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)
-
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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Dimensionnement et conception de la pile GENEPAC
En anglais
1. Contexte
1.1 Pile à combustible : élément de réponse aux défis pour un transport durable
1.1.1 Hydrogène : une énergie pour les transports
Le contexte mondial d’augmentation du prix du pétrole, de contraintes pour réduire la pollution et les émissions de GES pousse les constructeurs automobiles à accélérer leurs recherches technologiques sur le véhicule propre et économe en énergie, avec comme perspective de ne commercialiser que des véhicules électriques dans un proche avenir (exemple : à l’horizon 2030 pour le Groupe Stellantis, dont fait partie PSA Peugeot Citroën, fin de la commercialisation des véhicules thermiques en 2035 en Europe).
Une profonde mutation technologique de l’industrie automobile est en train de s’opérer, balayant ainsi plus de 100 ans d’amélioration du rendement des moteurs thermiques. Parmi ces nouvelles technologies d’électrification, et en association des batteries Li-ion, la pile à combustible et l’hydrogène pourraient représenter un vecteur d’énergie à fort potentiel. Pour maîtriser la technologie, PSA Peugeot Citroën s’est engagé à partir des années 2000 dans un programme de recherche. Ces travaux ont successivement engendré la réalisation de plusieurs démonstrateurs de véhicules pile à combustible (Taxi PAC, H2O, Quark, 207 Epure, FiSyPAC) qui permettent aujourd’hui de maîtriser la technologie hydrogène en cours d’industrialisation et de commercialisation.
-
Des générations de piles à combustible
De même, tous les grands constructeurs automobiles mondiaux (Daimler, Toyota, Honda, Nissan, GM, Ford, Volkswagen, Hyundai…) disposent aujourd’hui de plusieurs générations de véhicules à pile à combustible. En 2013, plus de 1 000 véhicules avaient été expérimentés au travers de programmes de recherche et de déploiement de flottes. Un projet financé par le Département de l’énergie américain (DOE) avait ainsi suivi sur 6 ans les comportements de 150 véhicules ...
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Contexte
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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