La pile à combustible : une solution simple pour une équation complexe

Etendre la mobilité et l’accès à l’énergie à une plus grande partie de l’humanité, tout en minimisant les émissions de gaz à effet de serre ; cette équation semble ne pouvoir se résoudre sans une solution alternative que représente l’hydrogène vert (i.e., hydrogène produit selon un processus 100% décarboné).
Nous traiterons ici d’un élément central pour l’utilisation de l’hydrogène : la pile à combustible.

Qu’est-ce que c’est ?

Mais d’abord, qu’est-ce qu’une pile à combustible ? 
Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui combine l’hydrogène et l’oxygène de l’air pour générer, grâce à une réaction d’oxydo-réduction, de l’énergie électrique ; l’eau et la chaleur sont les seuls sous-produits.

Dispositif de pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène
Source : FUTUREMAG – ARTE

Elle fournit de l’électricité de la même manière qu’une pile classique et présente l’avantage de se suffire à elle-même. En effet, à la différence d’une pile classique qui doit d’abord charger, puis stocker et enfin libérer de l’énergie électrique ; la pile à combustible produit de l’électricité en continu. Alors tant qu’elle est alimentée par une source externe de combustible (l’hydrogène en l’occurrence), elle génère de l’énergie électrique.

Comment marche une pile à combustible ?

Si toutes les piles à combustibles présentent la même composition : un électrolyte et deux électrodes (voir ci-dessous), on recense six principaux types de piles à combustibles : 

  • PEM (membrane échangeuse de protons) 
  • DMFC (pile à combustible au méthanol direct) 
  • MCFC (pile à combustible à carbonate de molton) 
  • PAFC (pile à combustible à acide phosphorique) 
  • SOFC (pile à combustible à oxyde solide)  
  • AFC ( pile à combustible alcaline) 

La technologie PEM est la plus répandue en raison de sa polyvalence, de sa durabilité et de sa large portée d’applications. 

Assemblage d’électrode à membrane
Source : Wikipedia & CHFCA

Une seule pile à combustible est constituée d’un électrolyte pris en sandwich entre deux électrodes. L’oxygène de l’air passe sur une électrode et l’hydrogène sur l’autre, produisant de l’électricité, de l’eau et de la chaleur. Les plaques bipolaires de chaque côté de la cellule aident à distribuer les gaz et à collecter le courant électrique.

Au niveau de l’anode, la molécule d’hydrogène est séparé en ions et électrons à l’aide de platine (ou d’un catalyseur similaire), créant un courant électrique.
C’est l’oxydation : 2 H →  4 H+ + 4 e

Les électrons voyagent à travers un circuit externe, générant la quantité d’énergie requise, tandis que les ions traversent l’électrolyte jusqu’à la cathode où, à l’aide d’un autre catalyseur, ils se joignent aux atomes d’oxygène pour produire de l’eau.
C’est la réduction : O2 + 4 H+ 4 e–  →  2 H2O

Les avantages d’une pile à combustible

Les principaux avantages des piles à combustibles sont leur : 

  • Haut rendement énergétique 
  • Ravitaillement rapide 
  • Fiabilité 
  • Absence d’émissions de GES 
  • Faible niveau sonore (faible vibration) 
  • Format compact 
  • Faibles coûts de maintenance 
  • Longévité 
  • Adaptabilité aux longues portées, dans le cas de la mobilité lourde et intensive

Les piles à combustibles sont pour la plupart, constituées en bloc, c’est à dire une superposition de plusieurs piles à combustibles uniques. Cette spécificité de configuration lui procure une grande modularité face à la quantité d’énergie requise dans son utilisation. Que ce soit pour alimenter un drone, un train, un poids lourd ou un bâtiment, la pile à combustible trouve son format adéquat. 

Nous verrons par la suite comment cette électricité générée pourra par exemple alimenter un moteur électrique pour entraîner les roues d’un véhicule.

Les champs d’applications

Aujourd’hui, l’Association canadienne de l’hydrogène et des piles à combustibles (CHFCA) recense plusieurs champs d’applications des piles à combustible hydrogène :

Transport

  • Voitures particulières, 
  • Autobus (transports urbains et autobus scolaires) 
  • Camions (livraison urbaine, ordures, camions de factage près des ports, camions de distribution, transporteurs de fret), 
  • Chariots élévateurs,  
  • Équipement de soutien au sol d’aéroport,  
  • Drones, avions, trains, bateaux (navires, ferries et bateaux de plaisance)

Stationnaire 

  • Puissance et chauffage primaires pour les maisons et les bâtiments;  
  • Alimentation de secours pour l’éclairage critique, le générateur ou d’autres utilisations en cas de panne des systèmes ordinaires;  
  • Alimentation sans interruption (UPS) pour fournir une protection instantanée contre les pannes de courant

Portable

  • Electronique grand public 
  • Équipement de chantier à distance 
  • Génératrices de courant électrique

Nous mettons en lumière deux applications des piles à combustibles, les chariots élévateurs et les camions à hydrogène. 

Piles à combustibles pour le transport lourd

La configuration du transport lourd ou intensif octroie une excellente adaptabilité à l’utilisation de pile à combustible à hydrogène. Effectivement, celle-ci offre une très bonne autonomie, un poids et volume embarqué raisonnable, pour des performances similaires au transport au moteur diésel.

Comme présenté dans la vidéo ci-dessous (en Anglais uniquement), la pile à combustible fournit l’énergie suffisante au système électrique haute-tension d’un camion. Celui-ci est connecté à la fois à un moteur de propulsion électrique et à une batterie d’appoint.  

