Aperçu du système de pile à combustible « Performance Warrior »

Cela signifie que l'industrie dispose désormais d'une réponse plus claire à la question fondamentale : « Qu'est-ce qu'un bon système de pile à combustible ? » Ce système y répond par des actions concrètes. En se concentrant sur les deux principaux scénarios que sont l'automobile et la production d'électricité, le Dr Hou Junbo a piloté l'équipe technique afin d'optimiser la conception et l'amélioration continue des indicateurs clés tels que la stabilité du système, sa fiabilité, sa consommation d'hydrogène, son taux de défaillance et sa durée de vie. Il a ainsi livré à l'industrie deux réalisations remarquables : un système de moteur automobile et un système de stockage d'énergie hydrogène pour la production d'électricité.

Dans le domaine automobile, nous avons achevé le développement d'une série de systèmes de moteurs à pile à combustible d'une puissance de 30 kW à 235 kW, qui peuvent être largement utilisés dans de nombreux véhicules tels que les voitures particulières, les autobus urbains, les camions légers, moyens et lourds, les chariots élévateurs, les remorques, les engins de chantier, etc.

Produits de moteurs à pile à combustible pour l'automobile (70 kW à gauche, 235 kW à droite)

Parmi eux, 17 bus à pile à combustible à hydrogène équipés de systèmes embarqués HYPSR-04 de 70 kW ont récemment fourni des données d'exploitation impressionnantes : ces 17 bus circulent sans interruption depuis près d'un an et demi dans le comté de Jiashan, ville de Jiaxing, province du Zhejiang, avec un kilométrage total de 800 000 kilomètres et une consommation moyenne d'hydrogène de 3,7 kg/100 km, ce qui est bien inférieur à la moyenne du secteur de 5 kg/100 km, démontrant ainsi des avantages significatifs pour la transformation des transports publics de la ville de Jiashan vers une économie d'énergie et une protection de l'environnement.

Bus du comté de Jiashan

Outre le coût d'achat, la consommation d'énergie aux 100 kilomètres est un indicateur économique majeur pour un véhicule. Pour commercialiser les véhicules à pile à combustible, il est essentiel, en plus de réduire les coûts à tous les niveaux, de diminuer leur coût d'utilisation et de réduire la consommation d'hydrogène afin d'améliorer leur rendement énergétique. Les données relatives à la faible consommation d'hydrogène témoignent de la fiabilité des systèmes de pile à combustible et de l'adéquation entre la puissance du véhicule et celle de la pile.

Par ailleurs, le faible taux de panne est un autre atout majeur de cette série de bus en service. Le système de pile à combustible à hydrogène de 70 kW répond non seulement aux besoins d'exploitation quotidiens des bus, mais fournit également une puissance stable et efficace même en cas d'utilisation intensive et prolongée, sans défaillances significatives, ce qui atteste de son adaptabilité aux conditions routières complexes et aux variations climatiques.

« Le kilométrage total est de 800 000 kilomètres, et la consommation moyenne n’est que de 3,7 kg/100 kilomètres. Le fonctionnement optimal dans divers environnements témoigne de la fiabilité et de la praticité de notre technologie de pile à combustible à hydrogène, et démontre également son immense potentiel. L’utilisation des piles à combustible à hydrogène aura un impact considérable sur la ville de Jiashan et l’ensemble du secteur des transports publics, et constitue une référence importante pour d’autres villes souhaitant adopter des bus à énergie propre. »

Les véhicules à énergies nouvelles sont toujours confrontés à des questions de stabilité et de fiabilité dès les premières phases de leur développement, et les véhicules à pile à combustible à hydrogène ne font pas exception. Chaque lot de véhicules lancé par les fabricants de piles à combustible doit non seulement faire l'objet de tests de performance sur le marché, mais aussi tester la confiance des autorités locales, des opérateurs et même de l'ensemble du secteur.

Afin de fabriquer des produits dignes de confiance pour le marché et d'assurer la stabilité et la durabilité du système de pile à combustible automobile, Liyuan Technology a consacré des efforts et une expertise extraordinaires à la conception de l'architecture du système, au mécanisme de diagnostic des pannes et à la surveillance de l'état de fonctionnement, veillant à ce que chaque étape soit optimisée, utilisant la puissance de la science et de la technologie pour bâtir les fondements de la qualité et faisant de la sécurité et de la fiabilité une marque distinctive du produit.

