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Dernière modification 30/08/2020

Fonctionnement de la voiture à hydrogène (pile à combustible)


 

Autre alternative pour faire fonctionner les voitures électriques, la solution de l'hydrogène est étudiée depuis un bon moment par les Allemands et les Japonais. Considéré comme non viable par Tesla, l'Europe décide pourtant de mettre le paquet sur cette technologie (de manière globale, pas dans le but unique de propulser les autos). Voyons donc comment fonctionne la voiture à hydrogène, qui n'est donc qu'une variante de la voiture électrique.

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Plusieurs types de voitures à hydrogène

Si la technologie actuelle concerne les autos qui emploient une pile à combustible pour alimenter des moteurs électriques, l'hydrogène peut aussi être employé dans les voitures thermiques à piston. Il s'agit en effet d'un gaz qui peut être exploité de la même manière que les GPL et GNV déjà employés dans nos autos. L'idée est toutefois abandonnée, le moteur à pistons n'est en effet plus trop dans l'air du temps ...


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 on devait résumer en une phrase le système je dirais qu'il s'agit d'un moteur électrique qui marche avec du carburant non polluant (à l'utilisation, pas à la production). Au lieu de recharger une batterie avec une prise et donc de l'électricité, 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 du stockage de l'énergie, ici sous forme liquide et non pas chimique.
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).

Schéma de fonctionnement






Hydrogène = hybride ?

Presque ... En effet, elles ont systématiquement une batterie lithium en plus dont j'explique plus bas l'utilité. On peut donc avoir un fonctionnement uniquement à l'hydrogène, uniquement en utilisant la batterie classique ou encore les deux en même temps.

Composants

Réservoir d'hydrogène

Nous avons ici un réservoir qui permet de stocker entre 5 à 10 kg d'hydrogène sachant que chaque kilogramme contient 33.3 kWh d'énergie (à mettre en rapport des voitures électriques qui ont entre 35 et 100 kWh). Le réservoir est particulièrement technique et solide afin de tenir à une pression interne entre 350 et 700 bars.

Pile à combustible

La pile à combustible aura ici le rôle d'alimenter le moteur électrique de l'auto, comme le fait une batterie classique au lithium. Elle a toutefois besoin de carburant, à savoir l'hydrogène en provenance du réservoir. Elle est en patie composée du très cher platine, mais les versions les plus modernes arrivent à s'en passer.

Batterie tampon

Pas forcément indispensable, c'est toutefois la norme sur les véhicules à hydrogène. En effet, elle sert de batterie de secours, d'appoint de puissance (peut travailler en parallèle de la pile à combustible) mais aussi et surtout elle sert à récupérer l'énergie cinétique lors des décélérations et freinages.


Electronique de puissance

Non indiquée sur mon schéma du haut, l'électronique de puissance gère, hache et redresse (conversion entre courants alternatif et continu) les différents courants circulant à travers les différents organes de l'auto.

Ravitaillement

Fonctionnement de la pile à combustible : catalyse



Le but est d'extraire des électrons ('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).

Voici le schéma de la catalyse, qui consiste à extraire de l'électricité de l'hydrogène (l'inverse de l'électrolyse)
 

Nous voyons ici le fonctionnement de la pile à combustible, à savoir le phénomène de catalyse.
L'hydrogène H2 (soit deux atomes H d'hydrogène collés l'un à l'autre : dihydrogène) va de gauche à droite. A l'approche de l'anode, il va perdre son son noyau (proton) qui va être en quelque sorte aspiré vers le bas (par phénomène d'oxydation). Les électrons vont alors continuer leur chemin sur la droite pour être par la suite exploités par le moteur électrique.
En retour, on réassemble le tout grâce à l'injection d'O2 (oxygène en provenance de l'air grâce à un compresseur) du côté de la cathode, ce qui va permettre naturellement la formation de la molécule d'eau (qui va catalyser tous les éléments en une seule molécule qui est un assemblage des H et des O).

Résumé des réactions chimiques / physiques

ANODE : à l'anode l'atome de dihydrogène est "coupé" en deux (H2 = 2e- + 2H+). Le noyau (ion H+) va vers le bas en direction de la cathode tandis que les électrons (e-) continuent leur chemin en raison de leur impossibilité de traverser l'électrolyte (espace entre anode et cathode).

CATHODE : à la cathode on voit revenir (par des chemins différents) les ions H+ et électrons e-. Il suffit alors d'injecter des atomes d'oxygène pour que l'ensemble de ces éléments veuillent s'assembler, ce qui donne alors lieu à la création d'une molécule d'eau composée donc de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Soit la formule : 2e- + 2H+ + O2 = H2O






Rendement ?

Si on ne considère que la voiture en elle-même, à savoir le rendement du réservoir jusqu'au bout des roues (transformation matière / forcé mécanique) on est ici un peu en dessous de 50%. En effet, la batterie a un rendement d'environ 50% et le moteur électrique receveur environ 90%. On a donc un premier filtrage de 50% puis ensuite de 10%.

Si on prend en compte le rendement à partir de la centrale qui fournit de l'énergie, donc avant la production de l'hydrogène ou même la distribution de l'électricité (dans le cas du lithium), on est à 25% pour l'hydrogène et 70% pour l'électrique (moyennes approximatives évidemment).

Plus de détails sur le rendement ici.

Différence entre voiture à hydrogène et voiture électrique à batterie lithium ?

Les autos sont exactement les mêmes, sauf au niveau de leurs "réservoir d'énergie". Il s'agit donc de voitures électriques utilisant des moteurs rotor / stator (que ce soit à induction, aimant permanent ou même réluctance).


Si une batterie au lithium 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 souci 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.


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

Le principal souci 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 (et c'est peu dire). 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. Bien entendu, le surcoût est aussi un gros frein, et il semble que ce soit moins viable que le lithium-ion dont le coût de revient baisse drastiquement.
Enfin, le réseau de fabrication et de distribution est très peu développé dans le monde, et la volonté des gouvernements est de produire de l'hydrogène par électrolyse grâce à des sources d'énergie renouvelables (beaucoup de spécialistes parlent d'un circuit utopique qui ne pourrait être mis en place dans notre "abrupte" réalité).
Il y a finalement de plus fortes chances que l'électrique conventionnel soit la solution d'avenir retenue, et non l'hydrogène qui sera employé pour tout un tas d'autres applications que celle de la mobilité individuelle.

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