Le fonctionnement d'une voiture à hydrogène

Aujourd’hui, une voiture à hydrogène est une voiture électrique qui puise son énergie d’une pile à combustible alimentée avec ce gaz. Il existe aussi des architectures technologiques exploitant ce fonctionnement de façon secondaire, pour prolonger l’autonomie d’une batterie de traction qui constitue l’élément principal de la chaîne. Enfin, ce dossier ne serait pas complet s’il ne rappelait pas cette tentative faite par BMW, il y a quelques années, de lancer un modèle à moteur thermique directement gavé avec de l’hydrogène.
 

En 1806 comme carburant

C’est en 1766 que le chimiste et physicien britannique Henry Cavendish découvre et isole l’hydrogène. Deux décennies plus tard, il démontre qu’il se forme de l’eau en le brûlant. Encore vingt ans, et l’inventeur suisse Isaac de Rivaz emploie ce gaz comme carburant pour le premier moteur à combustion interne mis au point en 1806. Première véritable application de l’hydrogène pour la mobilité : l’aviation.

Dès 1938, l’ingénieur allemand Hans-Joachim von Ohain en fait l’énergie d’alimentation de son turboréacteur HeS3b, monté sur le Heinkel 178. L’ hydrogène liquide a été un temps envisagé par l’US Air Force dès le milieu des années cinquante. De nombreux projets d’avions à hydrogène ont été par la suite étudiés mais sans réelle concrétisation. Parce que c’est le carburant qui concentre le plus d’énergie, ce produit, à l’état liquide, est l’un des combustibles employés dans les lanceurs des fusées. Selon la Nasa, on pourrait organiser des voyages spatiaux beaucoup plus lointains si on savait transformer sur Terre et utiliser l’hydrogène solide.
 

En 1994 dans un prototype de voiture

Du fait de ses propriétés qui le rendent difficile à stocker et à transporter, l’hydrogène a été boudé des constructeurs en automobiles pendant presque 2 siècles. Chrysler se risque en 1994 à mettre au point un premier prototype de voiture à PAC H2. Onze ans après, Mercedes ajoute à son catalogue la Classe B F-Cell, première voiture à hydrogène de série.

Les années 2010 ont ouvert un champ d’application très large à l’hydrogène pour la mobilité terrestre. Au tout début de cette décennie, une vingtaine de bus à PAC H2 ont été mis en service comme navettes entre Whistler et Vancouver, dans le cadre des Jeux olympiques et para-olympiques qu’accueillait le Canada. Scooters, vélos à assistance électrique, engins de chantiers et de manutention comptent des modèles fonctionnant à l’hydrogène. Sur l’eau aussi, ce gaz commence à être exploité comme carburant.
 

La voiture à pile hydrogène

Une voiture à pile hydrogène (FCEV = Fuel Cell Electric Vehicles) est d’abord une voiture électrique, mais qui reçoit principalement son énergie d’une pile à combustible. Une batterie est cependant bien présente sur la chaîne de traction, mais de moindre importance. Cette architecture technologique s’active selon 4 scénarios, dont le principal est d’utiliser l’hydrogène des réservoirs pour faire avancer le véhicule, via la pile à combustible et ses dispositifs associés.

Si la batterie n’est pas à sa pleine capacité, et que l’utilisation de l’engin le permet, la PAC va permettre de la recharger en même temps. Lors d’un fort appel de puissance, à l’accélération, la pile à combustible et la batterie vont alimenter de concert la motorisation électrique. Enfin, comme dans la très grande majorité des véhicules électriques, l’énergie cinétique des phases de décélération et de freinage va être transformée en électricité pour régénérer le pack lithium.
 

Hybride

Le fonctionnement d’une voiture à PAC H2 est finalement très proche d’une motorisation hybride de type Toyota Prius. Sauf qu’il n’y a qu’une seule énergie finale qui active un ou plusieurs moteurs électriques. L’architecture de la chaîne de traction est composée de 5 éléments principaux : le(s) réservoir(s) pour stocker l’hydrogène comprimé à très haute pression, la pile à combustible, une batterie tampon à haute tension, un inverseur, le(s) moteur(s) électrique(s) et le(s) réducteur(s) associé(s).
 

