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La pile à combustible est considérée comme la solution d’avenir pour remplacer les véhicules thermiques. Vraie alternative au modèle électrique, la pile à combustible a pour avantage d’offrir une autonomie comparable aux véhicules thermiques, ce que ne peut offrir un modèle électrique.
Histoire
La première pile à combustible fut réalisée en 1839 par William Grove. Cette pile, fonctionnant avec de l’acide sulfurique, resta au stade de prototype, et ne servi que pour des tests en laboratoire. La première pile à combustible électrique fut réalisée en 1932 par Francis Bacon. Cependant, les recherches cessèrent suite au développement des autres types de générateur électrique. Dans les années 1970, General Electric repris les recherches pour l’aérospatiale.
Dans l’automobile, les recherches débutèrent dans les années 2000, lorsque les constructeurs japonais s’intéressèrent à ce mode de propulsion. De plus, dans certains États (Japon, Californie, …), la législation est favorable à ce type de propulsion propre. C’est ainsi que divers concepts furent présentés, avant d’aboutir au premier modèle de série, la Honda FCX disponible à la location en Californie et au Japon à partir de 2008. Le premier modèle de série sera disponible à la vente en 2015, il s’agit de la Toyota FCV.
Principe de fonctionnement
Une pile à combustible se divise en plusieurs parties. Aux extrémités, il y a une plaque positive et une plaque négative. Ensuite, il y a une anode et une cathode pour faire circuler l’électricité. Au centre, l’électrolyte permet de laisser passer les ions H+ et de faire sortir les électrons. Enfin, elle est dotée de catalyseurs, qui permettent l’accélération des réactions entre les gaz.
Tous ces composants permettent au dihydrogène (H2) et au dihydrogène (O2) d’entrer en réaction et ainsi produire du H+, qui sera stocké dans l’électrolyte et en traversant la cathode, il produira de l’eau qui sera évacuée par les échappements, de l’électricité et de la chaleur. Pour 1kW d’électricité produite, 1 kW de chaleur est évacué. Cela pose des problèmes de refroidissement dans l’automobile, car une pile qui produit 75 kW (environ 100 ch.) doit pouvoir évacuer 75 kW de chaleur.
Adaptation à l’automobile
Pour faire fonctionner les piles à combustible, on utilise du H2. Ce H2 peut être stocké de manière liquide, solide ou gazeuse. Dans l’automobile, on utilise du H2 à l’état gazeux. Ce gaz est stocké dans un réservoir avec une pression d’environ 700 bars. Le fonctionnement se fait aux alentours de 70°C, ce qui fait que l’eau n’est pas totalement sous forme gazeuse. Mais ce fonctionnement pose un problème. En effet, sous -25°C, le dégel provoque la casse de la pile, ce qui fait que même lorsqu‘on arrête le moteur, la pile continue de fonctionner au minimum pour rester à température.
Le gros avantage de la pile à combustible dans l’automobile par rapport à l’électrique est l’autonomie. Avec une pile à combustible, l’autonomie se situe entre 600 km et 1.000 km (selon la taille du réservoir), alors qu’un véhicule électrique se limite à 150 km. Cependant, le développement est moins avancé qu’un véhicule électrique, ce qui a pour conséquence qu’il est difficile pour un constructeur de sortir un véhicule à pile à combustible sous 100.000 €.
La première pile à combustible fut réalisée en 1839 par William Grove. Cette pile, fonctionnant avec de l’acide sulfurique, resta au stade de prototype, et ne servi que pour des tests en laboratoire. La première pile à combustible électrique fut réalisée en 1932 par Francis Bacon. Cependant, les recherches cessèrent suite au développement des autres types de générateur électrique. Dans les années 1970, General Electric repris les recherches pour l’aérospatiale.