« Nous avons intégré un système de diagnostic des pannes au sein du système de commande du moteur, capable de diagnostiquer rapidement les principaux types de défauts, tels qu'une pression anormale dans le circuit d'air, une différence de pression hydrogène-air excessive, une pression d'hydrogène anormale, une pression insuffisante dans le circuit de refroidissement, une température élevée du liquide de refroidissement et le blocage de la vanne de purge. Nous avons également mis en place un mécanisme de protection pour les pannes susceptibles d'entraîner des conséquences graves, afin de limiter au maximum les dommages au moteur », a précisé le Dr Hou Junbo.

Parallèlement, chaque système de pile à combustible embarqué est intégré à TBOX (voir figure ci-dessous), qui assure une surveillance en temps réel et alerte le système de contrôle en cas de dégradation des performances sur une période prolongée, et met en œuvre des stratégies de récupération des pannes. Le système de transmission de données en temps réel basé sur TBOX permet de surveiller à distance l'état de fonctionnement du système de pile à combustible et de diagnostiquer les pannes à distance. De plus, l'ensemble de données de fonctionnement, en constante expansion, peut être analysé, enrichi et exploité pour identifier les informations relatives aux pannes, et ainsi améliorer en continu le mécanisme de diagnostic intelligent basé sur les données.

Système de surveillance à distance des terminaux TBOX

Il ne fait aucun doute qu'avec sa grande stabilité, sa faible consommation d'hydrogène et la durabilité de son système de pile à combustible, ce « nouveau venu » dans le domaine des piles à combustible a ouvert la voie au marché des véhicules à hydrogène, qui représente des milliards de dollars.

Outre les applications automobiles, la production d'énergie fixe représente également un domaine d'application en plein développement. GGII prévoit que d'ici 2030, la capacité installée cumulée de stockage d'énergie par piles à combustible en Chine devrait atteindre 5 GW, et que le marché potentiel des systèmes de production d'énergie par piles à combustible devrait croître de plus de 24 milliards de yuans entre 2023 et 2030.

En se concentrant sur les quatre performances clés que sont la modularité, l'intelligence, la stabilité et la durabilité, et la fiabilité, les systèmes fixes de production d'énergie sont déjà présents sur le marché du stockage de l'énergie hydrogène.

La puissance nominale du module de production d'énergie de l'armoire est de 100 kW et la sortie est de 380 V CA ; la puissance nominale du module conteneur est de 1 MW et la sortie est de 10 kV CA.

Module de production d'énergie de type armoire (à gauche), module de production d'énergie de type conteneur (à droite)

Le module de production d'énergie peut fonctionner de manière autonome et permet une extension en parallèle de plusieurs modules. Associé à des transformateurs et à des unités de stockage d'énergie, il permet de déployer avec souplesse une production d'énergie distribuée d'une capacité modulable de 100 kW à 100 MW. Il se caractérise par une production standardisée, un transport intégré et une installation sur site simplifiée.

Deuxièmement, chaque module de production d'énergie possède des fonctions de contrôle indépendantes et cohérentes, ce qui garantit l'intelligence de l'ensemble du système de production d'énergie afin d'atteindre l'objectif de réduction de la consommation et de l'atténuation de l'hydrogène.

Le module conteneurisé intègre quatre systèmes de piles à combustible. Le contrôleur de micro-réseau reçoit des commandes externes et envoie des signaux de contrôle à chaque système de pile à combustible et à l'onduleur. Lorsque plusieurs modules fonctionnent en parallèle, les données de fonctionnement de chaque système de pile à combustible sont transmises au niveau du module et connectées en temps réel et à haute vitesse au système de gestion intelligente de l'énergie. Ceci permet une planification centralisée via le cloud ainsi qu'une exploitation et une maintenance à distance.

Le système intelligent de gestion de l'énergie optimise en temps réel la puissance de chaque pile à combustible, améliorant ainsi le rendement moyen de chaque pile, réduisant la consommation totale d'hydrogène du système et compensant les fluctuations de puissance pour limiter la dégradation des performances. Au niveau du système, ce système adapte automatiquement le mode de consommation d'énergie en fonction des caractéristiques de consommation, évitant ainsi les arrêts et redémarrages fréquents, les variations de charge importantes et autres situations sources de pertes.

