pile à combustible vs moteur à hydrogène

Avec la technologie de l'hydrogène Différents types de moteurs ont vu le jour. D'une part nous avons véhicules à hydrogène qui utilisent une pile à combustible pour produire l'énergie nécessaire pour circuler et d'autre part nous avons des moteurs à combustion à hydrogène. Cela soulève de nombreuses questions, mais elles sont très différentes.

Vous devriez savoir ce que c'est différences et fonctionnement de ces deux aspects extrêmement différents, mais qui utilisent le même carburant pour fonctionner...

Véhicules à pile à combustible à hydrogène

Les véhicules à pile à combustible, également appelés FCV ou FCEV, sont un type de véhicule électrique qui utilise une pile à combustible comme source d'énergie utilisée pour faire fonctionner ses moteurs ou pour stocker de l'énergie dans une batterie pour l'utiliser en cas de besoin.

réservoirs de carburant produire de l'électricité en utilisant généralement l'oxygène de l'air et l'hydrogène comprimé dans des réservoirs. Cependant, il existe d'autres piles à combustible qui peuvent utiliser d'autres éléments pour produire de l'électricité, mais ici nous ne nous intéressons qu'à l'hydrogène.

Ces véhicules concentrent les polluants de la production d'hydrogène sur le site où l'hydrogène est produit (ou lors du transport et du stockage de l'hydrogène, qui peuvent également générer des polluants à partir des camions et autres moteurs impliqués), s'il ne s'agit pas d'hydrogène vert. Autrement dit, ces véhicules eux-mêmes n'émettent aucun type de polluant pendant qu'ils circulent.

Toutes les piles à combustible sont constituées de trois parties fondamentales:

• Électrolyte: est une substance qui contient des ions libres dans sa composition, l'amenant à se comporter comme un conducteur électrique.
• Anode: C'est une électrode ou borne de la batterie qui produit une réaction d'oxydation par laquelle elle perd des électrons. Il se comporte donc comme un pôle positif.
• Cathode: C'est une électrode ou borne de la batterie qui subit une réaction de réduction, c'est-à-dire une réaction par laquelle elle reçoit des électrons. Il se comporte donc comme un pôle négatif.

De cette façon, un pile à hydrogène Elle fonctionne comme une batterie classique, produisant de l'énergie électrique pour alimenter le moteur ou la stocker dans une batterie. Cependant, alors que la batterie doit être chargée, la pile à combustible sera alimentée par du carburant, dans ce cas de l'hydrogène.

plus grands défis

L'un des plus grands défis Ce type de véhicule fait face au fait d'avoir besoin de réservoirs de stockage très sûrs pour résister aux fortes pressions et éviter les fuites en cas d'accident pouvant générer des réactions très violentes. Bien sûr, l'infrastructure de ravitaillement est également peu répandue et il est difficile de trouver des points de ravitaillement en hydrogène.

A tout cela, il faut ajouter que les premières conceptions de piles à combustible avaient un service de la vie réduite, bien que des progrès aient été accomplis à cet égard. Par exemple, les cellules à membrane électrolytique polymère, ou PEM, peuvent avoir jusqu'à 7300 XNUMX heures dans des conditions de cyclage.

D'autre part, il convient de noter que les piles à hydrogène ils sont relativement chers à produire, car des matériaux coûteux sont utilisés, comme le platine, qui agit comme un catalyseur. De plus, l'hydrogène doit également être produit et stocké en toute sécurité, ce qui rend également cette technologie plus coûteuse. Heureusement, de nouvelles piles à combustible à hydrogène sont actuellement développées à l'aide de nanoparticules, nécessitant beaucoup moins de platine et à moindre coût.

Notre Histoire

Le concept de pile à combustible était un phénomène démontré pour la première fois en 1801, par Humphry Davy. Cependant, l'invention est due à William Grove. Grâce aux expériences de Grove sur ce qu'il a appelé une "batterie voltaïque à gaz", ils ont démontré qu'il était possible de produire de l'énergie à partir d'hydrogène gazeux et d'oxygène. C'est en 1842 qu'il prouve la réaction électrochimique entre l'hydrogène et l'oxygène sur un catalyseur au platine.

Plus tard, l'ingénieur François Thomas Bacon il a amélioré le travail de Grove en créant diverses piles à combustible alcalines entre 1939 et 1959. Le premier véhicule à utiliser ces piles à combustible était un tracteur agricole Allis-Chalmers modifié de l'époque, produisant jusqu'à 15 kW de puissance.

La course spatiale de la guerre froide c'était aussi un grand coup de pouce pour que ces technologies de piles à combustible soient utilisées dans des missions spatiales pour produire de l'énergie électrique. Ce fut une percée, en l'utilisant dans les capsules Apollo et les modules lunaires, entre autres.

