Bien que les véhicules électriques et les véhicules hybrides reposent sur des technologies en pleine maturation, il reste encore beaucoup à faire pour stocker l’énergie électrique de manière sûre, pratique et rentable. La plupart des constructeurs du monde entier étudient des moyens d’utiliser l’hydrogène comme solution alternative aux batteries de stockage coûteuses, pour générer l’électricité nécessaire au fonctionnement des moteurs à traction électrique.
Les piles à combustible à membrane d’échange de protons, également connues sous le nom de piles à combustible à membrane électrolyte polymère (ou PEMFC), équipent déjà des séries limitées de véhicules de tourisme tels que la Toyota Mirai.
Les piles à combustible sont constituées d’un assemblage membrane-électrode (MEA) intercalé entre des séparateurs. Un MEA est une membrane d’électrolyte polymère rigide à laquelle sont appliquées des couches de catalyseur.
Ces cellules génèrent de l’électricité par une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène : l’hydrogène et l’air ambiant sont dirigés vers l’anode (électrode négative) et la cathode (électrode positive) des piles à combustible pour générer de l’électricité.
Étant donné qu’une cellule produit moins d’un volt, plusieurs centaines de cellules sont connectées en série pour augmenter la tension. Ce corps de cellules combiné est appelé un empilement de piles à combustible.
Bien que les petites piles à combustible à membrane électrolyte polymère fonctionnent à une pression atmosphérique standard, les piles à combustible plus grandes (de 10 kW ou plus) fonctionnent généralement à des pressions plus élevées. Les avantages et les inconvénients d’opérer à des pressions plus élevées sont complexes et ne sont pas clairement définis, car de nombreux points de vue convaincants sont présents des deux côtés.
Suralimenter les piles à combustible à hydrogène
Comme avec les moteurs à combustion interne conventionnels, le but d’augmenter la pression dans une pile à combustible est d’augmenter la puissance, ceci en extrayant plus de puissance de la même taille de pile. Idéalement, le coût, la taille et le poids supplémentaires de l’équipement de compression sont inférieurs au coût, à la taille et au poids d’un plus grand empilement de piles à combustible.
Dans le cas des moteurs à combustion, les avantages l’emportent nettement sur les inconvénients. Mais avec les piles à combustible, l’équilibre avantages/désavantages est beaucoup plus restreint. Cela tient avant tout au fait que les gaz de sortie des PEMFC contiennent peu d’énergie. Le compresseur doit ainsi être alimenté en grande partie ou intégralement à l’aide de la précieuse énergie électrique produite par la pile à combustible.
Illustration 1: Schéma d’un système de pile à combustible
source de l’image: James Larminie, Andrew Dicks «Fuel Cell Systems Explained»
Le type le plus simple de pile à combustible à membrane électrolyte polymère sous pression est celui dans lequel l’hydrogène gazeux provient d’un cylindre à haute pression. Dans cette conception, seul l’air doit être comprimé: l’hydrogène est alimenté par un réservoir sous pression, ce qui signifie que la compression est indépendante. Cette méthode d’alimentation en hydrogène ne nécessite aucune ventilation ou circulation de gaz ; l’hydrogène est entièrement consommé par la cellule.
Cependant, le compresseur d’air doit être entraîné par un moteur électrique, qui consomme naturellement une partie de l’électricité précieuse générée par la pile à combustible. En règle générale, la consommation d’énergie représente environ 20 % de la puissance d’un système de 100 kW. Comme dans les moteurs à combustion, l’air comprimé doit également être refroidi avant de pénétrer dans la cellule pour obtenir une efficacité optimale.
Équilibrer la pression pour optimiser les performances
Étant donné qu’il s’agit d’une technologie récente et en pleine évolution, la fiabilité et la durabilité de ces piles à combustible « suralimentées » doivent être testées et développées avant une adoption à grande échelle. Par conséquent, des travaux de recherche et de développement considérables sont en cours pour améliorer les performances et la durée de vie de ces piles à combustible.
Les tests effectués dans des conditions contrôlées constituent une étape importante vers la viabilité et l’adoption des piles à combustible. Il est essentiel de disposer de données de mesure détaillées pour créer des modèles de fonctionnement des piles à combustible. Cependant, malgré un intérêt généralisé, les techniques de mesure appropriées sont encore en cours de développement.
Généralement, les piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEMFC) fonctionnent à des pressions comprises entre la pression ambiante et une pression d’environ 3 bars, et à des températures comprises entre 50 et 90° C. Une densité de puissance élevée est obtenue à des pressions de fonctionnement plus élevées, mais l’efficacité du système peut être inférieure en raison de la puissance nécessaire pour comprimer l’air. Des températures d’air plus élevées augmentent également la densité de puissance, mais peuvent constituer un défi important pour la gestion de l’eau et de la chaleur, en particulier à des pressions de fonctionnement plus basses.
Par conséquent, le choix des températures et des pressions de fonctionnement des systèmes PEMFC automobiles doit être fondé sur : (a) Le rendement net du système; (b) La petite taille des composants ; et (c) Un bilan hydrique neutre ou positif, de sorte que le véhicule ne nécessite pas un réservoir à bord.
L’augmentation de la puissance de fonctionnement d’un système PEMFC à pression élevée résulte principalement d’une réduction de la surtension d’activation de la cathode, car la pression accrue augmente la densité de courant d’échange, ce qui a pour effet de relever la tension de circuit ouvert (uCO), comme décrit dans l’équation de Nernst.
Mais comme mentionné précédemment, cette suralimentation se fait au détriment de la puissance produite par la pile à combustible sous pression, d’où l’importance d’équilibrer la pression aux exigences spécifiques de la pile à combustible. Comme avec les moteurs à combustion, la suralimentation ne peut être effectuée qu’en prenant des mesures de pression précises, à l’aide de capteurs de pression de haute qualité minutieusement calibrés pour cette application.
Ces mesures de pression, enregistrées avec des capteurs professionnels fournis par STS, sont ensuite comparées au rendement de la pile à combustible pour minimiser les pertes parasites tout en optimisant les gains de rendement électrique.
Au fur et à mesure que la technologie des piles à combustible arrive à maturité et que les données collectées lors d’essais en condition réelles permettent de produire des modèles prédictifs, les ingénieurs et les chercheurs du secteur automobile bénéficient d’une meilleure compréhension des relations complexes entre la température, la pression et le rendement des piles à combustible. Il ne fait aucun doute que ces recherches reposent principalement sur l’usage de capteurs de haute qualité, capables de fournir des données extrêmement précises.