Troisièmement, les applications de production d'énergie fixe imposent des exigences extrêmement élevées en matière de stabilité et de durabilité des piles à combustible. Liyuan Technology a optimisé ses processus à tous les niveaux, des matériaux aux composants, jusqu'au système. Par exemple, grâce à la sélection de matières premières clés telles que la membrane échangeuse de protons (PEM), la couche de diffusion de gaz (GDL) et le catalyseur, ainsi qu'à l'optimisation structurelle de l'ensemble membrane-électrode (MEA), l'équipe de R&D spécialisée dans les électrodes à membrane a développé une électrode à membrane à structure multicouche. Cette électrode offre la durabilité requise pour les centrales électriques fixes. De plus, l'optimisation des stratégies de réponse du système lors des phases de démarrage/arrêt, de charge variable et de forte/faible charge permet d'éviter la dégradation de matériaux tels que la membrane échangeuse de protons, le catalyseur et la couche de diffusion de gaz, et d'allonger ainsi la durée de vie de la pile.

Quatrièmement, au niveau de la conception et du contrôle du système, diverses méthodes sont utilisées conjointement pour améliorer la fiabilité de la pile à combustible.

Une méthode de contrôle coordonnée du compresseur d'air et de la vanne de contre-pression a été développée pour le système d'alimentation en air, permettant de découpler le débit d'air et la pression d'admission. Ainsi, les deux peuvent répondre rapidement et précisément aux exigences du système, tout en conservant une grande robustesse même en cas de variations importantes des conditions de travail et des conditions environnementales, évitant efficacement les dommages à la cheminée dus à une alimentation en air insuffisante dans des conditions de charge variables.

Une méthode de commande en boucle fermée adaptative et anticipative de la vanne proportionnelle d'éjection d'hydrogène a été développée pour le système de circulation d'hydrogène. Cette méthode synchronise précisément l'ouverture de la vanne de décharge d'hydrogène et le changement d'ouverture de la vanne proportionnelle, et permet de supprimer efficacement les fluctuations de pression de part et d'autre de l'électrode à membrane causées par l'ouverture de la vanne de décharge d'hydrogène, réduisant ainsi considérablement le risque de perforation de l'électrode à membrane.

Un observateur d'état a été conçu pour la teneur en eau de la membrane, qui estime la teneur en eau liquide sur les côtés anodique et cathodique de la pile en fonction de l'estimation du débit d'hydrogène anodique et de la différence de pression d'entrée et de sortie de la pile cathodique, et contrôle la teneur en eau de la membrane en temps réel dans une plage raisonnable en ajustant le temps d'ouverture de la vanne de décharge d'hydrogène et le taux d'excès d'air, réduisant ainsi efficacement la fréquence des défaillances de séchage et d'engorgement de la membrane.

« Notre système de production d'énergie à pile à combustible est véritablement stable et fiable, et convient aux centrales électriques fixes de différentes tailles », a conclu Liyuan Technology.

Il est entendu que dans le cadre du projet de démonstration d'énergie intelligente zéro carbone sur le site de l'usine de l'entreprise, le projet de centrale électrique utilisant l'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène et la technologie de production d'électricité par pile à combustible fonctionne de manière stable, avec un rendement de conversion électricité-hydrogène-électricité de 35 %, ce qui représente un avantage évident en termes d'efficacité dans le secteur.

Sur le plan industriel, le stockage de l'hydrogène, technologie représentative du stockage d'énergie à long terme, bénéficie du soutien officiel aux nouvelles énergies renouvelables. La baisse des coûts de production, de stockage et de transport de l'hydrogène devrait favoriser le développement des dispositifs de production d'énergie décentralisée.

Bien que l'application de la production d'énergie par piles à combustible soit encore à ses débuts et se heurte à de nombreuses difficultés et défis à surmonter, en tant que pionnière du secteur, elle a exploré en profondeur les scénarios d'application avec une vision d'avenir et des mesures fermes, et a surmonté les difficultés techniques une à une, ouvrant la voie au développement des applications de production d'énergie par piles à combustible.