Lorsqu’il s’agit de poids lourds, de gros tonnages et de longues distances, l’utilisation de l’hydrogène pour alimenter les piles à combustible semble être l’un de choix pour réduire radicalement la pollution atmosphérique. Le fait que l’hydrogène soit une solution appropriée pour décarboniser les transports est également démontré par le fait que dans le PNRR (la facilité pour la reprise et la résilience), ainsi que dans le plan énergétique européen de 2020, une place importante est accordée à ce type d’alimentation. UFI Filters, l’entreprise leader de la filtration et de la production d’échangeurs de chaleur pour véhicules à combustion, hybrides et électriques, a commencé dès 2017 à analyser les développement futurs liés aux différentes formes d’alimentation. UFI a commencé à examiner les nouveaux défis liés à l’utilisation de l’hydrogène dans les piles à combustible et les problèmes liés à la filtration, en se concentrant sur le filtre à air de la cathode de la pile à combustible, un élément qui joue un rôle stratégique et fondamental dans la purification de l’air introduit dans le système en tant que comburant de la pile, où l’oxygène présent réagit avec l’hydrogène par une réaction électrochimique capable de produire de l’énergie électrique.
LE CONTEXTE
Filtrer l’air n’a jamais été aussi déterminant
L’air introduit dans le système, avant d’arriver au compresseur et ensuite à la pile, a besoin d’une filtration efficace des particules, mais également des gaz nocifs comme le SOX, NOX, H2S, CO, O3 e NH3 des COV (composés organiques volatils), comme le benzène et le toluène. Ces gaz nocifs pour la cellule à combustible sont généralement des composés anthropiques, issus des activités humaines (produits de combustion traditionnels et dérivés du pétrole), dont la concentration dans l’air varie en fonction du contexte géographique. La filtration de l’air dans les piles à combustible joue un rôle encore plus important que dans les moteurs endothermiques classiques en termes de filtration de l’air du moteur. Pour quelle raison ? Diverses études ont montré au fil du temps que même des quantités extrêmement faibles de particules gazeuses (pas seulement des PPM – parties par million, mais même des PPB – parties par milliard) peuvent réduire considérablement les performances et la durée de vie d’une pile. Cela est dû à un certain nombre de facteurs, dont le plus important est la contamination du catalyseur, qui déclenche la réaction nécessaire pour convertir l’hydrogène et l’oxygène en électricité et en eau. Le catalyseur, un élément clé de la pile à combustible, est principalement constitué par un matériau coûteux, le platine (ou d’autres métaux précieux). La présence d’impuretés peut perturber les performances et le fonctionnement avec des effets irréversibles et une détérioration progressive dans le temps qui peut affecter la durée de vie de la pile. Dans le circuit d’air, il ne faut pas non plus oublier le compresseur, qui est très sensible aux contaminants solides présents dans l’air qui peuvent affecter ses performances.
Mais il y a plusieurs types d’air…
Les piles utilisent l’air ambiant qui fournit l’oxygène nécessaire pour la réaction électrochimique avec l’hydrogène. Mais nous savons bien que l’air n’est pas partout le même, et ses propriétés dépendent de nombreux facteurs comme la température, la pollutions locale, etc. Il faut donc tenir compte de la qualité de l’air et des lieux ou le véhicules sera utilisé, quand on développe un filtre à air cathodique, car ce qui est efficace dans une certaine région ne l’est pas nécessairement dans une autre.
La Solution de UFI Filters
Le filtre à air cathodique mis au point par UFI Filters et destiné aux application EO avec des piles à combustible possède une double fonction (filtration des particules solides et adsorption des contaminants gazeux) à double couche, les deux couches étant contenues dans un seul boîtier dont la forme et le positionnement à l’intérieur du véhicule varient en fonction des exigences de l’équipementier. Cette configuration permet de spécialiser et de personnaliser chaque couche du filtre à air cathodique en fonction d’un véhicule donné, de la région dans laquelle il sera utilisé, du kilométrage et de la durée de vie prévue, assurant ainsi des performances optimales.
La première couche possède une fonction de barrière physique, destinée à la séparation des particules solides, et a une structure similaire à celle qui est utilisée pour la filtration de l’air du moteur des véhicules à combustion interne. Elle est produite avec un média synthétique qui possède une matrice et une épaisseur différente par rapport aux filtres conventionnels, offrant des caractéristiques d’accumulation différentes et une faible perte de charge du système. Elle a pour fonction de piéger la poussière, même extrêmement fine ; elle piège également les particules de sel, un composé utilisé en hiver pour dégivrer les routes, présent dans les zones côtières et nocif pour les piles à combustible. Son positionnement en amont de la deuxième couche est stratégique car il permet de protéger le charbon actif de la deuxième couche, qui est très sensible à la présence de particules qui limitent sa capacité d’adsorption des gaz.
La deuxième couche possède en revanche une fonction chimique, car sa tâche est d’enlever par le biais de l’adsorption les contaminants gazeux. Elle est produite avec un média filtrant possédant une matrice en tissu non tissé, auquel est mélangé du charbon actif de différents types. Grâce à l’expérience de UFI Filters dans la production de matériaux de filtration, le charbon actif utilisé pour cette application spécifique n’est pas de type conventionnel, mais modifié avec des traitements thermiques particuliers et des réactions chimiques avec des sels inorganiques. De cette façon, en plus de présenter des dimensions physiques différentes des trous (dues au traitement de surface), les charbons actifs acquièrent la capacité d’absorber les gaz auxquels ils sont liés par des liaisons chimiques de différents types. UFI Filters peut ainsi offrir au client, pour une application donnée, une gamme diversifiée du même filtre, où la variable est formée par les différents mélanges de charbon actif, pour respecter les différentes régions où le véhicule sera vendu.
La proposition innovante de UFI Filters pour les filtres cathodiques se distingue grâce au savoir-faire consolidé dans les médias filtrants, étudiés et produits en interne. Ces connaissances ne concernent pas seulement les matériaux utilisés pour les médias filtrants, mais aussi l’application de différentes géométries et leur traitement pour améliorer les performances du produit. Le plissage en est un exemple : les performances d’un filtre plissé sont étroitement liées à la façon dont les plis sont réalisés. Chez UFI Filters, un département hautement spécialisé travaille à la recherche de paramètres optimisés, qui sont ensuite transmis aux différentes usines mondiales de l’entreprise afin de garantir le même niveau élevé de performance partout.
Il y a plus
Pour certaines applications, à côtés des deux couches, UFI Filters propose la présence d’éléments de pré-séparation pour le traitement préliminaire de l’air contenant des particules solides en grande quantité, avant que cet air arrive dans le filtre à air cathodique.
Les premiers prototypes fonctionnels
Certains prototypes fonctionnels de UFI Filters, destinés à des applications OEM mondiales dans le domaine des camions, autobus, véhicules utilitaires légers, sont déjà en phase de test dans différentes régions du monde et les matériaux sont presque définitif, pour une production en série, qui est prévue d’ici 2025-26.
Grâce à son savoir-faire, à son expérience dans l’équipement d’origine et à son empreinte industrielle mondiale, UFI Filters est prête pour le futur de la mobilité durable.
