Toyota Fuel Cell System : une nouvelle ère pour l’automobile

11/05/2015
Auteurs :
Publication REE REE 2015-2 Dossier L’hydrogène
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-2:13546
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Toyota Fuel Cell System : une nouvelle ère pour l’automobile

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72 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 Toyota Fuel Cell System : une nouvelle ère pour l’automobile Par Sébastien Grellier Directeur Environnement - Toyota France Toyota’s commitment to environmentally-friendly vehicles is based on three basic principles: embracing diverse energy sources; developing efficient, low-emission vehicles; and driving real and positive envi- ronmental change by popularizing these vehicles. Hydrogen is a particularly promising alternative fuel. It can be produced from a wide variety of primary energy sources-including solar power and wind power—and is easy to store and transport. When compressed, it has a higher energy density than batteries. In addition to its potential as a fuel for home and automotive use, hydrogen could be used in a wide range of further applications, including large-scale power generation. Fuel cell vehicles contribute to the diversification of automobile fuels, emit no CO2 or environmentally harmful substances during operation, and offer all the convenience of gasoline-powered cars. Toyota believes they have a great deal of potential, and are ideal environmentally-friendly vehicles with which to promote a sustainable- mobility society. ABSTRACT Grâce à l’hydrogène utilisé comme carburant pour produire de l’électricité, le Toyota Fuel Cell System (TFCS) de la berline Mirai1 associe des performances environnementales élevées avec les 1 Futur en japonais. avantages et le plaisir de conduite d’une voiture traditionnelle. Le TFCS : performances et respect de l’environnement Le nouveau Toyota Fuel Cell System (TFCS) (tableau 1 & figure 1) combine les technologies pile à combustible et hybride. Il comprend une pile à com- bustible FC Stack et des réservoirs d’hydrogène à haute pression conçus par Toyota. Le TFCS affiche un meilleur rendement énergétique qu’un moteur à combustion interne et n’émet ni CO2 Figure 1 : Le Toyota Fuel Cell System (TFCS) - Source : Toyota. REE N°2/2015 73 Principales caractéristiques du Toyota Fuel Cell System (TFCS) Pile à combustible Nom Toyota FC Stack Type Pile à combustible à électrolyte polymère Densité volumique de puissance 3,1 kW/l Puissance maximale 155 ch (114 kW) Système d’humidification Circulation interne (sans humidificateur) Réservoir d’hydrogène à haute pression Nombre de réservoirs 2 Pression nominale 70 MPa (environ 700 bar) Densité de stockage 5,7 % Volume interne 122,4 litres (Réservoir 1 : 60 litres ; réservoir 2 : 62,4 litres) Moteur Type Générateur électrique synchrone AC (courant alternatif) Puissance maximale 154 ch (113 kW) Couple maximal 335 Nm Batterie Type Nickel-métal hydrure Toyota Fuel Cell System : une nouvelle ère pour l’automobile ni polluants à l’usage. Les conducteurs peuvent profiter des mêmes prestations qu’un véhicule à essence en termes d’au- tonomie et de temps de ravitaillement (environ trois minutes2 ). L’hydrogène peut provenir de nom- breuses ressources naturelles ou de sous-produits des activités humaines telles que les boues d’épuration. Il peut aussi être produit à partir de l’eau en exploitant l’énergie renouvelable comme le soleil ou le vent. Une fois compressé, il présente une densité énergétique plus élevée que celle des batteries et il est assez facile à stocker et transporter. Il pourrait ainsi répondre aux besoins futurs de production d’énergie et pour de nom- breuses autres applications. Les piles à combustible génèrent de l’électricité à partir de l’hydrogène. Elles peuvent donc contribuer à donner naissance à une future société de l’hydrogène et à accélérer la diversification énergétique. Le système repose sur des com- posants développés par Toyota, comme la pile à combustible Toyota (Toyota FC Stack), le convertisseur survolteur de ten- sion (FC Boost Converter) et les réser- voirs à haute pression. La pile à combustible Toyota FC Stack La nouvelle pile à combustible Toyota FC Stack atteint une puissance maximale de 155 ch (114 kW). Le ren- dement de production d’électricité a été amélioré grâce à l’emploi d’un maillage très fin de canaux d’écoulement en 3D3 , 2 Selon les mesures de Toyota, en ravitaillant à une station fournissant de l’hydrogène à une pression de 70 MPa selon les conditions du Standard SAEe J2601 (température ambiante de 20°C, pression du réservoir d’hydrogène au moment du ravitaillement de 10 MPa). Le temps peut varier selon la pression de ravitaille- ment en hydrogène et la température ambiante. 