À mesure que la technologie continue de progresser et que les politiques internationales stimulent les avancées, les véhicules à nouvelles énergies deviennent de plus en plus populaires, y compris les voitures hybrides, les véhicules entièrement électriques et même les véhicules à pile à combustible à hydrogène, qui, bien que pas encore courants, attirent lentement l’attention. Si vous n’êtes pas familier avec les véhicules à pile à combustible à hydrogène, l’introduction suivante vous aidera à mieux les comprendre.
Examinons d’abord les diagrammes structurels de base des voitures traditionnelles, des voitures entièrement électriques et des voitures à énergie hydrogène.
La structure des véhicules à pile à combustible à hydrogène se compose principalement d’un empilement de piles à combustible à hydrogène, d’un convertisseur de suralimentation des piles à combustible, d’un système d’alimentation en hydrogène, d’un pack de batteries de puissance, d’un moteur de traction et d’une unité de contrôle de la puissance, entre autres.
Principe de fonctionnement des véhicules à pile à combustible à hydrogène :
1. Réaction électrochimique : L’oxygène de l’air et l’hydrogène des réservoirs à haute pression subissent une réaction électrochimique dans l’empilement de piles à combustible, où un catalyseur génère de l’énergie électrique.
2. Augmentation de tension et distribution : L’énergie électrique est envoyée au DCF (convertisseur de suralimentation) pour augmenter la tension et réduire le courant. L’énergie électrique augmentée est ensuite transférée au PDU (boîte de distribution haute tension), qui attribue la puissance au moteur de traction.
3. Propulsion du véhicule : Le moteur de traction convertit l’énergie électrique en énergie mécanique pour propulser le véhicule en avant.
4. Stockage et conversion d’énergie : Le BMS (système de gestion de la batterie) stocke l’énergie dans la batterie de puissance. Les convertisseurs DC/DC et DC/AC réduisent la haute tension pour l’utiliser dans divers systèmes électriques DC/AC à basse tension à travers le véhicule.
Ci-dessous, une explication des principes de fonctionnement des principaux composants des véhicules à pile à combustible à hydrogène :
Pile à combustible à hydrogène : Dans l’empilement de piles à combustible, une réaction chimique se produit entre l’hydrogène et l’oxygène, entraînant le transfert de charge électrique et générant ainsi un courant électrique. En même temps, la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène produit de l’eau comme sous-produit, qui est ensuite évacuée. C’est l’une des raisons pour lesquelles les véhicules à pile à combustible à hydrogène sont considérés comme plus écologiques.
L’empilement de piles à combustible fonctionne comme une chambre de réaction chimique, avec sa technologie la plus critique étant la « membrane d’échange de protons ». De chaque côté de cette membrane se trouvent des couches de catalyseur, où l’hydrogène est décomposé en ions chargés. Comme les molécules d’hydrogène sont petites, l’hydrogène porteur d’électrons peut passer à travers les minuscules pores de la membrane de l’autre côté. Cependant, au fur et à mesure que l’hydrogène porteur d’électrons traverse les pores de la membrane, les électrons sont arrachés de la molécule, ne laissant passer de l’autre côté que les protons d’hydrogène chargés positivement.
Les protons d’hydrogène sont attirés par l’électrode opposée de la membrane, où ils se combinent avec des molécules d’oxygène. Les plaques d’électrode de chaque côté de la membrane décomposent l’hydrogène en ions d’hydrogène chargés positivement et en électrons, tandis que l’oxygène est décomposé en atomes d’oxygène pour capturer des électrons et devenir des ions d’oxygène chargés négativement.
Le flux d’électrons entre les plaques d’électrode crée un courant électrique. Ce courant peut être utilisé pour alimenter les moteurs électriques du véhicule. Pendant ce temps, deux ions d’hydrogène et un ion d’oxygène se combinent pour former de l’eau, qui est le seul « déchet » produit par cette réaction. Essentiellement, tout le processus est une forme de génération d’énergie. À mesure que la réaction d’oxydation continue, le transfert constant d’électrons crée le courant électrique nécessaire pour propulser le véhicule.
Système d’alimentation en hydrogène à bord : Le système d’alimentation en hydrogène haute pression à bord est un système conçu pour fournir du carburant à hydrogène pour les véhicules à pile à combustible. Il se compose principalement de cylindres de stockage d’hydrogène haute pression légers, de diverses vannes, de conduites haute pression, d’une prise de ravitaillement en hydrogène, d’un système de surveillance de la sécurité et d’un système de collecte de signaux de pression/température. Le diagramme de flux du processus est le suivant :
Précautions de sécurité :
Risque de température : Lors du fonctionnement normal, la température du système de pile à combustible et du système de refroidissement peut atteindre environ 80 °C, tandis que la température du système d’alimentation en air peut atteindre 150 °C. Par conséquent, pendant le fonctionnement du système ou peu après le démarrage, évitez de toucher tout composant du système ou surface exposée pour éviter les brûlures.
Hydrogène haute pression : L’utilisation d’hydrogène haute pression comme réactif présente un certain niveau de risque pendant le fonctionnement. Avant de démonter des tuyaux ou des connexions, assurez-vous que le gaz haute pression à l’intérieur du système a été dépressurisé à un niveau sûr. De plus, l’hydrogène est un gaz incolore, inodore et hautement inflammable. Bien qu’il ne soit pas toxique, il peut déplacer l’oxygène dans l’air, provoquant potentiellement une asphyxie.
Risque de haute tension : Même après l’arrêt du système de pile à combustible, la sortie haute tension peut persister pendant un certain temps. Pendant cette période (au moins 5 minutes), il existe un risque de choc électrique. Les opérations de réparation ou autres opérations connexes ne sont pas autorisées tant que la haute tension n’est pas dissipée.