Fonctionnement de la voiture à hydrogène
L’hydrogène est le premier élément du tableau de Mendeleiev. Cet atome est constitué d’un seul proton et d’un seul électron. Très réactif, il n’est jamais présent en tant que tel dans la nature.
L’utilisation industrielle qui en est faite est sous sa forme liée dihydrogène, H2. Par abus de langage, cette molécule est souvent appelée “hydrogène”.
source : Wikimedia Commons (dernière modification juin 2018) Tableau de Mendeleiev. (licence Creative Commons) Consulté le 14/06/2019 à l'adresse https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tableau_périodique_des_éléments.svg
Principe général
La voiture à hydrogène est une voiture électrique qui produit sa propre électricité. Elle n’a pas besoin de transporter de batterie, et utilise directement l’énergie produite pour alimenter un moteur électrique. Seulement, il faut disposer d’un réservoir qui puisse contenir du dihydrogène dans la voiture.
La production électrique à partir d’hydrogène au sein de la voiture est assurée par une pile à combustible. Ce type de véhicule affiche un rendement pour le couplage moteur électrique et pile à combustible égal au double de celui d’un moteur thermique conventionnel (20-25%).
La pile à combustible et son fonctionnement
Historiquement, la première pile à combustible à été inventée en 1839 par William Robert Grove. Cependant, les premières utilisations concrètes de ce dispositif concernent les missions spatiales du 20ème siècle, dont Apollo et Gemini. Plus récemment, les piles à combustible ont connu un important regain d'intérêt.
Une pile à combustible (PAC) est un générateur d'énergie qui transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Très schématiquement, elle est constituée de deux électrodes (une anode et une cathode), séparées par un électrolyte (matériau qui bloque le passage des électrons). D'une part, le dihydrogène est amenée sur l'anode où il se dissocie en électrons et en ions (protons H+). Contrairement aux ions, les électrons ne peuvent traverser l'électrolyte et empruntent alors un chemin alternatif. C'est ce parcours des électrons via un circuit externe vers la cathode qui crée le courant. D'autre part, à la cathode, les ions et les électrons se recombinent avec le dioxygène de l'air. Cette réaction de réduction génère de l'eau et de la chaleur (en plus du courant électrique généré dans le circuit externe). Afin d'accélérer la réaction, il faut un catalyseur. Le plus utilisé est le platine. Il est cependant rare et coûteux. [rapport 7]
L'utilisation de la PAC pour l'automobile
Il existe différents types de piles à combustibles, qui utilisent des électrolytes et électrodes de natures diverses, en fonction des applications. La PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, ou pile à membrane à échange de protons) est celle utilisée par les constructeurs automobiles. En effet, celle-ci offre des conditions de fonctionnement adaptées à ce secteur. En plus d'utiliser un électrolyte solide, ce qui lui offre une durée de vie plus longue, elle fonctionne à basse température (autour de 60°), permettant ainsi un démarrage rapide. Enfin, ce genre de pile est très compacte, ce qui en fait un choix idéal pour les véhicules automobiles.
Comment fonctionne la voiture en pratique ?
Les véhicules à hydrogène actuellement sur le marché embarquent un réservoir stockant de l'hydrogène comprimé à 700 bars. Les volumes de dihydrogène embarqué atteignent les 125L, ce qui permet une autonomie de 500Km. Ainsi, les véhicules à hydrogène offrent une autonomie et une vitesse de recharge équivalentes à celles des voitures à essence classique : le consommateur ne sera pas déçu de ce point de vue la, et son confort d'utilisation ne sera par conséquent pas affecté. Bien au contraire, tous les avantages de la voiture électrique sont présents : une accélération, un couple et un silence caractéristiques du moteur électrique. L'absence de rejets polluants est également à noter puisque les pots d'échappements ne rejettent que de la vapeur d'eau.
En parallèle, le véhicule transporte une batterie relativement compacte qui sert de tampon. Elle permet de stocker le surplus de production de la pile et restitue cette énergie au besoin (lors du démarrage par exemple).