Les principaux composants spécifiques de la Toyota Mirai comprennent trois réservoirs de stockage d’hydrogène sous haute pression (700 bars), une pile à combustible d'environ 40 kilogrammes, une petite batterie tampon au lithium-ion de 300 volts, pesant seulement 45 kg, ainsi qu'un moteur électrique de 130 kW.
Les véhicules à hydrogène, tout comme leurs homologues électriques, offrent une solution pour réduire les émissions de carbone dans le secteur des transports. Pour les conducteurs qui parcourent de longues distances, l'hydrogène représente la réponse idéale. On prévoit une augmentation rapide de l'adoption de ce type de véhicules, ce qui souligne l'importance croissante de l'après-vente. Bien qu'ils soient fiables, ces véhicules nécessitent davantage de maintenance que les véhicules entièrement électriques.
Devant les perspectives de développement des véhicules fonctionnant à l’hydrogène, des organismes tels que le GNFA, le Cesvi ou encore Daf Conseil proposent aux garagistes des formations d’une journée sur la maintenance de base de ces véhicules. Ces programmes, proposés à un tarif compris entre 500 et 600 euros hors taxes, couvrent divers aspects, notamment la nature de l'hydrogène, ses procédés de production, les mesures de sécurité lors de sa manipulation, le stockage à bord, le fonctionnement des piles à hydrogène, l'architecture d'un véhicule hydrogène, ainsi que l'entretien des différents composants et circuits.
Une petite usine chimique qui produit l’électricité à bord
Quels sont les éléments constitutifs d'un véhicule à hydrogène et comment fonctionne-t-il ? Pour illustrer cela, prenons la Toyota Mirai, qui est de loin le modèle de véhicule à hydrogène le plus répandu, avec ses premiers modèles sortis des lignes de production il y a 10 ans. Les principaux composants spécifiques de ce véhicule comprennent trois réservoirs de stockage d’hydrogène sous haute pression (700 bars), une pile à combustible d'environ 40 kilogrammes, constituée de 330 cellules à électrolyte, une petite batterie tampon au lithium-ion de 300 volts, pesant seulement 45 kg, ainsi qu'un moteur électrique de 130 kW.
En effectuant une réaction chimique entre l'oxygène de l'air, capté à l'avant du véhicule, et l'hydrogène provenant des réservoirs au sein de la pile à combustible, on génère de l'électricité aux bornes de celle-ci. Cette électricité est utilisée pour alimenter à la fois le moteur électrique de propulsion et pour charger la batterie, en suivant des paramètres programmés et en fonction des besoins de puissance pendant la conduite. Un calculateur régule la quantité d'oxygène et d'hydrogène nécessaire à la production d'électricité via des électrovannes, en tenant compte des conditions de conduite et des exigences en puissance.
La réaction chimique qui se déroule dans la pile à combustible, impliquant ses électrolytes, génère également de l'eau. Cette eau, souvent sous forme de condensation, est évacuée hors du véhicule pendant la conduite via une pompe et un tuyau d'échappement. Avant d'être injecté dans la pile à combustible, l'hydrogène subit une réduction de pression grâce à un réducteur situé en sortie des réservoirs. L'air nécessaire à la pile est acheminé par un compresseur électrique, passant préalablement par un filtre chargé électriquement pour capturer les particules polluantes microscopiques, assurant ainsi que l'air soit le plus pur possible. Ce système est efficace pour éliminer jusqu'à 95 % des particules nocives. De plus, l'énergie générée lors du freinage est récupérée pour recharger la batterie, réduisant ainsi l'usure des plaquettes et des disques, similairement à un véhicule électrique à batterie.
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Des éléments implantés de manière équilibrée
La Toyota Mirai est équipée de trois réservoirs d'hydrogène. Le plus grand est positionné longitudinalement sous le plancher du véhicule, tandis que deux autres, plus petits, sont situés sous le coffre et les sièges arrière. Cette disposition contribue à abaisser le centre de gravité du véhicule. Le ravitaillement en hydrogène est similaire à celui d'un carburant conventionnel et prend environ 5 minutes.
Trois capteurs installés à l'avant, au centre et à l'arrière du véhicule détectent toute fuite éventuelle d'hydrogène, un gaz hautement inflammable, inodore et incolore. En cas d'alerte, une électrovanne coupe l'alimentation en gaz, la pile à combustible s'arrête, et un système de ventilation expulse l'hydrogène potentiellement présent à bord. Les réservoirs sont dotés de soupapes de surpression et de capteurs de pression pour éviter tout risque d'explosion.