Dans l’automobile, les recherches débutèrent dans les années 2000, lorsque les constructeurs japonais s’intéressèrent à ce mode de propulsion. De plus, dans certains États (Japon, Californie, …), la législation est favorable à ce type de propulsion propre. C’est ainsi que divers concepts furent présentés, avant d’aboutir au premier modèle de série, la Honda FCX disponible à la location en Californie et au Japon à partir de 2008. Le premier modèle de série sera disponible à la vente en 2015, il s’agit de la Toyota FCV.
Principe de fonctionnement
Une pile à combustible se divise en plusieurs parties. Aux extrémités, il y a une plaque positive et une plaque négative. Ensuite, il y a une anode et une cathode pour faire circuler l’électricité. Au centre, l’électrolyte permet de laisser passer les ions H+ et de faire sortir les électrons. Enfin, elle est dotée de catalyseurs, qui permettent l’accélération des réactions entre les gaz.
Tous ces composants permettent au dihydrogène (H2) et au dihydrogène (O2) d’entrer en réaction et ainsi produire du H+, qui sera stocké dans l’électrolyte et en traversant la cathode, il produira de l’eau qui sera évacuée par les échappements, de l’électricité et de la chaleur. Pour 1kW d’électricité produite, 1 kW de chaleur est évacué. Cela pose des problèmes de refroidissement dans l’automobile, car une pile qui produit 75 kW (environ 100 ch.) doit pouvoir évacuer 75 kW de chaleur.
Adaptation à l’automobile
Pour faire fonctionner les piles à combustible, on utilise du H2. Ce H2 peut être stocké de manière liquide, solide ou gazeuse. Dans l’automobile, on utilise du H2 à l’état gazeux. Ce gaz est stocké dans un réservoir avec une pression d’environ 700 bars. Le fonctionnement se fait aux alentours de 70°C, ce qui fait que l’eau n’est pas totalement sous forme gazeuse. Mais ce fonctionnement pose un problème. En effet, sous -25°C, le dégel provoque la casse de la pile, ce qui fait que même lorsqu‘on arrête le moteur, la pile continue de fonctionner au minimum pour rester à température.
Le gros avantage de la pile à combustible dans l’automobile par rapport à l’électrique est l’autonomie. Avec une pile à combustible, l’autonomie se situe entre 600 km et 1.000 km (selon la taille du réservoir), alors qu’un véhicule électrique se limite à 150 km. Cependant, le développement est moins avancé qu’un véhicule électrique, ce qui a pour conséquence qu’il est difficile pour un constructeur de sortir un véhicule à pile à combustible sous 100.000 €.
Honda FCX Clarity, une des premières voiture de série fonctionnant avec un moteur alimenté par une pile à combustible.
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Les constructeurs
Les japonais ont pris une avance indéniable dans le développement de la pile à combustible. Le premier véhicule disponible à la location est une Honda, et le premier véhicule disponible à la vente est une Toyota. Cela prouve bien que les japonais ont compris bien avant les autres l’enjeu de l’après-pétrole dans l’automobile. Du côté des américains, le groupe Général Motors a lui aussi lancé des recherches, tout comme le groupe Ford. Cependant, il n’y aura pas de véhicule de série avant 2020. En Europe, les allemands (Daimler en tête) ont déjà bien avancé dans le développement, même s’il n’y a pas de perspective de modèle de série à court terme. Pour finir, les français n’ont pas démarré les recherches. En effet, Renault s’occupe de l’électrique, avec une gamme déjà disponible (Zoé, Fluence Z.E., Kangoo Z.E.) ce qui ne lui permet pas de se lancer dans la recherche pour la pile à combustible (alors que l’un n’empêche pas l’autre). Pour le groupe PSA rien n’est lancé et rien n’est en projet, ce qui a pour conséquence que le groupe est en train d’accumuler beaucoup de retard dans la course aux véhicules propres.