Réservoirs

Plus la pression de stockage dans les réservoirs est élevée (700 bars par exemple), plus la quantité de gaz délivrée l’est aussi. Pour des raisons de sécurité, ces contenants réalisés avec des matériaux composites sont complétés par différents dispositifs auxiliaires, dont une électrovanne, un régulateur haute pression et un clapet de surdébit.

Des détecteurs H2 sont répartis dans le véhicule. En cas d’alerte, l’électrovanne coupe l’arrivée en gaz, la pile à combustible s’arrête et une ventilation va se charger d’expulser l’hydrogène éventuellement présent à bord. Les réservoirs subissent des tests draconiens avant d’être homologués, incluant parfois des tirs à la mitrailleuse. Leur comportement est observé lors de tests de collisions et d’incendies plus poussés qu’avec des véhicules thermiques classiques. Ce qui fait des voitures à PAC hydrogène des engins potentiellement bien moins dangereux que les modèles équivalents à essence.


 

Pile à combustible

Bien qu’il existe différentes technologies de piles à combustible, les constructeurs de voitures à PAC H2 préfèrent celles à membrane PEM (protons exchange membrane). L’hydrogène reçu des réservoirs va passer au-dessus de l’anode, ce qui aura pour effet de le dissocier en ions hydrogène (protons) et en électrons. Seuls les protons peuvent traverser la membrane électrolyte polymère située entre les 2 électrodes. Les électrons, eux, empruntent un circuit extérieur, formant le courant électrique qui va être dirigé vers l’inverseur. A la cathode, les électrons et les protons s’associent à l’oxygène reçu de l’air extérieur pour former de l’eau pure. Aucun polluant ni autre résidu n’accompagne cette opération, juste un dégagement de chaleur idéal pour alimenter le chauffage de l’habitacle.  

Batterie tampon

Comme pour une voiture hybride classique, le besoin en capacité de la batterie n’est pas très élevé, juste quelques kilowattheures. Concrètement, le pack ne permettrait de parcourir qu’une poignée de kilomètres tout au plus. Plus important, il grignoterait la place nécessaire aux réservoirs et aurait un impact trop important sur le poids total de la voiture qu’il équipe.
 

Inverseur moteur réducteur

S’il est principalement chargé de convertir le flux continu haute tension de la batterie et de la pile hydrogène en courant alternatif, seul exploitable par le(s) moteur(s) embarqué(s) dans le véhicule FCEV, l’inverseur sert aussi à réguler le régime et le couple de la motorisation. Cette dernière peut-être composée d’un ou plusieurs moteurs.

Le deuxième cas de figure permet d’obtenir, par exemple, une motricité intégrale sans trop alourdir l’engin. Ces appareils se font génératrices lors des décélérations, en rechargeant la batterie tampon. De son côté, le réducteur amplifie le couple en adaptant le régime des moteurs électriques en fonction des commandes actionnées par le conducteur.
 

La PAC en prolongateur d’autonomie

L’intérêt d’une voiture électrique à pile hydrogène est de bénéficier d’une autonomie de plusieurs centaines de kilomètres sans avoir à s’embarrasser de plusieurs centaines de kilos de batteries.

Symbio, une entreprise française, a développé un prolongateur d’autonomie exploitant une PAC H2. Elle s’installe sur une voiture électrique classique, qui embarque donc un pack lithium de plusieurs dizaines de kWh pour 150 à 250 kilomètres d’autonomie. La pile hydrogène est utilisée comme un groupe électrogène qui viendrait recharger la batterie en cours de roulage, permettant, par exemple, de doubler le rayon d’action habituel du véhicule électrique qu’elle équipe. Contrairement à une voiture hydrogène, c’est toujours la batterie qui alimente ici la motorisation.
 

Moteur thermique à hydrogène

Le moteur thermique à combustion hydrogène n'est pas une nouveauté. Pour mémoire, BMW a produit une centaine d’exemplaires de sa Hydrogen 7 (sur base 760 Li), entre 2007 et 2009. L’engin était équipé d’un moteur V12 de 6 litres de cylindrée, fonctionnant aussi bien à essence qu’à l’hydrogène. Le gaz était stocké sous forme liquide, à très basse température, dans un réservoir cryogénique de 170 litres (8 kilos). De quoi parcourir environ 200 kilomètres.

Si la solution a été longtemps laissée de côté, elle refait surface depuis le début des années 2020. Qu'il s'agisse de voitures particulières, d'utilitaires ou de véhicules lourds, de nombreux motoristes et constructeurs s'intéressent à la solution.