3 Canaux disposés selon une structure fine de ré- seau tridimensionnel. Améliore la dispersion de l’air (oxygène) afin de permettre une génération d’électricité uniforme sur les surfaces de la pile. une première mondiale4 . Ils garantissent une production d’électricité uniforme sur les surfaces de la pile, autorisent des performances élevées dans des dimen- sions compactes et une densité de puissance de 3,1 kW/l (2,2 fois plus que pour le modèle de génération précé- dente, le Toyota FCHV-adv). La quantité d’eau sur les membranes d’électrolyte de la pile à combustible a une influence déterminante sur le ren- dement de production d’électricité. Le contrôle de la quantité d’eau est effectué via un système de circulation interne qui met en mouvement l’eau produite en générant l’électricité. Cette caractéristique fait de la Toyota FC Stack le meilleur sys- tème actuel au monde4 , puisque contrai- rement à ceux utilisés dans les véhicules à pile à combustible précédents de Toyota, il se passe d’humidificateur. Le FC Boost Converter Un nouveau convertisseur survolteur compact à haut rendement et haute 4 En novembre 2014, selon les recherches de TMC. capacité a été développé pour ampli- fier la puissance générée par la Toyota FC Stack jusqu’à une tension de 650 V. L’augmentation de la tension permet de réduire la taille du moteur électrique ainsi que le nombre de cellules de la Toyota FC Stack. Ainsi, le Toyota Fuel Cell System est plus petit, plus performant, avec comme conséquence un coût plus faible. Réservoirs d’hydrogène à haute pression Les réservoirs employés pour stocker l’hydrogène à très haute pression – 70 MPa (mégapascals), soit environ 700 bars – présentent une structure à trois couches faite de plastique renforcé de fibre de carbone (CFRP) et d’autres matériaux. Par rapport aux réservoirs à haute pression du Toyota FCHV-adv, la capacité de stockage a progressé d’en- viron 20 % tout en réduisant le poids et l’encombrement de manière à atteindre la valeur record4 de 5,7 %5 . 5 Masse d’hydrogène stocké rapportée à celle du réservoir. Tableau 1 : Principales caractéristiques du Toyota Fuel Cell System (TFCS). 74 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 Figure 2 : La Toyota Mirai. Un niveau de sécurité maximal La Mirai (tableau 2 et figure 2), qui bénéficie du TFCS, a été conçue en plaçant la sécurité en tête des priorités, avec une logique consistant à s’assurer que l’hy- drogène ne peut pas fuir et que dans le cas improbable ou cela se produirait, la fuite soit immédiatement détectée et l’écoulement d’hydrogène stoppé afin d’empêcher toute accumulation : gène haute pression résistants et dura- bles, avec d’excellentes performances contre la perméation de l’hydrogène ; des alertes et pouvant fermer les ro- binets d’arrêt des réservoirs ; - ments liés à l’hydrogène implantés en dehors de l’habitacle pour garantir une dissipation facile en cas de fuite. L’emploi de dispositifs tels qu’une structure qui disperse et absorbe effi- cacement l’énergie d’impact à travers de nombreux éléments garantit un haut niveau de sécurité qui protège la pile à combustible et les réservoirs d’hydrogène à haute pression en cas de choc frontal, latéral ou arrière. La structure de la Toyota FC Stack est construite à partir de plastique renforcé de fibre de carbone. Ce matériau ther- moplastique est à la fois léger, solide et facile à produire en grande série. Il protège la Toyota FC Stack en absorbant les chocs dus aux défauts de la route et aux vibrations causées par le revête- ment de chaussée. Par ailleurs, la voiture elle-même bénéficie d’une panoplie complète d’aides à la conduite avancées dédiées à la sécurité. Une excellente tenue de route et un silence exceptionnel La puissance élevée de la pile à combustible Toyota FC Stack alimente le moteur électrique, avec le renfort éventuel de la batterie pour garantir