Le fonctionnement d’une voiture à hydrogène fait appel à la pile à combustible puisque c’est elle qui produit l’électricité nécessaire au fonctionnement du moteur électrique. Voyons comment cet élément simple parvient à générer de l’électricité à bord du véhicule.
Une pile à combustible est un dispositif électrochimique dans lequel deux éléments chimiques, l’hydrogène et l’oxygène, réagissent pour produire de l’électricité.
On peut dire qu’elle est similaire à une batterie électrique classique à la différence que la substance qui fait office d’anode et de cathode n’est pas stockée à l’intérieur de la batterie, mais à l’extérieur !
Ainsi, une pile à combustible génère de l’électricité tout en injectant de l’hydrogène et de l’oxygène.
Comment l’énergie est-elle produite dans une pile à combustible ?
Le processus commence lorsque l’hydrogène à l’état gazeux H2 se dissocie pour donner deux atomes d’hydrogène. Ces atomes cèdent leur seul électron et leur noyau (le proton) traverse une membrane polymère poreuse.
De l’autre côté de la membrane, l’hydrogène réagit avec l’oxygène pour produire de l’eau et réclame en même temps son électron, dont l’énergie a servi à générer l’électricité nécessaire au fonctionnement du moteur électrique.
Combien coûte la fabrication d’une pile à combustible ?
Pour fonctionner, la pile à combustible utilise des catalyseurs comme le platine, un matériau très coûteux.
Actuellement, une pile à combustible coûte 200 €/kW et devrait tomber à 160 € à court terme, voire moins. Cela indique, par exemple, que la pile à combustible de la Toyota Mirai coûte environ 20 000 euros !
Autrement dit, c’est une solution encore plus coûteuse que la batterie lithium-ion.
Est-il plus difficile de fabriquer une voiture à pile à combustible qu’une voiture équipée de batteries lithium-ion ?
Pour toutes ces raisons, construire un véhicule à hydrogène est une tâche plus compliquée que construire un véhicule électrique avec des batteries lithium-ion car il ne s’agit pas seulement d’assembler une pile à combustible et des réservoirs cryogéniques pour stocker l’hydrogène sur un châssis.
Sa fabrication est quelque chose de plus complet et il est donc nécessaire de définir comment résoudre un équilibre complexe technologique, économique et de performances afin de produire une voiture économiquement viable, ce qui n’est pas encore le cas.
Les variables à considérer sont les suivantes. D’une part, nous avons la puissance de la pile à combustible puisque cette caractéristique détermine son poids, son volume et évidemment son coût.
D’autre part, il faut penser à la capacité des réservoirs d’hydrogène, qui occupent un volume considérable et affectent principalement l’autonomie maximale, en plus d’être très coûteux puisque pour maintenir l’hydrogène à l’état liquide il doit être à des températures négatives trop basses. .
La troisième variable est la capacité de la batterie supportant la pile à combustible. Deux facteurs dépendent de cette capacité : l’autonomie en mode électrique et la puissance maximale de la voiture.
Le coût au kilomètre est-il le même qu’une voiture équipée de batteries lithium-ion ?
Le premier de ces facteurs est important étant donné que le coût par kilomètre parcouru avec de l’hydrogène est plus cher si l’on utilise un carburant conventionnel, tandis que le coût par kilomètre parcouru avec de l’énergie électrique rechargée à la maison est plusieurs fois inférieur.
Le deuxième facteur est pertinent car lorsque l’on veut obtenir rapidement des performances maximales, on ne peut pas dépendre de la pile à combustible, car la fourniture de puissance n’est pas immédiate car il y a un certain retard (lag). De plus, étant donné que la puissance kW fournie par les batteries est nettement moins chère que celle obtenue par une pile à combustible, il semble raisonnable de fournir des courants importants à l’un de ces appareils.
Enfin, cela nous permettrait de disposer d’une puissance de freinage récupérative importante et de la capacité nécessaire pour stocker cette énergie.
Quels types de systèmes de propulsion peuvent adopter la pile à combustible ?
Le résultat de toutes ces énigmes est qu’autour d’une pile à combustible on peut construire des véhicules à hydrogène avec diverses configurations : PHEV à hydrogène ; avec un prolongateur d’autonomie, ou simplement un véhicule à hydrogène sans fonction plug-in, comme c’est le cas des exemples actuels de Honda (Clarity), Hyundai (Nexo) et Toyota (Mirai).
Mais nous parlerons de ces différentes solutions dans un autre article.