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Moteur à hydrogène (pile à combustible) : fonctionnement

Si les moteurs thermiques et électriques sont les deux technologies les plus courantes pour faire avancer nos autos, celle de la pile à combustible s'avère peut-être au final la plus prometteuse et la plus intéressante. D'un point de vue technique on pourrait même jusqu'à dire que cette manière de faire prend les avantages de l'une et de l'autre (thermique et électrique) ... Autre argument de poids, alors qu'un moteur thermique n'atteint pas 20% de rendement, celui de l'hydrogène se situe vers les 50%.

Voici la Toyota Mirai qui fonctionne à l'hydrogène. Vendue aux USA, elle ne l'est pas en France car il n'y a pas de point de distribution d'hydrogène ... Après être en retard sur les bornes électriques nous le sommes déjà sur l'hydrogène !

Principe de fonctionnement

Si je devais résumer en une phrase le système je dirais qu'il s'agit d'un moteur électrique qui marche avec du carburant non polluant. Au lieu de recharger une batterie avec une prise on la remplit avec un liquide. C'est pour cela qu'on appelle le système pile à combustible (c'est une pile qui fonctionne avec du combustible qui se consomme et disparaît du réservoir). En fait, la seule différence avec un moteur électrique se situe au niveau de la batterie.
Il faut donc noter que la pile se vide de sa substance contrairement à une batterie Lithium ou même à plomb (voir les liens pour connaître leur fonctionnement)

Le but est d'extraire de l'électricité de l'hydrogène pour l'envoyer au moteur électrique. Le tout étant fait par une réaction électrochimique contrôlée qui permet de cloisonner les électrons d'un côté (vers le moteur) et les protons de l'autre (dans la pile à combustible). Le tout se réunissant au final dans la cathode où la réaction se termine : le "mélange" final donne de l'eau qui est évacuée du système (échappement).

Car si une batterie normale fonctionne aussi avec grâce à une réaction chimique en son sein (réaction qui produit naturellement de l'électricité : des électrons plus exactement), rien n'en sort, il n'y a qu'une transformation interne. Pour revenir à l'état initial (la recharge) il suffit de faire passer du courant (brancher sur le secteur) et la réaction chimique repart dans le sens inverse. Le soucis est que cela prend du temps, même avec des superchargeurs.
Pour le moteur à hydrogène, qui est un moteur électrique classique qui s'alimente par une batterie à combustible (hydrogène donc), la batterie se vide de son hydrogène au moment de la réaction chimique. Elle se vide par un échappement qui évacue de la vapeur d'eau (résultat de la réaction chimique).
D'un point de vue logique, on pourrait donc adapter n'importe quelle voiture électrique en voiture à hydrogène, il suffit de remplacer la batterie lithium par la pile à combustible. Donc dans votre esprit, le moteur à hydrogène doit être considéré comme un moteur électrique avant tout (voir le fonctionnement ici). Ce n'est pas parce qu'elle se ravitaille comme une essence qu'elle s'en rapproche forcément.

La réaction chimique au coeur de cette pille produit de la chaleur, de l'électricité (ce dont on a besoin pour le moteur électrique) et de l'eau.

Voici ce qu'exposait Toyota lors d'un salon international (Mirai à hydrogène) :

Avantages inconvénients

Faisons un petit résumé des éléments qui vont en faveur ou en défaveur de cette technologie :

Avantages

• Aucune pollution induite, de la vapeur sort du pot d'échappement
• La réaction chimique produit de la chaleur qui peut être exploitée pour le système de chauffage (que ce soit pour l'habitacle ou certains composants qui ont besoin d'être réchauffés)
• Ravitaillement aussi rapide qu'un plein d'essence
• Pas de moteur thermique compliqué et à la fiabilité douteuse (cela reste un moteur électrique)
• L'univers est rempli d'hydrogène. Au début il n'y avait que cela (Big bang) et en fusionnant (dans le coeur des étoiles) toute cette hydrogène est devenu tout le reste (voir tableau périodique des éléments).
• Rendement bien supérieur au thermique

Inconvénients

• Si toute la matière était de l'hydrogène il y a 13 milliards d'année et qu'il reste encore l'élément le plus courant dans l'univers, il n'y en a pas des masses sur terre ... Il y a donc un manque à ce niveau même si l'hydrogène peut de nouveau être retrouvé dans certains éléments en faisant quelques réactions chimiques (on peut l'extraire de l'eau puisque l'hydrogène est l'un des ingrédients de cette dernière). Cet inconvénient pourra donc disparaître si l'homme se met à vouloir en "produire" en masse
• Dangerosité  du combustible pour le ravitaillement et le stockage. Mais c'est un faux problème puisque le système peut être sécurisé ... Il faut juste pouvoir le faire en évitant un trop gros surcoût à l'achat, ce qui anéantirait tout espoir commercial d'un modèle.

Pourquoi n'y en a-t-il pas déjà partout ?

Le principal soucis technique de l'hydrogène se situe au niveau de la sécurité du stockage. En effet, un peu comme avec le GPL, ce combustible est dangereux puisqu'au contact de l'air il devient très inflammable. Le problème se situe donc dans le ravitaillement de l'auto mais aussi dans le fait d'avoir un réservoir suffisamment solide pour faire face à tout accident..
Enfin, le réseau de fabrication et de distribution est très peu développé dans le monde (présent aux USA mais inexistant en France)

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