une excellente réactivité quelle que soit l’allure. À chaque accroissement de la pression sur l’accélérateur, l’augmenta- tion du couple est instantanée et suivie d’une accélération franche et progres- sive. La tenue de route et le confort profitent de la rigidité élevée de la structure, notamment autour de la sus- pension arrière, ainsi que de l’implan- tation des principaux composants tels que la Toyota FC Stack et les réservoirs d’hydrogène au centre du véhicule sous le plancher. Cette architecture permet d’abaisser le centre de gravité et d’ob- tenir une répartition des masses opti- males entre l’avant et l’arrière. Le soubassement entièrement caréné et le dessin aérodynamique des feux de jour réduisent la résistance à l’air et contribuent ainsi à une consommation faible et à la stabilité à vitesse élevée. Les ailettes situées de chaque côté à l’ar- rière participent elles aussi à la tenue de cap en ligne droite. Un niveau sonore exceptionnelle- ment bas est obtenu grâce au moteur électrique et à la réduction des bruits aérodynamiques, mais aussi grâce aux joints appliqués sur toutes les pièces de la carrosserie et à l’emploi de matériaux d’insonorisation répartis de manière optimale autour de la cabine, y compris du verre insonorisant pour le pare-brise et toutes les vitres des portes. Le mode “Bs” (brake support) opti- mise le freinage régénératif et améliore les performances du freinage lorsque le conducteur commande une décélération Caractéristiques principales de la Mirai Longueur 4 890 mm Largeur 1 815 mm Hauteur 1 535 mm Empattement 2 780 mm Voie (avant/arrière) 1 535/1 545 mm Garde au sol minimum 130 mm Longueur intérieure 2 040 mm Largeur intérieure 1 465 mm Hauteur intérieure 1 185 mm Masse à vide 1 850 kg Nombre de places 4 Tableau 2 : Caractéristiques principales de la Mirai. REE N°2/2015 75 Toyota Fuel Cell System : une nouvelle ère pour l’automobile importante, lors de longues descentes par exemple. Accès à la technologie Afin de stimuler le développement des véhicules à pile à combustible, Toyota Motor Corporation rend acces- sible sans redevance près de 5 680 brevets liés à cette technologie détenus par l’entreprise dans le monde, y com- pris certaines applications en attente de validation. Toyota considère qu’il est essentiel de favoriser la diffusion de la technolo- gie de pile à combustible dès les pre- mières étapes de son lancement. Des initiatives concertées seront vitales, tant avec les fournisseurs d’énergie qui cherchent à étendre l’infrastruc- ture de ravitaillement qu’avec les constructeurs automobiles qui veulent progresser dans le développement de véhicules à PAC en vue de leur com- mercialisation. Toyota rendra accessibles sans redevance les licences d’utilisation de ses brevets sur la pile à combustible à toutes les entreprises qui produiront et commercialiseront des véhicules équi- pés de cette technologie sur toute la période d’introduction sur le marché, qui devrait s’étendre jusque vers l’année 2020. Cette initiative inclut des brevets fondamentaux pour le développement et la production de véhicules à PAC, comme ceux liés à la pile à combustible elle-même (environ 1 970 brevets), aux réservoirs d’hydrogène haute pression (environ 290 brevets) ou à la technolo- gie de commande du système de pile à combustible (3 350 brevets). Afin d’accélérer le déploiement du réseau de distribution, Toyota ouvrira aux installateurs et opérateurs de sta- tions d’hydrogène les droits d’utilisation d’environ 70 brevets portant sur sa dis- tribution. Toyota pratique depuis longtemps une politique d’ouverture de ses droits de propriété intellectuelle en concédant sous licence certains de ses brevets. Mais en mettant à disposition gracieu- sement ses brevets liés aux véhicules à PAC, Toyota a pour objectif de promou- voir leur démocratisation et l’avènement d’une société de l’hydrogène. L'AUTEUR Sébastien Grellier est diplômé de l’École supérieure de commerce et de management (ESCEM) et titu- laire d’un Master of Science (MSc) de l’université de Sherbrooke (Canada). Sébastien Grellier (41 ans) a fait toute sa carrière dans l’automobile. Après quatre premières années chez General Motors France, il rejoint Toyota France en 2003 en qualité de chef de marque. Il est aujourd’hui Directeur, communication presse, relations extérieures et environne- ment.