VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLEPartie 2: Véhicules hybrides et à pile à combusible

Pierre Duysinx

Université de Liège

Année Académique 2018-2019

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Références bibliographiques

◼ R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition. 2002. Society of Automotive Engineers (SAE)

◼ C.C. Chan and K.T. Chau. « Modern Electric Vehicle Technology » Oxford Science Technology. 2001.

◼ R. Kaller & J.-M. Allenbach. Traction électrique. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes. Vol 1 et 2. 1995.

◼ Le véhicule électrique. Educauto. www.educauto.org

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Plan de l’exposé

◼ Introduction

◼ Historique

◼ Traction électrique des véhicules routiers

◼ Motorisation électrique

◼ Moteurs DC

◼ Moteurs AC asynchrones

◼ Moteurs AC synchrone

◼ Systèmes de stockage d’énergie

◼ Batteries

◼ Supercondensateurs

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Plan de l’exposé

◼ Architecture de la chaîne de traction électrique

◼ Motorisation électrique centralisée et distribuée

◼ Moteurs et moteurs roues

◼ Bornes de recharge électriques

◼ Connecteurs

◼ Communications

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Plan de l’exposé

◼ Véhicules hybrides: définition et catégories

◼ Véhicule hybride

◼ Véhicule hybride électrique

◼ Catégories: hybrides séries, parallèles, complexes, full et mild, charge depleting et charge sustaining

◼ Piles à combustible

◼ Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H2 – O2

◼ La pile réelle: rendement

◼ Applications mobiles

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Véhicules hybrides

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Réduire les émissions de CO2

source: www.nrel.org

Couper le moteur

à l’arrêt

Améliorer le rendement du moteur, downsizing

du moteur, réduction des frottements internes

Récupération

d’énergie au freinage

Réduction de masse, du S Cx,

de la résistance des pneumatiques…

Carburants

avec moins de

carbone

Maîtrise des

équipements

Simplification

transmission

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Vers l’hybridation

◼ Problème du fonctionnement des systèmes de propulsion: la très grande variabilité des régimes de fonctionnement

◼ Objectif: dimensionner à la puissance moyenne!

◼ Moyen: stocker l’énergie véhicule hybride

Source G. Coquery, INRETS 8

Vers l’hybridation

◼ Hybridation:

◼ Combiner les motorisations thermiques et électriques pour mettre en avant leurs avantages et masquer les inconvénients

◼ Utiliser un stockage de l’énergie pour diminuer l’effet des fluctuations

◼ Amélioration de l’efficacité :

◼ Downsizing moteur

◼ Moteur thermique fonctionne dans des conditions optimales

◼ Nivellement des pics de puissance

◼ Récupération d’énergie au freinage

◼ Mode zéro émission possible9

Vers l’hybridation

◼ Différents niveaux d’hybridation:

◼ Arrêt du moteur lors de l’arrêt du véhicule (Start & Stop)

◼ Assistance du moteur par un moteur électrique (Integrated Motor Assist)

◼ Ex Honda Insight

◼ Hybridation complète

◼ Ex Toyota Prius

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Véhicules électriques et hybrides

◼ Estimation des gains de l’hybridation:

◼ Arrêter le moteur si à l’arrêt: 8% gain de CO2

◼ Récupération d’énergie au freinage : 13% de CO2

◼ Downsizing du moteur : 30% CO2 de gain

◼ Hybridation complète: 45% CO2 de gain

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Technologies pour réduire les émissions de CO2

◼ Autres actions possibles pour réduire la consommation:

◼ Réduire la masse, mais en opposition avec la demande d’un plus grand confort, d’une plus grande sécurité et des voitures de plus haut de gamme

◼ Réduire la traînée aérodynamique: Cx et surface frontale

◼ Améliorer les pneumatiques

◼ Faire évoluer la transmission

◼ Maîtrise de la consommation des accessoires: Air conditionné, systèmes électriques (GPS, etc.)

◼ Système de navigation optimisé et intelligent

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Véhicules hybrides

◼ Définition d’un véhicule hybride: un véhicule hybride est un véhicule qui combine l’utilisation et le stockage de deux ou de plusieurs sources d’énergie.