Cependant, ce ne sera qu'en 1966, lorsque General Motors développera le premier véhicule routier utilisant une pile à combustible. était le fameux fourgon électrique chevrolet. Ce véhicule était équipé d'une pile à combustible PEM et pouvait parcourir jusqu'à 193 km avec une vitesse de pointe de 113 km/h. C'était un biplace, car il n'y avait pas de place pour plus, car le carburant nécessaire était stocké dans deux gros réservoirs d'hydrogène et d'oxygène qui occupaient l'arrière du camion. Une seule fourgonnette a été construite, et son prix était prohibitif.

Dans les années 80, les piles à combustible ont été ramenées pour des applications spatiales, telles que celles incluses dans la navette spatiale. Mais le clôture du programme Apollo cela a poussé de nombreux experts en piles à combustible de la NASA à se tourner vers des entreprises privées, où ils ont poursuivi leurs développements pour porter leurs fruits au cours des décennies suivantes.

véhicule à combustion d'hydrogène

El véhicule à moteur à combustion interne à hydrogène, également appelé HICEV par son acronyme en anglais, est un type de véhicule à hydrogène qu'il ne faut pas confondre avec celui qui utilise une pile à combustible. Dans ce cas on ne parle plus d'un véhicule électrique, mais plutôt d'un moteur thermique comme l'essence ou le diesel.

Alors que les véhicules à pile à combustible utilisent une réaction électrochimique pour produire de l'électricité pour alimenter des moteurs électriques, les véhicules à combustion utilisent un cycle similaire à ceux des carburants fossiles. En fait, il s'agit d'une modification des moteurs à combustion interne conventionnels.

Seulement, dans ce cas, au lieu d'utiliser de l'air pour fournir de l'oxygène et du combustible pour la combustion, on utilise de l'hydrogène et de l'oxygène pour générer la réaction explosive qui va déplacer les pistons des cylindres. La différence est que lors de cette réaction, du CO2, des hydrocarbures ou d'autres particules polluantes ne sont pas produits dans le tuyau d'échappement, comme dans les carburants fossiles. Dans ce cas, seule l'eau est générée, donc les émissions de ces véhicules sont proches de zéro.

Et ils ne sont pas totalement nuls pour une raison, et c'est que, alors que l'hydrogène dans les réservoirs de carburant est pur, dans le cas de l'air, il contient quelque chose de plus que de l'oxygène, comme vous le savez bien. Pour cette raison, certains de ces gaz présents dans l'air pourraient réagir avec l'hydrogène et émettent des oxydes d'azote ou des NOx. Cependant, ces émissions sont beaucoup moins problématiques que celles des autres carburants.

Émissions polluantes et autres problèmes

Alors que ces véhicules ont l'avantage de ne pas être limités par des cycles comme la pile à combustibleEn plus d'autres grands avantages, ils continuent d'avoir le même problème de production et de stockage d'hydrogène que les systèmes de piles à combustible avaient. Il est nécessaire de mettre en évidence les émissions de ces véhicules.

Eh bien, la combustion de l'hydrogène avec de l'oxygène produit de la vapeur d'eau comme seul produit, qui est l'un des gaz à effet de serre, peut cependant être capturé pour être stocké et liquéfié sous forme d'eau lorsqu'il est refroidi.

2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

Au lieu de cela, comme nous l'avons dit, l'air a quelque chose de plus que de l'oxygène. C'est de là que vient le problème, puisqu'en combinant de l'hydrogène et de l'azote, on peut produire les fameux NOx dont j'ai parlé plus haut. C'est pourquoi ils ne peuvent pas être qualifiés de zéro émission. Autrement dit, la formule de la réaction chimique ressemblerait plus à celle-ci en réalité :

H ₂ + O ₂ + N ₂ →H ₂ O + NON _x

D'autre part, il faut tenir compte du fait que les moteurs ne sont pas parfaits, et du lubrifiant pourrait pénétrer dans la chambre de combustion comme cela se produit également dans les moteurs à essence ou diesel. Dans ce cas, les gaz d'échappement pourraient également contenir de l'huile ou des sous-produits d'huile dus à la combustion.

De plus, comme je l'ai indiqué au premier paragraphe de cette section, le l'hydrogène présente un autre problème, et c'est votre espace de stockage sécurisé. Gardez à l'esprit que l'hydrogène s'enflamme facilement par rapport aux autres carburants. Par conséquent, si l'hydrogène gazeux s'échappe ou si un accident se produit, lorsqu'il entre en contact avec l'air, une réaction explosive très puissante se produira.

