingénieur, Senior Fellow Hydrogène du CEA
INTRODUCTION
L’augmentation de la population mondiale, la forte croissance des pays émergents et l’amélioration du niveau de vie se traduisent par une augmentation du nombre de véhicules en circulation. Les conséquences majeures qui résultent de cette évolution sont la pression accrue sur les ressources mondiales de pétrole et l’augmentation du volume des gaz d’échappement issus des moteurs à combustion interne. L’augmentation prévisible du prix du pétrole, de la pollution et des émissions de gaz à effet de serre (GES) avec leurs conséquences sur le réchauffement climatique vont donc jouer un rôle moteur pour stimuler une mutation technologique afin de rendre les véhicules moins énergivores et moins polluants.
La pile à combustible est une des voies les plus prometteuses pour le remplacement des moteurs à combustion interne, notamment pour les applications automobiles. Alimentée en hydrogène, cette dernière n’émet que de l’eau lors de la production de puissance électrique. Souvent associés à des batteries d’hybridation, les systèmes à pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent aujourd’hui de réaliser des véhicules électriques aux fonctionnalités similaires à celles des véhicules thermiques, avec des rendements énergétiques nettement supérieurs.
Le développement d’un tel véhicule nécessite de disposer d’une technologie de pile compacte et capable d’atteindre les niveaux de puissance requis, intégrée au cœur d’un système dédié. Au cours des années 2000, le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) et PSA Peugeot Citroën ont conçu une pile à combustible permettant de franchir une nouvelle étape en termes de puissance électrique, de rendement énergétique et de compacité : la pile GENEPAC (GENérateur Électrique à Pile A Combustible), cœur de la réaction entre le combustible (hydrogène) et le comburant (oxygène de l’air) pour produire de l’électricité, de l’eau et de la chaleur. Pour être directement utilisable et intégrable dans un véhicule, un système à pile à combustible a complété ce projet : le système issu du projet FiSyPAC (Fiabilité des Systèmes à Pile À Combustible) soutenu par l’Agence nationale de la recherche (ANR).
Les méthodes mises en œuvre à l’époque pour parvenir aux objectifs de puissance, masse et volume sont décrites dans cet article. Elles constituent une référence sur laquelle peuvent s’appuyer les nombreux travaux d’amélioration engagés sur les piles PEMFC. Quelques exemples de progrès réalisés depuis sont présentés ici. De même, les principaux éléments de la conception et de la caractérisation du système FiSyPAC sont rappelés. Ils sont mis en perspective avec d’une part quelques voies d’amélioration explorées ultérieurement, et d’autre part les performances atteintes sur les véhicules à pile à combustible les plus récents.
Domaine : Pile à combustible pour application automobile
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Hydrogène
Domaines d’application : Automobile + extension aux autres moyens de transport
Principaux acteurs français :
-
Pôles de compétitivité : Tenerrdis – CARA – Véhicule du Futur – NextMove
-
Centres de compétence :
-
Industriels : Constructeurs automobiles + équipementiers (Faurecia, Michelin, Plastic Omnium, Bosch…)
Autres acteurs dans le monde : Ballard, Plug Power, Symbio, INOCEL, EKPO…
Contacts : [email protected]
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
automotive | System | transportation | fuel cell | hydrogen
VERSIONS
- Version archivée 1 de avr. 2007 par Laurent ANTONI, Jean-Philippe POIROT-CROUVEZIER, Francis ROY, Xavier GLIPA
- Version archivée 2 de août 2013 par Laurent ANTONI, Jean-Philippe POIROT-CROUVEZIER, Francis ROY, Xavier GLIPA
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Conclusion - Perspectives
En anglais
4. Système pile à combustible
4.1 Architecture
Pour des raisons d’efficacité énergétique et de durée de vie des composants pile, la conception du système pile à combustible doit permettre de réaliser les réactions électrochimiques dans des conditions optimales de pression, température, stœchiométrie et humidité. Il est construit autour de la pile pour assurer la fourniture en air, hydrogène et liquide caloporteur et permettre l’évacuation des gaz viciés, ainsi que la chaleur produite lors de la réaction.
Il intègre, telle que présentée sur la figure 26 , la pile à combustible et 3 lignes fluides (air, hydrogène et liquide caloporteur).