Si la pile à combustible produit plus d’électricité qu’il n’en faut pour le moteur, la batterie se recharge. La batterie d’appoint est à double usage, elle permet de rajouter de la puissance et de prendre le relais lorsque le réservoir se tarit en hydrogène.

Source : Volvo Group videos

Aussi, les camions à pile à combustible à longue portée offrent des avantages significatifs par rapport aux camions électriques à batterie pure, car le poids est l’ennemi du kilométrage dans cette application. Gagner en autonomie sans réduire la charge utile qu’un camion peut transporter, est un défi que la pile à combustible peut relever. La rapidité de recharge est aussi cruciale pour les flottes de camions dont les schémas de fret n’autorisent pas les temps d’arrêt prolongés.

Pile à combustibleBatteriesMoteur thermique
CarburantHydrogène vertÉlectricité réseauDiésel/GNL/Essence
Temps de rechargeMinutesHeuresMinutes
AutonomieGrandeLimitéeGrande
Poids du système embarquéFavorablePénalisantFavorable
Émissions GES (CO2, NOx, etc.)NégligeableNégligeableImportante
Émissions particules finesFaibleFaibleImportante
Bilan environnemental global (fabrication, usage, recyclage, etc.)FavorableFavorableDéfavorable

Transport lourd et intensif : Pile à combustible vs Batteries & Moteur thermique

Piles à combustible pour les chariots élévateurs

Les chariots élévateurs à piles à combustibles révolutionnent l’industrie de l’entreposage. En effet, cette technologie vient fortement concurrencer le fonctionnement des chariots à batteries, lithium-ion, diésel et propane. Les bénéfices d’une conversion aux chariots élévateurs à hydrogène sont substantiels : 

Un environnement sain

  • Aucun dégagement de CO2 dans l’air 
  • Non-utilisation de substances toxiques liées aux fuites de batteries par exemple 
  • Non-nécessité de ventilation en intérieur 
  • Diminution du risque d’accidents ou de mise en arrêts des travailleurs

Une meilleure productivité 

  • Performances élevées et constantes en continu. Contrairement aux batteries qui perdent en puissance lorsqu’elles passent en dessous de 50% de leur capacité 
  • Performances élevées et constantes quelles que soient les conditions d’entreposages (en extérieur, avec des températures élevées ou frigorifiques, etc.) 
  • Le temps de remplissage en H2 n’est de quelques minutes comparativement à plusieurs heures de recharges pour les batteries 
  • Diminution de la fréquence et de la longueur des temps morts liés d’une part, aux changements d’unités de puissance, et à leur recharge/remplissage d’autre part

Des coûts opérationnels en baisse 

  • La longévité des piles à combustible diminue le taux de renouvellement des unités centrales de chariots élévateurs 
  • Coûts de maintenance en baisse
  • Les coûts opérationnels corrélés à une diminution des temps morts de recharge/remplissage

De l’espace commercial supplémentaire 

  • En l’absence de larges stations de chargement de batteries, l’espace sauvé peut être mis à profit pour de l’entreposage

Hydrolux, carburant des piles à combustible au Québec

Chez Hydrolux, nous portons plusieurs casquettes :  

  • Celle de producteur-distributeur d’hydrogène vert 
  • Celle de partenaire des technologies piles à combustibles,  
  • Et aussi celle de conseiller dans l’implantation et l’utilisation des piles à combustibles à l’hydrogène vert.

Dans chaque cas nous pouvons fournir notre expertise face à l’adoption de ces nouvelles technologies et répondre aux besoins liés à l’industrie du transport. 

Plus d’informations sur l’hydrogène vert, les piles à combustibles et leurs champs d’application, en visitant nos pages dédiées. Veuillez cliquer sur les liens suivants :

Notre hydrogène vert 
Chariots élévateurs 
Camions 
Voitures 
Autobus 


Source :

  1. An Evaluation of the Total Cost of Ownership of Fuel Cell Powered Material Handling. Todd Ramsden. NREL
    https://www.nrel.gov/docs/fy13osti/56408.pdf
  2. PlugPower. Top 7 reasons to convert to hydrogen fuel cell power in your material handling operations.
    https://www.plugpower.com/wp-content/uploads/2020/07/PlugPower_7ReasonsH2FC_F102116.pdf
  3. Ballard. Fuel cell zero-emission forklift fleet at Walmart Canada.
    https://www.ballard.com/docs/default-source/motive-modules-documents/material-handling-case-study-website.pdf?sfvrsn=6e51c280_2
  4. Fueling the Future of Mobility. Hydrogen and fuel cell solutions for transportation. Deloitte. Ballard.
    https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/cn/Documents/finance/deloitte-cn-fueling-the-future-of-mobility-en-200101.pdf
  5. Development of Business Cases for Fuel Cells and Hydrogen Applications for Regions and Cities.
    Roland Berger. FCH. 2017
    https://www.ap2h2.pt/download.php?id=86


Source :

  1. Gouvernement du Canada. Industrie canadienne – Hydrogène et piles à combustibles. FAQ
    https://www.ic.gc.ca/eic/site/hfc-hpc.nsf/fra/h_mc00138.html
  2. Arte. Futuremag. La pile à combustible
    https://www.youtube.com/watch?v=7ZzVwI5zwY0
  3. CHFCA. Solutions d’hydrogène et de piles à combustible
    http://www.chfca.ca/fr/piles-a-combustible-et-hydrogene/solutions-dhydrogene-et-de-piles-a-combustible/
  4. Volvo
    https://www.youtube.com/watch?v=Rwy6WozMbt8&ab_channel=VolvoGroupVideos

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