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Pile à combustible

La technologie des générateurs piles à combustible (PAC) pour le transport étudiée par l’IFSTTAR

Les activités de recherches menées par l’IFSTTAR (Institut Français des Sciences et Technologies des Transports de l’Aménagement et des Réseaux (http://www.ifsttar.fr) sur le générateur embarqué à PAC sont étroitement liées aux contextes actuels, nationaux et internationaux, du véhicule propre et de la réduction des émissions de gaz à effet de serre. L’IFSTTAR, par le biais de ses laboratoires : LTE (Laboratoire Transports et Environnement), TEMA (Technologies pour une Electro-Mobilité Avancée)  et GRETTIA (Génie des Réseaux de Transports Terrestres et Informatique Avancée), se doit d’apporter des réponses sur ces thématiques dans le champ de la technologie : par l’évaluation du potentiel de développement de groupes électrogènes à PAC embarqués pour chaînes de traction innovantes et par la contribution à des recherches sur ces systèmes. Un générateur PAC est un convertisseur d’énergie qui transforme via une réaction chimique l’énergie liée à un carburant (généralement de l’hydrogène) en énergie électrique et en chaleur. S’il se montre performant en termes de rendement, le générateur PAC souffre encore d’un manque de maturité technique et économique, peu propice à son déploiement dans le secteur des transports, secteur dans lequel les contraintes liées au triptyque « performance (rendement) – durée de vie / fiabilité – coût » sont particulièrement fortes. Pour mener à bien ses recherches, l’IFSTTAR s’implique sur la Plateforme Systèmes Pile à combustible de Belfort et dans FC LAB ( http://www.fclab.org ).

 

Le vecteur énergétique hydrogène et le véhicule à PAC

Lors des prochaines décennies, l'hydrogène pourrait être amené à prendre une place plus importante dans le domaine de l'énergie, aux côtés de l’électricité. En réponse aux problèmes environnementaux bien sûr, mais aussi pour faire face à la question de l’indépendance énergétique inhérente à la croissance de la demande mondiale en énergie, et au besoin de chaînes énergétiques plus efficientes. L’intérêt porté à l’hydrogène et aux PAC s’est accru dans les années 1980 et 90, à la fois quand des progrès significatifs ont été réalisés sur l’emploi de matériaux polymères (à base de NafionTM) comme membranes électrolytiques et quand par ailleurs les véhicules électriques à batteries (au plomb ou type Nickel-Cadmium) souffraient d’un manque notable d’autonomie. Des recherches se sont alors accentuées sur l’hybridation électrique – thermique (au Japon principalement), sur les supercondensateurs, sur des accumulateurs aux couples électrochimiques alternatifs (nickel métal hydrure, ion lithium, lithium polymère)… et sur les PAC. On peut d’ailleurs voir la PAC comme une technologie particulière de batterie, avec des réactifs qui ne seraient pas uniquement stockés au niveau des électrodes.

Dans le domaine des transports, les recherches actuelles sont menées au niveau mondial principalement sur deux types de pile (PEMFC et SOFC) aussi bien au niveau des matériaux (ex : catalyseur des électrodes, membranes des électrolytes) que des procédés d’industrialisation des composants du stack (ex : plaques bipolaires distribuant les réactifs réalisées par emboutissage pour la très grande série) et de l’optimisation globale du système PAC (soit le stack, l’empilement de cellules électrochimiques, auquel s’ajoutent des organes auxiliaires destinés à le faire fonctionner). Au niveau de la filière hydrogène et de son utilisation dans les transports, des questions demeurent aussi posées. La production, le stockage et la distribution à grande échelle de l’hydrogène, la sécurité vis-à-vis de son utilisation au quotidien doivent encore faire l’objet de recherches et d’évaluations.

 

Une recherche sur les systèmes PAC avec une forte composante expérimentale

Actuellement, les activités de recherches menées par l’IFSTTAR portent essentiellement :

•     sur l’expérimentation et l’intégration des systèmes PAC dans l’environnement transport (caractérisation et amélioration des performances de systèmes PAC avec un focus particulier sur les aspects endurance, fiabilité et diagnostic) ; ces activités sont réalisées sur la plateforme Systèmes Pile à combustible de Belfort et dans le cadre du FC LAB,

•     sur l’interface électrique PAC - convertisseur électronique et la maîtrise des contraintes en puissance de la mission transport (avec notamment la prise en compte des aspects fonctionnement en modes dégradés et tolérance aux pannes du système PAC) ; ces travaux sont menés dans le cadre du laboratoire commun SPEE LABS – Sud Paris Energie Electrique (CNAM, ENS Cachan, IFSTTAR, Univ. Pierre et Marie Curie, Paris Sud, Supélec).

•     sur le développement d’outils logiciels de synthèse permettant l’évaluation des systèmes de transport incluant des PAC. Les modèles développés sont progressivement intégrés dans le logiciel VEHLIB du LTE. Des actions sont menées à Belfort ainsi qu’en région Rhône-Alpes dans un partenariat CEA – CNRS – IFSTTAR.

 

Les travaux de recherche IFSTTAR se caractérisent par une approche expérimentale forte, justifiée par la nécessaire caractérisation des performances des piles existantes, par l’évaluation de leurs durées de vie et de leurs modes de défaillance sous les contraintes réelles des applications embarquées. La démarche scientifique adoptée mêle étroitement expérimentation, analyse des phénomènes, modélisation de l’expérience et modélisation physique.

Les recherches sur les systèmes PAC à l’IFSTTAR.