-
La ligne d’air utilise un compresseur pour adapter pression et débit d’oxygène dans la pile à combustible. Une boucle de recirculation permet de récupérer l’eau produite par la pile pour humidifier l’air frais entrant. Ce flux d’eau est assuré par un humidificateur à membrane qui capte la vapeur d’eau présente dans l’échappement de la pile et la transfère à l’air entrant. L’air vicié de la pile et appauvri en eau est évacué par une ligne d’échappement vers l’extérieur du système.
-
La ligne d’hydrogène utilise aussi un principe de recirculation dont les intérêts sont multiples :
-
la stœchiométrie en hydrogène dans la pile est d’environ 1,5. Pour limiter la consommation et augmenter l’efficacité du système, l’hydrogène non consommé est réinjecté dans la pile à combustible ;
-
pour préserver la durée de vie de la pile et améliorer son rendement, la vapeur d’eau présente en sortie anodique est réinjectée à l’entrée anodique ;
-
pour éviter tout phénomène de stratification azote/hydrogène dans la pile à combustible, la recirculation assure un brassage permanent de l’anode. L’azote à l’anode est issu de la cathode par diffusion au travers de la membrane. Le taux d’azote...
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Système pile à combustible
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WIPKE (K.), SPRIK (S.), KURTZ (J.), -GARBAK (J.) - Field experience with fuel cell vehicles, in Handbook of Fuel Cells – Fundamentals. Technology and Applications. - Advances in Electocatalysis, Materials, Diagnostics and Durability. John Wiley & Sons, vol. 6, Ltd. ISBN : 978-0-470-72311-1, (2009).
-
(2) - Global FCEV Monthly Tracker - , SNE Research (2022). http://www.sneresearch.com/_new/html/main.php
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(3) - TAWFIK (H.), HUNG (Y.), MAHAJAN (D.) - Metal bipolar plates for PEM fuel cell – A review. - Journal of Power Sources, 163(2), p. 755-767 (2007).
-
(4) - ANTUNES (R.A.), OLIVEIRA (M.C.L.), ETT (G.), ETT (V.) - Corrosion of metal bipolar plates for PEM fuel cells : A review, International Journal of Hydrogen Energy, - 35(8), p. 3632-3647 (2010).
-
(5) - ANTUNES (R.A.), OLIVEIRA (M.C.L.), ETT (G.), ETT (V.) - Carbon materials in composite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells : A review of the main challenges to improve electrical performance. - Journal of Power Sources,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Dispositifs de raccordement pour le ravitaillement des véhicules terrestres en hydrogène comprimé - ISO 17268 -
-
Véhicules routiers alimentés par piles à combustible, partie 1 : sécurité fonctionnelle - ISO 23273-1 -
-
Véhicules routiers alimentés par piles à combustible, partie 2 : protection contre les dangers de l’H2 pour les véhicules utilisant l’hydrogène comprimé - ISO 23273-2 -
-
Carburant hydrogène/spécification de produit toutes applications à l’exception des piles à combustibles - ISO 14687-2 -
ANNEXES
PSA Peugeot Citroën https://www.stellantis.com/
HAUT DE PAGE
Règlement n° 101 de la Commission économique pour l’Europe des Nations unies (CEE-ONU) – Prescriptions uniformes relatives à l'homologation des voitures particulières mues uniquement par un moteur à combustion interne ou mues par une chaîne de traction électrique hybride en ce qui concerne la mesure des émissions de dioxyde de carbone et de la consommation de carburant et/ou la mesure de la consommation d’énergie électrique et de l’autonomie en mode électrique, et des véhicules des catégories M 1 et N 1 mus uniquement par une chaîne de traction électrique en ce qui concerne la mesure de la consommation d’énergie électrique et de l’autonomie. Date d’entrée en vigueur : 9 décembre 2010 ; http://data.europa.eu/eli/reg/2012/101(2)/oj
Règlement (CE) n° 79/2009 du Parlement Européen et du Conseil du 14 janvier 2009 concernant la réception par type des véhicules à moteur fonctionnant à l’hydrogène et modifiant la directive 2007/46/CE ; http://data.europa.eu/eli/reg/2009/79/oj
Règlement n° 134 de la Commission économique pour l'Europe des Nations unies (CEE-ONU) – Prescriptions uniformes relatives à l'homologation des véhicules automobiles et de leurs...
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