Dans le développement des piles à combustible pour véhicules, la mesure précise de la pression joue un rôle clé. Ce n'est qu'avec des capteurs de haute qualité que l'on peut optimiser le rendement, la durée de vie et la performance.
Alors que les véhicules électriques et hybrides sont déjà largement commercialisés, la pile à hydrogène n'en est qu'à ses débuts d'application à grande échelle. Elle offre néanmoins le potentiel de combiner mobilité sans émission et grande autonomie – à condition de maîtriser des défis centraux tels que la gestion de la pression et l'efficacité du système.
Comment fonctionne une pile à combustible PEM ?
La pile PEMBZ (pile à membrane échangeuse de protons) génère de l'énergie électrique par réaction chimique entre l'hydrogène et l'oxygène. Elle se constitue de plusieurs centaines de cellules individuelles reliées en stack. L'hydrogène arrive à l'anode, l'air à la cathode – comme chaque cellule ne fournit qu'environ 1 volt, la mise en série augmente la tension.
Pour des performances supérieures à 10 kW, il est souvent nécessaire d'augmenter la pression pour accroître la densité de puissance. Cela exige une gestion précise de la pression – tant pour l'air que pour l'entrée d'hydrogène – afin de maintenir la fonctionnement optimal de la pile à combustible.
Figure : Schéma de la structure d'un système de pile à combustible PEM. Source : James Larminie, Andrew Dicks, Fuel Cell Systems Explained
Les défis liés à la recharge
Une pression plus élevée améliore le rendement – en réduisant les pertes d'activation à la cathode (selon l'équation de Nernst). Cependant, cela nuit au rendement global du système car le compresseur d'air consomme de l'énergie – souvent jusqu'à 20 % de la puissance totale.
Il faut donc adapter chaque niveau de pression au cas par cas, en fonction de la taille du stack, du comportement thermique et de la gestion de l'eau. Des données de pression précises sont essentielles – elles servent de base aux algorithmes de contrôle et aux calculs d'efficacité.
Mesure de la pression dans le système de pile à combustible
Les conditions opérationnelles typiques d'une pile PEM varient entre 50 et 90 °C et jusqu'à 3 bars de pression. Des pressions plus élevées augmentent la densité de puissance, mais peuvent aussi entraîner des problèmes thermiques et liés à l'eau. Pour des essais réalistes, une surveillance précise de la pression est donc indispensable – spécialement lors des prototypes et des premières phases de développement en série.
Des capteurs tels que le ATM.1ST de STS sont idéaux pour fournir des données de pression précises dans ces conditions. Voici ses avantages :
- Grande précision dans les gammes de pression faibles et moyennes
- Stabilité des mesures à haute température (jusqu'à 125 °C compensée)
- Construction robuste adaptée aux bancs d'essai et aux applications H2 proches
Base de données pour la recherche et la conception
La mesure de pression avec des capteurs haut de gamme permet de détecter les pertes parasites, d'analyser les tensions en circuit ouvert et d'affiner les stratégies de contrôle. Ce ne sont qu'avec ces valeurs que l'on peut faire fonctionner efficacement et durablement les systèmes de piles à combustible en condition réelle.
Étant donné que de nombreux modèles sont encore testés en laboratoire, la mesure de la pression joue un rôle de premier ordre. Avec la maturité de la technologie et la croissance du marché, ces données alimenteront à l'avenir des systèmes de gestion adaptatifs – permettant ainsi la prochaine génération de véhicules à hydrogène plus efficaces.
Conclusion
L'avenir de la mobilité est aussi une question de technique de mesure. Dans le développement des piles à combustible, des capteurs de pression précis comme le ATM.1ST sont essentiels pour augmenter la performance, minimiser les pertes et prolonger la durée de vie des cellules – du laboratoire à la production en série.
