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RÉSUMÉ
La pile à combustible est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique. Il réalise par voie électrochimique la réaction entre un carburant, souvent l'hydrogène, et l'oxygène de l'air, pour produire de l'eau, de l'énergie électrique et de la chaleur. Les principaux freins au développement des véhicules électriques sont habituellement un manque d'autonomie et une recharge trop longue. Avec un stockage d'hydrogène sous forme comprimée à 350 ou 700 bars, les véhicules à pile à combustible permettent souvent de parcourir environ 500 km, pour une recharge d'une durée de 3 à 5 minutes. Même si des améliorations sont encore à réaliser notamment en ce qui concerne les coûts, les véhicules à pile à combustible apparaissent plus que jamais comme une alternative crédible aux véhicules actuels.
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The fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy into electrical energy. It converts hydrogen, combined with oxygen from the air, into water, electricity and heat. The main obstacles to the development of electric vehicles are usually low autonomy and too-long recharge. With storage of hydrogen in compressed form at 350 or 700 bar, fuel cell vehicles usually reach 500 km or more of autonomy, with a refueling time of about 3– 5 minutes. Although cost reductions remain to be achieved, fuel cell vehicles appear more than ever as credible alternatives to existing vehicles.
Auteur(s)
-
Jean-Philippe POIROT-CROUVEZIER : Ingénieur-chercheur - CEA-LITEN, Service d'intégration des générateurs electrochimiques, Grenoble, France
INTRODUCTION
La pile à combustible est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique, au même titre qu'une batterie. Les réactions électrochimiques associées à la production d'électricité ont lieu dans des électrodes, elles-mêmes séparées par un électrolyte. Dans le cas des batteries, les réactifs utilisés sont présents initialement dans les électrodes et sont consommés puis régénérés au fil des décharges et charges, tandis que dans le cas des piles à combustible, ces derniers sont apportés au fur et à mesure de leur consommation. De ce fait, les fonctions de stockage d'énergie et de production de puissance sont dissociées, avec d'une part un stockage dépendant uniquement de la taille du réservoir de carburant et d'autre part une puissance liée principalement à la taille de la pile.
Du fait de cette dissociation des fonctions, la densité d'énergie des systèmes à pile à combustible peut être augmentée à un niveau plus élevé que celle des batteries. La densité d'énergie des batteries actuelles, même pour les technologies Li/ion, reste un point limitant le développement des véhicules électriques à batterie, au même titre que la durée nécessaire à la recharge. En revanche, ces dernières années les prototypes de véhicules à pile à combustible développés par plusieurs constructeurs ont démontré la possibilité d'obtenir des véhicules électriques rechargeables rapidement, et possédant des performances et une autonomie similaire à celle des véhicules thermiques actuels. La plupart du temps ces véhicules contiennent également une batterie, ce qui rend ces technologies de stockage complémentaires, et non pas concurrentes.
Pour une étude générale sur les piles à combustible, le lecteur se reportera à l'article [D 3 340] de ce traité.
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KEYWORDS
efficiency | fuel cell | system analysis | hydrogen storage
VERSIONS
- Version archivée 1 de mai 2003 par Renaut MOSDALE
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion
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3. Le carburant, principal point faible ?
En 2014, alors que les premiers véhicules à pile à combustible de série apparaissent sur certains marchés (États-Unis, Japon, Allemagne), la plupart des verrous techniques freinant le développement des véhicules à pile à combustible sont sur le point d'être surpassés. La durabilité dépasse à présent 5 000 h sur de nombreux systèmes, le démarrage par grand froid fonctionne, l'intégration du système complet dans un véhicule de classe moyenne est largement démontrée, et les tendances en termes de réduction des coûts (notamment baisse de la quantité de platine) sont favorables.
La quasi-totalité des véhicules en circulation actuellement (plusieurs centaines dans le monde) embarquent de l'hydrogène moléculaire à bord. Le reformage d'hydrocarbure, notamment de méthanol, à bord du véhicule semble être une solution abandonnée par tous les constructeurs. Le stockage sous haute pression, à 350 ou 700 bars, est de loin le plus courant et permet souvent d'atteindre une autonomie d'environ 500 km, pour un temps de remplissage de 3 à 5 min.
En revanche, l'infrastructure de production et de distribution d'hydrogène pour les véhicules est encore balbutiante et ce point faible pourrait freiner le développement de cette technologie dans les années à venir.
3.1 Stockage d'hydrogène
Si l'hydrogène possède la densité d'énergie massique la plus élevée parmi les combustibles courants (120 MJ/kg pour l'hydrogène contre 50 MJ/kg pour le gaz naturel et 45 MJ/kg pour l'essence), il est, en volume, le combustible le plus pénalisant du fait de sa faible masse atomique et de son état gazeux à partir de 20 °K (– 253 °C). Les principales solutions utilisées au cours des dernières années pour stocker de l'hydrogène à bord d'un véhicule sont au nombre de trois :
-
sous forme de gaz comprimé dans des réservoirs (de 350 à 700 bar) ;
-
sous forme d'hydrures dans des réservoirs à basse pression (quelques bar) ;
-
sous forme cryogénique dans des réservoirs à 20 °K.
Le tableau 4 regroupe les différents types de stockage et un ordre de grandeur de leurs performances. Les performances évoquées ici incluent les équipements spécifiques aux modes...
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BIBLIOGRAPHIE
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(3) - * - http://www.fuelcellpartnership.org/
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(4) - ANDREASEN (S.J.), ASHWORTH (L.), SAHLIN (S.), BECKER JENSEN (H.-C.), KÆR (S.K.) - Test of hybrid power system for electrical vehicles using a lithium-ion battery pack and a reformed methanol fuel cell range extender. - International Journal of Hydrogen Energy, 39(4), p. 1856-1863 (2014).
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-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Sites hydrogène et piles à combustible
Ballard (Canada) http://www.ballard.com/
Fuel Cells 2000 http://www.fuelcells.org
Fuel Cell and Hydrogen Energy Association http://www.fchea.org
Daimler-Chrysler http://www.daimler.com/technology-and-innovation/drive-technologies/ fuel-cell
Plug Power http://www.plugpower.com/
Hydrogenics http://www.hydrogenics.com/
US Fuel Cell Council http://www.usfcc.com/
Nuvera http://www.nuvera.com/
Intelligent Energy http://www.intelligent-energy.com/
Johnson Matthey http://www.fuelcelltoday.com/
Portail d'information allemand http://www.hyweb.de/h2cars
California Fuel Cell Partnership http://www.cafcp.org/
General Motors Corp. http://www.gm.com
Toyota http://www.toyota.com
SymbioFCell http://www.symbiofcell.com/
Hypulsion http://www.hypulsion.fr/...
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