- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Oui
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Oui
- Phase de développement de l'innovation
- Récemment commercialisé
- Date de création
- Date de mise à jour
En bref
La pile à combustible (PAC) est un système qui produit un courant électrique.
Pour y parvenir la pile à combustible transforme l’hydrogène et l’oxygène en :
- Chaleur,
- Eau,
- Electricité.
Cette transformation permet d'alimenter le moteur du véhicule.
- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Oui
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Oui
- Phase de développement de l'innovation
- Récemment commercialisé
- Date de création
- Date de mise à jour
Description détaillée
Vue d'ensemble du système
Un véhicule équipé de pile à combustible (PAC) est un véhicule propulsé électriquement dont l'énergie de traction est produite par une pile à combustible.
L'énergie de ravitaillement est de l'hydrogène.
Des batteries peuvent être utilisées comme réservoir d'énergie tampon (afin d'apporter un appoint de puissance lors d'accélération, ou de récupérer l'énergie au freinage).
La PAC génère l’électricité à partir d’hydrogène et oxygène par réaction électrochimique d’oxydation et de réduction.
Eléments constitutifs de la PAC
Le système d’alimentation électrique de ce véhicule est plus complexe qu’un véhicule 100% électrique, car on doit d’abord alimenter la PAC en hydrogène pour créer de l’électricité.
Les éléments qui constituent l'alimentation de la pile à combustible sont :
- Réservoir d’hydrogène équipé d’éléments de sécurité (électrovanne de sécurité, de thermofusible, de limiteur débit etc.).
- Canalisations d’hydrogène (haute pression au niveau du réservoir, et basse pression après le détendeur).
- Détendeur double étage (la pression du réservoir est de l’ordre de 700 bars quand le réservoir est plein, la PAC a besoin d'une pression d’environ 2.5 bars, pour arriver à cette pression le détendeur abaisse la pression en 2 phases de détentes, d'où son nom).
- Système d’alimentation en air (filtre, compresseur, débitmètre etc.).
- Système de refroidissement de la PAC.
- Évacuation de l'eau produite par la PAC.
Les réservoirs alimentent en hydrogène sous faible pression une pile à combustible, elle transforme l’énergie chimique contenue dans l'hydrogène et l'oxygène en électricité, une batterie de petite capacité permet la récupération de l’énergie cinétique et l’alimentation de la PAC en complément ou à la place de la pile.
Les caractéristiques de l'hydrogène
- L'hydrogène est présent en grande quantité sur terre, mais toujours combiné à d'autres éléments. C'est pourquoi il faut l'extraire.
- Il est 14 fois plus léger que l'air.
- L'hydrogène présente les même risques d'inflammabilité que le GPL, risques connus et maîtrisés.
- L'hydrogène est plus léger que l'air, en cas de fuite, des évents sont prévus pour une évacuation du gaz hors habitacle, certains véhicules ont des capteurs d'hydrogène dans le véhicule (Hyundai IX35).
- C'est un gaz non polluant, incolore, inodore, ne détériore pas la couche d'ozone.
Types de production de l'hydrogène
- La méthode par vaporeformage est la plus utilisée, elle consiste à injecter de la vapeur d'eau sous 900°C à 25 bars dans du gaz naturel, en présence de nickel (catalyseur), les atomes vont se reformer séparément pour obtenir de l'hydrogène, et rejeter beaucoup de dioxyde de carbone.
- La méthode par électrolyse de l'eau, qui consiste à séparer les molécules d'hydrogène et d'oxygène, en consommant un courant électrique.
L'hydrogène issu d'énergies renouvelables
- On peut parler d'hydrogène vert dans le cas d'utilisation de biogaz pour le vaporeformage, ou d'électricité renouvelable pour l'électrolyse de l'eau. Dans ces deux cas, le gaz et l'électricité utilisés pour la création d'hydrogène sont renouvelables.
La solution utilisée actuellement en automobile est le stockage sous forme gazeuse sous une pression de 700 bars (350 bars pour les réservoirs de bus et poids lourds). Pour accepter de telles pressions, les réservoirs sont en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC).
Dans cet état, 5 kg d’hydrogène occupent un volume de 215 l sous 350 bars et 125 l sous 700 bars, un plein du réservoir ne prend que quelques minutes.
