Un générateur pile à combustible fournit de l'énergie électrique sans émission polluante et avec un très bon rendement, même à faible charge. Il pourrait constituer une solution d'avenir, en particulier si l'hydrogène devient un vecteur de transport d'énergie. La plate-forme pile à combustible de Belfort a été construite dans cette perspective, pour étudier l'intégration des PAC dans les transports.
• Deux laboratoires, l'INRETS-LTN et le L2ES − laboratoire de recherche en Électronique, électrotechnique et systèmes −, étroits collaborateurs dans le domaine des générateurs pile à combustible, ont été sollicités par la Délégation générale à l'armement (DGA) et la SNCF pour tester ce nouveau type de source électrique sur deux véhicules hybrides. Ainsi, dans le cadre du programme SPACT 80, la DGA utilisera le banc ECCE conçu pour l'évaluation des composants d'une chaîne électrique (cf. en direct n° 187, septembre 2004) et la SNCF, dans le cadre de son programme LHyDIE, transformera un locotracteur en locomotive hybride. Les deux partenaires ont convenu d'utiliser la même architecture générale avec un bus continu à ‘ 270 volts et un stockage intermédiaire constitué de batteries.
• Dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons, l'énergie électrique résulte d'une transformation électrochimique entre un carburant, l'hydrogène, et un comburant, l'oxygène, généralement pris dans l'air. Sur le plan électrique, un c¶ur de pile est caractérisé, d'une part par la tension, produit du nombre de cellules par la tension aux bornes de chacune d'entre elles (de 0,6 à 0,7 volt), d'autre part par le courant qui est proportionnel à la surface, avec une densité variant actuellement entre 0,7 et 1 A/cm2. Un générateur pile à combustible est donc une source de faible tension et de fort courant. Comment augmenter la puissance d'un tel générateur ? Multiplier le nombre de cellules pourrait être une solution ; malheureusement, un défaut sur une seule cellule pénalise tout le générateur. Augmenter le courant amène à développer des plaques bipolaires et des membranes qui n'ont pas une tenue mécanique suffisante. Il est également possible d'associer des c¶urs de pile ou des générateurs pile à combustible en série et/ou en parallèle.
Cette alternative présente l'avantage d'améliorer la disponibilité et la fiabilité globale du générateur. Pour le moment, les durées de vie des piles à combustible ne peuvent répondre aux besoins des automobiles, et a fortiori de la SNCF ou de l'armée.
• Le programme SPACT 80 doit donc solutionner une double problématique : augmenter la puissance du générateur par une association série-parallèle tout en allongeant le temps de bon fonctionnement. À l'INRETS et au L2ES se sont associés le CEA, la Fédération CNRS Jacques Villermaux à Nancy, AIR LIQUIDE et HÉLION* pour réaliser un générateur de 80 kW électrique. Celui-ci sera testé sur la plate-forme d'essais puis successivement sur un locotracteur et sur le banc ECCE, avec des profils de mission très différents. Le choix d'une architecture identique a permis de définir un seul cahier des charges pour les deux applications. Le projet a été labellisé par le réseau PACo en décembre 2004.
• La partie scientifique comprend deux volets :
– l'optimisation, compte tenu des contraintes, des architectures électrique et fluidique (alimentation en gaz et refroidissement) et le pilotage du générateur en fonctionnement normal et dégradé (lorsqu'un des éléments présente un défaut)
– l'augmentation de la durée de vie du générateur, ce qui implique de rechercher les meilleures conditions de fonctionnement des membranes (température, pression et humidité des gaz) et de mettre au point le démarrage et l'arrêt du générateur, en particulier par temps froid. L'équipement vibratoire et thermique installé sur la plate-forme d'essais de pile à combustible à Belfort sera particulièrement utile.
Le L2ES est impliqué dans l'architecture du générateur, pour laquelle il mettra à profit l'expérience acquise sur le banc bipile Ÿ, dans le pilotage et dans les études de durée de vie, en particulier à basse température. Une première phase du projet est financée par le ministère délégué à la Recherche sur des crédits mis à disposition par la DGA.
* HÉLION, l'un des deux fabricants français de pile à combustible, assure la coordination du projet.
Jean-Marie Kauffmann
L2ES (EA 3898)
Université de Franche-Comté / Université
de technologie de Belfort-Montbéliard
Tél. 03 84 58 36 00
jean-marie.kauffmann@univ-fcomte.fr