◼ Sources d’énergie possibles:

◼ Chimique : énergie du carburant transformée en énergie mécanique avec un moteur thermique par exemple

◼ Électrique: batteries, moteurs électriques

◼ Cinétique: volants d’inertie

◼ Élastique: sous forme hydraulique ou pneumatique

◼ Nucléaire

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Véhicules hybrides

◼ Pour les véhicules routiers:

◼ La source d’énergie principale est généralement un moteur à combustion interne (moteur à pistons)

◼ La source d’énergie auxiliaire ou secondaire est :

◼ électrique (le plus souvent)

◼ hydraulique

◼ pneumatique

◼ cinétique

◼ Dans l’avenir la source d’énergie principale pourrait être aussi une pile à combustible

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Source d’énergie principale

◼ Motorisations alternatives au moteur à combustion interne◼ Possibilité de faire fonctionner le moteur à charge constante

et vitesse de rotation fixe

◼ Regain d’intérêt sur les turbine à gaz et les moteurs à vapeur

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Source d’énergie principale

◼ A moyen ou long terme, the piles à combustible peuvent servir de convertisseur d’énergie principal:◼ Technologie en pleine évolution positive

◼ Pile à Hydrogène ou au méthanol

◼ Problèmes principaux: le système de stockage ou de reformage du carburant

◼ Le réseau de distribution et de vente

◼ Autres problèmes: la fiabilité et le temps de vie…

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Véhicules hybrides

◼ Véhicule hybride électrique: une véhicule dans lequel l’énergie de propulsion est disponible sous deux ou plusieurs formes ou plusieurs types de stockage, sources ou convertisseurs et dont au moins une d’elles peut délivrer de l’énergie électrique (Chan, 2002)

◼ Idem, hybrides hydrauliques.

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Véhicules hybrides

Principe de fonctionnement des véhicules hybrides hydrauliques

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Véhicules hybrides

◼ On appelle « full hybrid » ou hybrides complets, les véhicules qui peuvent se mouvoir à basse vitesse sans utiliser leur moteur thermique (ou de l’énergie chimique). D’autres auteurs parlent de « full hybrid » lorsque les deux sources d’énergie peuvent être utilisées pour mouvoir le véhicule pendant un temps significatif.

◼ Au contraire les «mild hybrid » ou hybrides partiels ont toujours besoin de la source d’énergie primaire. La source d’énergie secondaire est soit incapable de mouvoir seule le véhicule, soit elle ne peut le faire que pendant de très courtes périodes en aidant la source principale.

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Véhicules hybrides

◼ Dans les hybrides partiels, on distingue encore plusieurs sous-catégories.

◼ Les hybrides Stop & Start sont utilisés pour pouvoir permettre de couper le moteur thermique à l’arrêt et de le redémarrer rapidement à la demande.

◼ Les Alterno-Démarreur Intégrés avec Amortissement (ISAD)sont des hybrides qui autorisent le moteur électrique à mouvoir le véhicule en plus de la fonction stop & start.

◼ Les hybrides avec Assistance du Moteur Intégrée (IMA) sont similaires au Alterno-Démarreurs Intégrés, mais ils possèdent un plus gros moteur électrique qui peut être utiliser pour mouvoir effectivement le véhicule.

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Véhicules micro-hybrides

◼ Le système Stop & Start se base sur le principe de l'alterno-démarreur qui associe la boîte de vitesses robotisée à l'alternateur. A l'utilisation, ce système se manifeste par l'arrêt du moteur pendant l'immobilisation du véhicule : dans les bouchons par exemple. Le moteur redémarre, sans surconsommation, au lâché de la pédale de frein. Le Stop & Start réduit ainsi la consommation et les émissions de CO2 d’environ 10 %. Ce système est essentiellement rentable en cycle urbain sans toutefois pénaliser les performances extra urbaines

Citroën C3 stop&start

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Véhicules hybrides

◼ On distingue encore les hybrides séries des hybrides parallèles.

◼ Dans un hybride série, la source d’énergie primaire est utilisée pour actionner une génératrice de courant qui peut soit recharger les batteries soit délivrer de la puissance au moteur électrique qui est le seul à mouvoir les roues.

Hybride série

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Véhicules hybrides

◼ Dans un hybride parallèle, les deux types de motorisation peuvent actionner les roues indépendamment l’une de l’autre ou en combinaison.

Typiquement le réservoir à carburant fournit de l’énergie au moteur thermique pendant que, en parallèle, les batteries délivrent de l’énergie électrique au moteur électrique.

