Comment fonctionne une pile à combustible à hydrogène ? - Chroniques

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Comment fonctionne une pile à combustible à hydrogène ?

Explication détaillée des véhicules à pile à combustible à hydrogène que proposent certains constructeurs d’automobiles.

21 septembre 2021

Toyota

Bien que le véhicule électrique à batterie prenne de plus en plus de place dans le parc automobile, il existe une autre alternative dans l’offre des véhicules zéro émission : la pile à combustible à hydrogène. Mais de quoi s’agit-il exactement et, surtout, comment fonctionne cette technologie ? Voici quelques explications. 

Avant d’aller plus dans le détail, ce qu’il faut retenir du véhicule à pile à combustible à hydrogène, c’est qu’il s’agit d’un véhicule électrique. Il se distingue par la provenance de son énergie. Au lieu d’utiliser une batterie comme source d’alimentation principale, il utilise une pile à combustible qui se charge de produire de l’électricité en provoquant une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène de l’air.

Bien que ce genre de technologie ait vu le jour dans l’automobile durant les années 60 avec le concept GM Electrovan, c’est surtout au début des années 2000 que la technologie a commencé à porter ses fruits pour un usage à grande échelle. Plusieurs constructeurs se sont depuis lancés dans l’hydrogène, comme Honda, Toyota, Hyundai, Mercedes-Benz et BMW ; mais ce sont surtout Honda, Toyota et Hyundai qui ont fait progresser l’hydrogène de façon importante avec des véhicules comme la Toyota Mirai, la Honda Clarity FCEV et le Hyundai Nexo.

Toyota Mirai 2016

Tout comme un véhicule qui carbure à l’essence, l’automobiliste n’a qu’à remplir d’hydrogène le réservoir du véhicule à une station-service spécialisée. Il s’agit d’un gaz et non d’un liquide. Le remplissage ne requiert que quelques minutes, et tout comme un véhicule électrique, ce genre de véhicule n’émet aucune émission de GES quand il circule. En réalité, ce qui sort du tuyau d’échappement, c’est de la vapeur, résultat de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène dans la pile à combustible.

 



Fonctionnement et applications

Un véhicule à pile à combustible à hydrogène comprend quatre éléments clés : un réservoir d’hydrogène, une pile à combustible qui se charge d’extraire les électrons de l’hydrogène, une petite batterie (soit lithium-ion ou nickel-métal-hydrure) qui est beaucoup moins volumineuse que celle d’un véhicule électrique ordinaire, et un moteur électrique qui se charge d’entraîner les roues. La batterie sert à stocker l’énergie pendant une courte durée, un peu comme dans une voiture hybride.

Voiture à pile à combustible à hydrogène

La pile à combustible fonctionne à titre de catalyseur, c'est-à-dire que son objectif premier consiste à extraire les électrons de l’hydrogène. Par un procédé qui fait grossièrement penser à celui de l’électrolyse, la pile rejette les résidus – c'est-à-dire l’eau sous forme de vapeur - et emmagasine l’électricité dans la batterie au lithium-ion.

Les piles à combustible qui sont en circulation dans le parc automobile ont une durée de vie d’environ 5 000 heures, ou l’équivalent de 160 000 kilomètres. Les constructeurs d’automobiles estiment toutefois pouvoir améliorer cette durée de vie d’environ 50 % au cours des cinq prochaines années.

Cette technologie est actuellement utilisée dans l’automobile, mais elle demeure néanmoins embryonnaire, car très peu de modèles sont proposés. Les piles à combustible à hydrogène ont toutefois une plus grande utilité dans l’industrie du camionnage ainsi que des véhicules industriels et agricoles.

Toyota Mirai 2022

Avantages et inconvénients

L’argument qui permet à l’hydrogène d’être plus alléchant que l’électrique, c’est la vitesse de remplissage qui s’effectue qu’en quelques minutes. Les véhicules à pile à combustible à hydrogène proposent également une plus grande autonomie que les véhicules électriques à batterie, et cette technologie n’est pas affectée par le froid. C'est-à-dire que son autonomie demeure constante 12 mois par année. En outre, contrairement à l’électricité qui ne peut être stockée qu’en utilisant des batteries, l’hydrogène peut être conservé dans des réservoirs tout comme l’essence, et ce, pendant de longues périodes.

Mais il y a de gros éléphants dans la pièce quand on analyse cette technologie : sa production, son transport et le manque flagrant d’infrastructures.

Hyundai Nexo FCEV

L’extraction de l’hydrogène est un procédé qui peut nécessiter beaucoup de ressources et une quantité énorme d’électricité. Ce ne sont pas toutes les régions du monde qui ont la chance de pouvoir produire de l’électricité de façon propre comme le Québec.

Il y a ensuite la question du transport. Si notre hydrogène provient d’une autre région, il faudra l’apporter ici par camion lourd, par train ou par bateau, ce qui vient ternir son image de carburant vert. Enfin, le coût de remplissage de l’hydrogène éprouve actuellement de la difficulté à concurrencer celui de l’essence. Dans un monde où la recharge d’une batterie de véhicule électrique coûte quelques dollars depuis une borne à domicile, l’argument de l’hydrogène avec son coût moyen de 75 $ pour faire le plein n’a aucun sens.

Hyundai Nexo FCEV

Enfin, il y a le problème des infrastructures. Au moment d’écrire ces lignes, il n’existe que trois stations d’hydrogène au Québec.

Il existe toutefois des manières de proprement extraire l’hydrogène, surtout ici au Québec où nous avons de l’eau et de l’électricité en grande quantité. Le Québec a le potentiel de devenir un producteur mondial d’hydrogène et d’approvisionner les régions du monde qui n’ont pas la chance de produire de l’hydroélectricité propre et renouvelable. Cela étant dit, il est clair que, d’un point de vue énergétique et, surtout, de coûts, le véhicule électrique à batterie demeure beaucoup plus avantageux sur le territoire québécois.

 

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