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Pile à combustible à hydrogène : l'éternelle promesse

Il faut également mentionner la Honda Clarity et le Hyundai Tucson FCEV, qui sont tous trois des voitures très chères - environ 60 000 euros - produites au compte-gouttes et qui ne sont guère entre les mains des particuliers. Ces problèmes, auxquels s'ajoute une infrastructure de ravitaillement dédiée quasi inexistante en dehors de quelques endroits spécifiques, ne les rendent pas vraiment attrayants pour le grand public.

Voyons comment il fonctionne pour mieux le comprendre.


Qu'est-ce qu'une pile à combustible ?

Il s'agit essentiellement d'un dispositif qui, grâce à un combustible et un oxydant, génère une réaction chimique d'oxydation à l'anode qui libère des électrons, lesquels passent dans l'électrolyte, se recombinent à la cathode par réduction et, par conséquent, produisent de l'électricité. Pour simplifier, nous pouvons dire que deux éléments chimiques entrent, et qu'en conséquence nous obtenons de l'électricité et un autre élément chimique. Dans le cas des véhicules, l'hydrogène (H2) et l'air (O2) entrent, qui réagissent à travers un électrolyte pour fournir de l'électricité et de l'eau (H2O).

Les véhicules à pile à combustible sont électriques, sauf qu'au lieu d'accumuler toute l'énergie obtenue à partir d'une source externe (prise ou panneau solaire), ils la génèrent à bord avec un carburant qui devra être rechargé. Ils ont un avantage évident en matière d'autonomie, car ils font plus de kilomètres par "recharge" et celle-ci ne prend que quelques minutes. En revanche, elles présentent l'inconvénient évident de nécessiter un hydrogène de très grande pureté, sous peine de contaminer les matériaux délicats et coûteux qui composent les batteries.

Pour mieux comprendre, je vous laisse une vidéo très explicative sur les piles à hydrogène :

Types de piles à combustible

En fonction du carburant utilisé, il peut s'agir d'hydrogène, de méthanol, d'éthanol ou de glucose. Dans le cas des véhicules, le carburant le plus courant est l'hydrogène, mais la classification la plus courante se fait en fonction de l'électrolyte utilisé.


  • Piles à combustible avec membranes PEM (Proton Exchange Membrane) : ce sont les plus utilisées dans l'industrie automobile (DuPont fabrique généralement la membrane), principalement parce qu'elles fonctionnent à basse température, c'est-à-dire entre 60 et 80 ºC. Les charges mobiles sont des ions H+.
  • AFC (piles à combustible alcalines) : dans ce cas, elles fonctionnent à une température plus élevée, environ 120ºC. Dans ce cas, les charges qui traversent le catalyseur sont des ions OH-.
  • Piles à combustible PAFC (piles à combustible à acide phosphorique) : elles fonctionnent à haute température, environ 220 ºC, elles utilisent de l'acide phosphorique comme électrolyte, et les charges en mouvement sont H+.
  • Piles à combustible MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) : elles sont utilisées dans les grandes centrales électriques. Ils fonctionnent à très haute température, entre 600 et 700 ºC, et les charges en mouvement sont du CO32-.
  • SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) : Très similaires aux précédentes, elles fonctionnent entre 600 et 1 000 ºC, et sont utilisées dans les grandes installations comme récupérateurs de chaleur. Les charges mobiles sont des ions O2-. Nissan a présenté cette année un prototype de e-NV200 alimenté par une cellule SOFC au bioéthanol.

L'utilisation de l'hydrogène garantit les émissions les plus propres, uniquement de la vapeur d'eau, les autres solutions générant davantage de déchets.

L'application dans les véhicules

Et comment appliquer cela à un véhicule ? Eh bien, la vérité est que beaucoup de choses ont changé depuis que GM a lancé son Electrovan. Les composants ont été tellement simplifiés et miniaturisés que leur conditionnement s'adapte désormais à presque toutes les plateformes. En général, un véhicule à pile à hydrogène est fondamentalement un véhicule électrique, dont de nombreux composants sont communs aux modèles à batterie. En général, il se compose des parties suivantes :


  • Réservoirs de carburant (hydrogène)
  • Pile à combustible à hydrogène
  • Batteries de secours
  • Un ou plusieurs moteurs électriques

Le carburant passe dans l'air, traverse la pile à hydrogène et produit de l'électricité et de l'eau. Cela permet de charger la batterie de secours et d'entraîner le véhicule grâce aux moteurs électriques.

Comme vous le comprendrez, ce sont les réservoirs d'hydrogène qui prennent le plus de place, car ce sont des cylindres pressurisés, qui doivent maintenir le gaz à l'état liquide pour minimiser le volume qu'ils occupent. Tout au long de l'évolution de la voiture à pile à hydrogène, ils ont été le grand casse-tête des concepteurs. L'hydrogène comprimé a une très faible densité par unité de masse (il pèse très peu) mais occupe beaucoup d'espace en raison de sa faible densité par unité de volume.

Remplir ses réservoirs ne prend pas plus de temps que de faire le plein d'essence. Bien sûr, bien qu'il bénéficie déjà de niveaux de sécurité très élevés, la manipulation de l'hydrogène reste dangereuse... et étrange. Quelqu'un a-t-il vu une usine d'hydrogène ? Et cela nous amène à la question suivante : pourquoi cette technologie n'a-t-elle pas réussi ?

L'avenir

Malgré un investissement de plus de 2 500 millions de dollars, 50 ans d'efforts et plus de 5 millions de kilomètres parcourus en conditions réelles dans le cas de General Motors, elle n'a pas décollé. Et deux facteurs fondamentaux l'empêchent de décoller : le développement de l'infrastructure de ravitaillement est très rare et le prix des composants, et donc des véhicules, est très élevé.


Si l'on ajoute à cela que la voiture électrique arrive très vite à maturité, et fait baisser son prix, j'ai le sentiment que les voitures à hydrogène sont l'équivalent des vidéos Betamax des années 70-80 : elles ont échoué avant de naître ... mais pas complètement. Il semble qu'il existe des niches où ils peuvent être très intéressants, comme les applications militaires (voir le ZH2 de GM) ou le transport lourd, tant pour les passagers (le Toyota H2, créé pour les Jeux olympiques de Tokyo de 2020) que pour les marchandises (Nikola One, Renault Maxity).

Quoi qu'il en soit, qu'il réussisse ou non, nous devrions être reconnaissants des efforts de R&D déployés par certaines entreprises telles que GM, pour nous amener à la prochaine génération de véhicules non polluants.

Les fabricants estiment que cette technologie coexistera avec les véhicules électriques purs dans un avenir où les combustibles fossiles auront perdu leur importance, c'est-à-dire au-delà de 2030. La pile à combustible est plus intéressante pour les véhicules de grande taille ou ceux qui doivent parcourir de longues distances, tandis que les véhicules électriques purs sont plus adaptés aux courtes ou moyennes distances. Il s'agit donc de technologies complémentaires, l'une ne remplaçant pas l'autre.

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