L’avenir
Les recherches avancent vite, puisque seulement une quinzaine d’année après le début des recherches, le premier modèle de série est disponible à la vente en 2015. Cependant, deux problèmes se posent. D’abord, le coût, puisqu’un modèle à pile à combustible coûte cher, ce qui limite sa production. Cependant, c’est le même problème qu’a connu l’hybride quelques années auparavant. Ainsi, suite à la mise en production et à l’élargissement de l’offre, les prix devraient baisser assez rapidement.
Le deuxième problème, est la disponibilité du H2. En effet, il existe diverses façons de produire du H2, mais celles qui sont les plus répandues réclament beaucoup d’électricité, et donc produisent une forte quantité de CO2 (à relativiser par rapport au pétrole). Après la fabrication, le H2 doit être distribué. Or, il existe très peu de stations qui distribuent du H2 dans le monde. Il y en a quelques une en Californie et en Allemagne, et quelques centaines au Japon. Pour espérer vendre des véhicules à pile à combustible, il faudra impérativement développer le réseau de distribution du H2, sinon cela ne pourra pas marcher.
Hormis ces deux problèmes, la route est grande ouverte pour la pile à combustible. Avec l’hybride et l’électrique (à moindre mesure), la pile à combustible est la troisième alternative au pétrole dans le domaine de l’automobile. Et surtout, son développement est loin d’être terminé, ce qui permet d’espérer beaucoup pour l’avenir.
Les japonais ont pris une avance indéniable dans le développement de la pile à combustible. Le premier véhicule disponible à la location est une Honda, et le premier véhicule disponible à la vente est une Toyota. Cela prouve bien que les japonais ont compris bien avant les autres l’enjeu de l’après-pétrole dans l’automobile. Du côté des américains, le groupe Général Motors a lui aussi lancé des recherches, tout comme le groupe Ford. Cependant, il n’y aura pas de véhicule de série avant 2020. En Europe, les allemands (Daimler en tête) ont déjà bien avancé dans le développement, même s’il n’y a pas de perspective de modèle de série à court terme. Pour finir, les français n’ont pas démarré les recherches. En effet, Renault s’occupe de l’électrique, avec une gamme déjà disponible (Zoé, Fluence Z.E., Kangoo Z.E.) ce qui ne lui permet pas de se lancer dans la recherche pour la pile à combustible (alors que l’un n’empêche pas l’autre). Pour le groupe PSA rien n’est lancé et rien n’est en projet, ce qui a pour conséquence que le groupe est en train d’accumuler beaucoup de retard dans la course aux véhicules propres.
L’avenir
Les recherches avancent vite, puisque seulement une quinzaine d’année après le début des recherches, le premier modèle de série est disponible à la vente en 2015. Cependant, deux problèmes se posent. D’abord, le coût, puisqu’un modèle à pile à combustible coûte cher, ce qui limite sa production. Cependant, c’est le même problème qu’a connu l’hybride quelques années auparavant. Ainsi, suite à la mise en production et à l’élargissement de l’offre, les prix devraient baisser assez rapidement.
Le deuxième problème, est la disponibilité du H2. En effet, il existe diverses façons de produire du H2, mais celles qui sont les plus répandues réclament beaucoup d’électricité, et donc produisent une forte quantité de CO2 (à relativiser par rapport au pétrole). Après la fabrication, le H2 doit être distribué. Or, il existe très peu de stations qui distribuent du H2 dans le monde. Il y en a quelques une en Californie et en Allemagne, et quelques centaines au Japon. Pour espérer vendre des véhicules à pile à combustible, il faudra impérativement développer le réseau de distribution du H2, sinon cela ne pourra pas marcher.
Hormis ces deux problèmes, la route est grande ouverte pour la pile à combustible. Avec l’hybride et l’électrique (à moindre mesure), la pile à combustible est la troisième alternative au pétrole dans le domaine de l’automobile. Et surtout, son développement est loin d’être terminé, ce qui permet d’espérer beaucoup pour l’avenir.