Transport électrique routier – Véhicules à pile à combustible

1 - Notions de base

• 1.1 - Problématique du véhicule électrique
  Figure 1 - « La Jamais Contente », premier véhicule à dépasser la vitesse de 100 km/h, équipé d'une propulsion électrique (1899) Figure 2 - La Peugeot 106 électrique, exemple de modèle de véhicule électrique commercialisé en France à partir de 1996 Figure 3 - La Toyota Miraï, véhicule hybride pile à combustible – batterie Figure 4 - La Tesla, voiture électrique aux fonctionnalités proches de celles d'une voiture thermique
• 1.2 - Différents types de piles à combustible
  Figure 5 - Principe de fonctionnement de la pile à combustible (exemple de la PEMFC alimentée en hydrogène) Figure 6 - Évolution de la densité de puissance des piles au cours des dernières décennies Tableau 1
• 1.3 - Architecture des piles à combustible

  • Quiz d'entraînement
  Figure 7 - Configuration filtre-presse d'un empilement de pile à combustible (exemple d'une PEMFC) Figure 8 - Nombre annuel de publications scientifiques relatives aux plaques bipolaires composites ou métalliques pour les piles PEMFC (source : SCOPUS)

2 - Système à pile à combustible

• 2.1 - Tension d'une cellule de pile à combustible
  Figure 9 - Visualisation des irréversibilités de la réaction sur une caractéristique tension-courant
• 2.2 - Rendement d'une pile à combustible

  • Quiz d'entraînement
  Figure 10 - Énergie électrique et thermique produite par une cellule Figure 11 - Exemple d'évolution des rendements de système et de pile en fonction de la puissance pour un système représentatif de l'application automobile
• 2.3 - Mise en œuvre pratique du système

  • Quiz d'entraînement
  Figure 12 - Exemple de système simplifié capable de produire quelques watts, nécessitant uniquement une alimentation d'hydrogène Figure 13 - Décomposition d'un système à pile à combustible en sous-systèmes fonctionnels Figure 14 - Estimations et projections de coût du système à pile à combustible pour application transport par le Department Of Energy américain (d'après [18]) Figure 15 - Principe du vaporeformage du méthanol, couplé à une pile à combustible Tableau 2
• 2.4 - Dimensionnement du système

  • Quiz d'entraînement
  Figure 16 - Cycle routier normalisé NEDC (directive 91/441 relative aux émissions – directive 93/116 relative aux consommations) Figure 17 - Cycle routier WLTC, adopté dans le texte ECE/TRANS/WP.29/2014/27 de la Commission économique des Nations unies pour l'Europe (d'après [10]) Figure 18 - Profil de vitesse et de puissance suivant un cycle MVEG pour un véhicule de 2 000 kg Figure 19 - Demande de puissance pour le système avec deux stratégies d'hybridation Figure 20 - Véhicule HyKangoo de SymbioFCell équipé d'un prolongateur d'autonomie de 5 kW Figure 21 - Tension de cellule en fonction de l'humidité relative à l'anode et à la cathode pour une température de pile de 80 °C Figure 22 - Tension de cellule en fonction de l'humidité relative à l'anode et à la cathode pour une température de pile de 60 °C Figure 23 - Schéma de principe d'un humidificateur à membrane Figure 24 - Schéma d'une roue enthalpique (société Emprise) Figure 25 - Exemple d'influence de la pression de fonctionnement sur la courbe de polarisation d'une cellule Figure 26 - Exemple de couplage compresseur – turbine (d'après [11]) Figure 27 - Puissance à fournir en fonction de la pression absolue et de la stœchiométrie dans le cas d'un compresseur seul ou d'un compresseur avec turbine de récupération Figure 28 - Stratification de l'azote à l'anode (échanges avec la cathode) Figure 29 - Système comprenant une pile de 100 kW avec refroidissement pile par évaporation (d'après [12]) Figure 30 - Système de 3 kW alimenté au diesel
• 2.5 - Dimensionnement de la pile à combustible
  Figure 31 - Exemple de tension de cellule en fonction du rapport à la stœchiométrie obtenue pour une densité de courant de 0,5 A/cm2 et une pression de 1,5 bar absolu
• 2.6 - Architecture électrique, gestion d'énergie
  Figure 32 - Architecture électrique classique pour la partie haute puissance dans un véhicule électrique
• 2.7 - Sécurité du véhicule à pile à combustible
  Tableau 3
• 2.8 - Exemple de dimensionnement d'un véhicule
  Figure 33 - Profils de puissance du véhicule Figure 34 - Profil de puissance délivrée par la batterie Figure 35 - Profil de puissance fournie par le système à pile à combustible Figure 36 - Profil de rendement pour la pile et pour le système et consommation d'hydrogène

3 - Le carburant, principal point faible ?

• 3.1 - Stockage d'hydrogène
  Tableau 4
• 3.2 - Infrastructure de distribution de combustible
  Figure 37 - Filière hydrogène partant de la production jusqu'aux consommateurs Figure 38 - Réseau hydrogène Air Liquide du nord de l'Europe (source Alphéa et AFH2)

4 - Conclusion

• Quiz d'entraînement

5 - Annexe – Fournisseurs

Tableau 5 Tableau 6 Tableau 7 Tableau 8 Tableau 9 Tableau 10

Test de validation