Rétrofit de moteurs existants

Les diferencias d'un moteur ICE conventionnel et d'un moteur à essence ou diesel sont particulièrement axés sur des aspects tels que :

• Soupapes et sièges de soupape durcis.
• Bielles plus solides que dans les moteurs traditionnels.
• Le mélange d'un moteur à carburant aura un rapport air/carburant de 29 % d'hydrogène et de 71 % d'air, générant une puissance pouvant être jusqu'à 15 % supérieure à celle des moteurs à essence, ou 15 % inférieure, selon le type. .
• L'air et le carburant (hydrogène), dans ce type de moteurs ne sont pas mélangés auparavant, mais la chambre de combustion ne sera remplie que d'air puis l'hydrogène y sera injecté. Sinon, l'explosion se produirait à l'extérieur du cylindre.
• Bougies d'allumage avec embouts sans platine.
• Bobine d'allumage à haute tension.
• Injecteurs de carburant qui doivent être adaptés pour le gaz au lieu du liquide.
• Amortisseur de vilebrequin plus grand.
• Joint de culasse plus solide.
• Collecteur d'admission modifié pour le compresseur.
• Compresseur à pression positive.
• Huile moteur haute température.

C'est-à-dire qu'en faisant ces modifications apportées à un moteur à essence conventionnel Il pourrait être parfaitement adapté pour fonctionner à l'hydrogène, ce qui est un autre grand avantage, pouvoir profiter de la technologie actuelle développée pour ce type de moteur ou modifier les moteurs classiques pour qu'il puisse fonctionner avec un carburant plus respectueux de l'environnement.

Notre Histoire

Les moteurs à combustion interne à hydrogène ont été conçus pour la première fois en 1806 par François Isaac de Rivaz. Le premier était connu sous le nom de moteur De Rivaz, qui utilisait un mélange d'hydrogène et d'oxygène pour fonctionner. Plus tard, en 1863, Étienne Lenoir produit également l'Hippomobile, un autre véhicule à hydrogène.

En 1970, un autre événement important a également eu lieu, et c'est que Paul Dieges a breveté la manière dont modifier les moteurs à essence à combustion interne fonctionner à l'hydrogène. Même date puisque l'Université de Tokyo a donné de l'importance à ces moteurs et a commencé à développer des technologies liées à ces moteurs et à conduire les véhicules du futur, à la fois des voitures, des camions, des avions, des bateaux, etc.

Comme vous le savez, Constructeur japonais Mazda a développé un moteur de type Wankel qui utilisait l'hydrogène comme carburant. L'avantage d'utiliser ce Wankel ICE est que la modification dont ce moteur a besoin est bien inférieure à celle requise par d'autres ICE alternatifs. D'autres constructeurs japonais ont également rejoint les voitures à hydrogène, pariant gros, comme dans le cas de Toyota.

Entre 2005 et 2007, en Europe, il y a aussi eu une étape importante, lorsque BMW a testé sa première voiture de luxe fonctionnant à l'hydrogène. Tout est dans le modèle BMW Hydrogène 7, qui pouvait atteindre une vitesse de pointe de 301 km/h, était plus spacieux que les concepts précédents et avait une longue autonomie. À partir de là, d'autres industries européennes ont commencé à faire de même avec leurs véhicules industriels et civils.

Avantages et inconvénients des moteurs à hydrogène

Bien sûr, l'utilisation de l'hydrogène comme carburant a ses avantages et ses inconvénients Qu'allons-nous voir ici :

Avantages

• Si l'hydrogène est vert, il peut s'agir d'un carburant très propre et respectueux de l'environnement, puisque les émissions sont nulles ou presque négligeables, et l'un des produits issus de la réaction est H2O ou de l'eau.
• Ce sont des moteurs avec des technologies plus performantes. En près de 200 ans de développement, ce moteur a réussi à atteindre ses performances et son optimisation maximales, avec un rendement de 80 %. Autrement dit, 80 % de l'hydrogène est utilisé pour produire de la traction. Alors que dans les moteurs à combustible fossile, ce rendement peut varier entre 20 et 40 % dans de nombreux cas.
• Il peut également être utilisé pour les transports lourds tels que les bateaux, les trains, etc.

Inconvénients

• S'il s'agit d'hydrogène gris, il contamine lors de sa production. Malheureusement, un pourcentage élevé de l'hydrogène actuel est gris, car il est le moins cher à produire en brûlant des combustibles fossiles ou du gaz. Cependant, il existe également de l'hydrogène bleu et de l'hydrogène vert, le vert étant celui qui est produit avec zéro émission, car il utilise des énergies renouvelables pour sa production et est l'avenir.
• C'est un gaz dangereux à manipuler. Son stockage et son transport sont dangereux. Il faut des réservoirs capables de supporter des pressions élevées et de résister aux accidents, sinon des réactions très violentes se produiront au contact de l'air qui pourraient mettre fin à la vie de l'équipage.
• Il n'y a pas de grande infrastructure pour faire le plein d'hydrogène, pas plus qu'il n'y en a pour les véhicules électriques rechargeables. En ce sens, ils doivent aller plus loin pour rattraper les stations-service existantes.