La batterie et le moteur sont installés au-dessus de l'essieu arrière, tandis que la pile à combustible est située à l'avant, intégrée à l'unité d'électronique de puissance. Tous les composants nécessaires au fonctionnement de la pile, tels que la pompe à eau, l'échangeur de chaleur, le compresseur d'air et la pompe de recirculation d'hydrogène, sont regroupés à proximité.
Comme un moteur thermique, la pile à combustible génère beaucoup de chaleur et nécessite un système de refroidissement similaire à celui des véhicules traditionnels. Bien que son utilisation soit encore relativement récente, la pile à hydrogène est conçue pour une durée de vie de 7 000 à 8 000 heures, permettant une autonomie d'environ 350 000 km sur une période d'environ vingt ans. Selon les recommandations de Toyota, la pile à combustible et les réservoirs doivent être remplacés tous les 20 ans dans le cadre de l'entretien, sous réserve d'une utilisation constante et régulière de la pile.
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Une technologie qui réclame peu de maintenance
Hysetco, exploitant un parc de 550 Toyota Mirai, se positionne en tant que laboratoire de pointe pour la mobilité légère à l'hydrogène. Selon Stéphane Ptak, responsable des flottes, la fiabilité de la technologie est remarquable : « Nos véhicules parcourent 75 000 km par an avec très peu d'interventions. En moyenne, une quarantaine de véhicules entrent en atelier chaque jour, principalement pour des problèmes mineurs tels que des crevaisons ou des dommages de carrosserie ». Les seules vérifications nécessaires concernent les fuites d'hydrogène, détectées à l'aide d'un équipement spécifique, ainsi qu'un examen visuel des réservoirs, qui n'ont jamais révélé de problèmes. Cependant, malgré cette fiabilité, le programme d'entretien du constructeur et les observations de Régis Bodin, expert chez Daf Conseil, soulignent que, comparé à un véhicule entièrement électrique, un véhicule à hydrogène nécessitera un entretien plus fréquent, avec des intervalles de maintenance tous les 15 000 km.
En premier lieu, il est essentiel de vérifier l'étanchéité, particulièrement renforcée dans le cas de l'hydrogène, ainsi que le bon fonctionnement des composants du circuit d'alimentation en hydrogène de la pile, notamment les détecteurs de fuite, l'état des réservoirs, des vannes, des conduites et de l'unité d'alimentation. Il est important de noter que toutes les pièces liées à l'hydrogène ont une durée de vie limitée, avec une date d'expiration réglementée et indiquée sur la trappe à carburant. De plus, le circuit de refroidissement doit être régulièrement entretenu, incluant les radiateurs, les circuits de liquide de refroidissement et la pompe à eau, le liquide de refroidissement étant spécifique avec des propriétés d'isolation électrique particulières. Un filtre ionique est également utilisé pour protéger les conduites de refroidissement de la pile à combustible et doit être remplacé périodiquement. De plus, le véhicule à hydrogène est équipé d'un système d'admission d'air nécessitant le remplacement régulier des filtres.
Enfin, lors d'interventions sur un véhicule à hydrogène, qui reste un véhicule électrique, des mesures de sécurité spécifiques peuvent être requises, notamment une consignation et une habilitation électrique. Plus surprenant, il y a un flou réglementaire concernant l’hydrogène assure Régis Bodin. « Il n’y a pas de réglementation claire et bien définie en ce qui concerne les habilitations nécessaires pour travailler dans cet environnement hydrogène pourtant très inflammable » s’étonne le responsable. Il faut néanmoins veiller en cas de chocs, et en attente de réparation, que le véhicule soit stocké dans une zone sécurisée.
Des véhicules à hydrogène encore peu nombreux sur les routes
Selon les derniers chiffres de France Hydrogène, notre pays compte un millier de véhicules roulant à l’hydrogène. Autant dire que leur mise en circulation reste encore très confidentielle et fait l’objet de flottes captives, comme les taxis qui parcourent beaucoup de kilomètres. La faible autonomie des véhicules 100 % électriques, avec leur long temps de recharge des batteries, ne convient pas aux usages de ces professionnels de la route, qui, pour les plus vertueux d’entre eux, se tournent alors vers l’hydrogène. Il existe à ce jour peu de modèles de véhicules électriques fonctionnant avec une pile à hydrogène. On peut citer la BMW iX5, les Honda Clarity et CR-V, la Hyundai Nexo, la Mercedes GLC et les Toyota Crown et Mirai. Tous ces véhicules embarquent dans leurs réservoirs entre 5 et 6 kilogrammes d’hydrogène compressé pour une autonomie comprise entre 500 et 600 km. Il faut donc approximativement 1 kg d’hydrogène, vendu 15 euros, pour parcourir 100 km.
