Performance accrue, nouveau design : Schaeffler développe une nouvelle génération de plaques bipolaires pour les entraînements à piles à combustible
Les stacks des piles à combustible équipés de nouvelles plaques bipolaires métalliques Schaeffler ont une densité de puissance supérieure d’environ 20 pour cent à celle des stacks équipés de plaques de la génération précédente.
- Schaeffler fabrique d’ores et déjà les plaques pour les prototypes et les petites séries des constructeurs automobiles sur une installation pilote à Herzogenaurach
- Le design des plaques a été conçu spécifiquement pour l’industrialisation à grande échelle
Bühl/Herzogenaurach | 4 septembre 2023 | Elles sont la pièce maîtresse de tout système de piles à combustible : les plaques bipolaires. Avec une nouvelle génération de plaques bipolaires métalliques pour les piles à combustible PEM, Schaeffler prouve ses compétences en matière de développement pour l’avenir de la mobilité à l’hydrogène. Les plaques présentent un nouveau design optimisé pour les productions en grandes série et un procédé de revêtement innovant qui accroît considérablement leur durée de vie. Les stacks équipés atteignent en outre une densité de puissance d’environ 20 pour cent supérieure à celle des stacks équipés de plaques de la génération précédente. « Schaeffler mise également sur l’hydrogène pour la propulsion de véhicules utilitaires, notamment pour les longs trajets. Nous développons des composants individuels et des sous-systèmes pour les piles à combustible et préparons leur industrialisation », rapporte Matthias Zink, CEO Automotive Technologies. À Herzogenaurach, l’entreprise produit les nouvelles plaques pour de nombreux prototypes et petites séries de constructeurs automobiles internationaux, jusqu’à plusieurs dizaines de milliers d’unités. La ligne de fabrication pilote fait partie du centre de compétence pour l’hydrogène de l’entreprise, qui comprend également de nombreux bancs d’essai et installations de test. L’unité de production entièrement automatisée est par ailleurs conçue pour fabriquer des plaques plus grandes pour les électrolyseurs. Schaeffler œuvre ainsi pour la durabilité des déplacements et de la fourniture d’hydrogène vert. Grâce à son savoir-faire en matière de systèmes, Schaeffler développe également, en collaboration avec ses clients, des plaques bipolaires et des composants individuels pour les systèmes de piles à combustible. À partir de début 2024, Schaeffler fabriquera des plaques bipolaires dans le cadre de la co-entreprise Innoplate créée avec Symbio à Haguenau, en France.
Un nouveau design de plaques pour une densité de puissance accrue
Au premier abord, les plaques bipolaires passent presque inaperçues, car elles ont à peu près la taille d’une feuille A4 et pèsent environ 60 grammes. Néanmoins, elles assurent des fonctions essentielles dans une pile à combustible : elles séparent et distribuent les gaz du processus ainsi que le liquide de refroidissement, puis évacuent l’eau produite par la réaction chimique. « Schaeffler a mis au point un design innovant qui exploite au mieux la surface disponible des plaques. En effet, plus les structures sur les plaques bipolaires sont fines et précises, plus leur fonctionnement est efficace », commente le Dr Jochen Schröder, directeur de la division E-Mobilité chez Schaeffler. Nous obtenons ainsi une densité de puissance du stacks des piles à combustible de 4,6 kilowatts par litre sur la base du volume du stacks, (incluant les plaques terminales et le système de mise sous contrainte).
Pour l’entraînement d’un véhicule, plusieurs centaines de plaques bipolaires sont empilées les unes sur les autres pour former le stacks des piles à combustible. Toujours en alternance avec la membrane MEA également appelée cellule. Dans cet assemblage, les cellules représentent jusqu’à 80 pour cent du poids de la pile et jusqu’à 65 pour cent de son volume. Si l’on empile 400 de ces cellules, le stack atteint une puissance électrique totale de 140 kilowatts, suffisante pour propulser des véhicules utilitaires légers. Les véhicules utilitaires lourds pesant jusqu’à 40 tonnes sont généralement alimentés par l’énergie motrice de deux blocs.
Fabrication à l’échelle industrielle
Schaeffler s’attelle aussi à préparer sa nouvelle génération de plaques bipolaires pour une industrialisation à grande échelle. Les experts parlent de « Design for manufacturing » (ou DFM). L’objectif consiste à concevoir un process efficace et adaptée à la production en série, destinée à favoriser la percée de la mobilité à l’hydrogène. À cet effet, notre entreprise tire parti de ses compétences de longue date dans la technique d’estampage et de formage. Grâce à un haut degré de précision, nous produisons des structures d’estampage ultra fines sur les plaques d’une épaisseur de 50 à 100 micromètres.
Le système de revêtement constitue un autre argument clé de vente des plaques bipolaires métalliques de Schaeffler. La fonction du revêtement est de maintenir une conductivité électrique élevée pendant toute la durée de vie de la pile à combustible. Avec la gamme « Enertect », Schaeffler a mis au point plusieurs revêtement haute performance pour les plaques bipolaires. Selon les demandes spécifiques des clients, ils viseront à assurer des durées de vie élevées, une empreinte carbone aussi faible que possible ou encore un rapport qualité-prix optimisé. « Nos compétences en matière de traitement de surface nous permettent de proposer à chaque client des avancées pour développer une couche de revêtement adaptée à son application, dans un souci d’équilibre entre coûts, de performances et d’émissions de CO₂ du produit spécifique », rapporte Jochen Schröder. Les revêtements sont appliqués par le procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD, Physical Vapour Deposition), issue de la production de composants de commande de soupapes fortement sollicités puis perfectionné, dont l’efficacité est éprouvée des millions de fois. Enfin, l’étanchéité est un autre critère de qualité et de sécurité essentiel pour une pile à combustible. Pour y répondre, Schaeffler utilise un procédé de soudage au laser développé en interne pour rendre les cellules étanches au gaz et à l’eau ou, au choix, des joints moulés par injection ou sérigraphiés.