Pour le stockage à l'état liquide, il est nécessaire de refroidir l'hydrogène en dessous de sa température d'ébullition, c'est à dire - 252°C, puis de prévoir un réservoir qui supportera les 10 bars de pression nécessaires à son maintien à l'état liquide.
Dans cet état 5 kg d'hydrogène correspondent à un volume de 75 litres. Ce procédé est actuellement réservé à l’aérospatial.
Une autre solution étudiée est le stockage solide.
On utilise dans ce cas des hydrures métalliques capables d'absorber l'hydrogène, puis de le restituer pour l'utiliser ensuite dans la PAC(ce qui entraîne une montée en température).
Cette voie prometteuse est toutefois compliquée pour les gros volumes d'hydrogène nécessaires, car il faut compter 60 kg de réservoir pour 1 kg d'hydrogène stocké.
De plus la réaction lors du remplissage génère une forte chaleur, ce qui allonge la durée de l’opération, et supprime l’avantage du remplissage rapide du réservoir.
Principe de fonctionnement
Les piles à combustible sont des générateurs d'électricité qui transforment l'énergie d'une réaction chimique en courant continu.
Elles fonctionnent à l'inverse de l'électrolyse de l'eau.
Elle dispose comme un accumulateur d’une borne positive et d'une borne négative avec entre les deux un électrolyte.
C'est l'arrivée de l'hydrogène et de l'oxygène qui va créer une réaction au sein de la pile à combustible et par conséquent créer du courant.
L'hydrogène est dissocié en arrivant sur l'anode : les ions H+ passent dans la membrane/électrolyte, les électrons, bloqués par la membrane, passent par le circuit électrique externe, et créent un courant électrique.
Ce courant est ensuite utilisé pour alimenter la batterie ou le moteur électrique et faire avancer la voiture.
Produits de la réaction
- L'oxygène et les ions de l'hydrogène se retrouvent sur la cathode, il y a formation de vapeur d'eau.
- La réaction crée de la chaleur pouvant être récupérée pour d'autres fonctions.
- De l'électricité.
Exemple : sur la Toyota Mirai, la PAC génère 1 Volt/ élément, et compte 370 éléments.
| Diffusion sur le marché | Même s'il y en a peu sur les routes, des modèles de véhicules PAC sont actuellement commercialisés (Hyundai Nexo, BMW iX5 Hydrogen, Toyota Mirai). |
|---|---|
| Constructeurs concernés | Hyundai |
| Innovation engendrant des entretiens | Oui |
| Innovation engendrant des réparations | Oui |
| Types de réparations | Sécurité :
|
| Dispositif législatif en rapport avec l'innovation | Niveau d'habilitation pour la PAC : B2XL opération batterie, |
| Contrôle technique | Du point de vue du contrôleur technique, un véhicule qui fonctionne en produisant son énergie à partir d'une pile a combustible sera considéré comme n'importe quel autre véhicule électrique ou hybride et contrôlé comme tel. |
| Mots-clés | fuel cell, pile à combustible, mirai, ix35 |
Méthodes et pratiques
Les interventions seront les mêmes que sur un véhicule 100% électrique.
On ajoute en plus :
- La PAC qui est spécifique (rassemble les risques dû à l'hydrogène, et à l'électricité)
- La partie haute pression (stockage hydrogène) qui entraîne des risques qui ne sont pas électriques.
| Entreprises concernées aujourd'hui | Véhicules industriels, RA1 |
|---|---|
| Métiers concernés | Mécanicien technicien VI-VU, Mécanicien-Technicien Auto |
| Précisions sur les métiers concernés | MRA, RA1, RA2, Spécialistes : Activités de diagnostic, de contrôles et de remplacement de pièce |
Impact sur les compétences en atelier
- Connaître les caractéristiques du produit (hydrogène).
- Connaître les précautions de stockage et d'interventions sur la partie haute pression.
- Connaître le fonctionnement d'une pile à combustible.
- Savoir appliquer une méthode de diagnostique.
- Savoir utiliser un outil de diagnostique.
- Savoir faire des contrôles hydrauliques et pneumatiques.
- Etre habilité aux risques électriques (hors tension et PAC).
- Etre formé sur les particularités de cette technologie.
Exemple d’outillage approprié
- Outillage d'électricien automobile.
- Outils isolés 1000V.
- Outils de contrôle pneumatique / hydraulique.
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