Hybride parallèle23

Véhicules hybrides

Parallel Hybrid

E

B

P M

G

T

F

Series Hybrid

F

E

B MP

T

Complex HybridSeries-Parallel Hybrid

B: BatteryE: Internal Combustion EngineF: Fuel TankG: GeneratorM: Electric MotorP: Power ConverterT: Transmission to wheels

F

M/ G

M M

T

E

T

P

P

P

B

B

G

E

F Electric link

Hydraulic link

Mechanical link

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Véhicules hybrides

◼ En outre, avec la complexité des conceptions, on distingue maintenant d’autres morphologies de la chaîne de traction hybride (Chan, 2002)

◼ La configuration série-parallèle: les deux sources d’énergie peuvent actionner les roues. Toutefois un dispositif est prévu afin de permettre de retomber sur une architecture série en introduisant une génératrice entre le moteur thermique et les batteries.

◼ La configuration hybride complexe permet également le couplage des deux systèmes de motorisation aux roues, mais un arrangement plus complexe permet d’utiliser une machine électrique pour recevoir ou restituer de l’énergie au moteur thermique

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Toyota Prius transmission

Transmission of Toyota Prius II

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Toyota Prius transmission

Transmission of Toyota Prius II

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Véhicules hybrides

◼ Le concepteur peut décider si les batteries sont chargées à partir du réseau électrique ou bien seulement à partir de la source primaire, c’est-à-dire le moteur thermique. Ceci donne lieu à une nouvelle distinction dans les véhicules hybrides.

◼ Les véhicules à « charge sustaining » ne sont capables de maintenir l’état de charge des batteries que grâce à la source d’énergie primaire (le moteur thermique).

◼ Les véhicules à « charge depleting » ne sont pas capables de maintenir l’état de charge des batteries qui nécessite l’utilisation d’une recharge sur le réseau électrique.

◼ Les véhicules hybrides « plug-in » sont ceux qui sont capables de recharger leurs charges sur le réseau

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Véhicules hybrides

◼ Différents scénarios de recharge des batteries

◼ Charge sustaining

◼ Charge depleting

◼ Plug in

◼ Range extender utilisant par exemple une pile à combustible

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Véhicules hybrides

◼ Les véhicules à « charge sustaining »

◼ Ils sont caractérisés par les seules émissions et la consommation du moteur thermique.

◼ Ils ne demandent pas de modifications des habitudes du conducteur pour planifier la recharge des batteries qui peut être longue

◼ La solution ne dépend pas d’infrastructure particulière pour le rechargement des batteries

◼ Le bénéfice venant de l’hybridation en termes d’émission et de consommation est souvent moindre à cause de la nécessité de devoir recharger les batteries avec le moteur à combustion interne.

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Véhicules hybrides

◼ Les véhicules à « charge depleting »

◼ Ils caractérisés par la consommation de carburant et par la consommation d’électricité (en kWh/100km) et les émissions moyennes liées à la production d’un kWh sur le réseau.

◼ Un grand avantage est que les émissions de CO2 et de polluants associées à la production d’électricité peuvent être relativement basses, car la production d’électricité est effectuée dans des installations importantes équipées de systèmes de dépollutions, de centrales nucléaires, ou à partir d’énergie verte.

◼ Demande une modification des habitudes du consommateur et une discipline proche de celle du véhicule électrique à batterie

◼ Requiert le déploiement d’une infrastructure de bornes de recharge

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Véhicules hybrides

◼ Les véhicules « plug-in hybrids » :

◼ Ils sont caractérisés à la fois par leur consommation en carburant (l/100km) et celle en énergie électrique (kWh/100km). Cette dernière est liée aux émissions moyennes nécessaires pour la production du kWh sur le réseau.

◼ Ils peuvent être utilisés dans des conditions normales même si la batterie n’a pas pu être rechargée au dépend d’une consommation en carburant plus élevée.

◼ Charger les batteries sur le réseau électrique est favorable et réduit les émissions et la consommation d’énergie primaire. Cela requiert cependant une certaine discipline de l’utilisateur.

◼ La meilleure efficacité énergétique est atteinte lorsque l’utilisateur peut mettre à profit le plus faible impact environnemental lorsqu’on utilise des installations et en utilisant l’énergie verte (sources renouvelables, nucléaire…

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Piles à combustible

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PILES A COMBUSTIBLE: C’EST QUOI?

◼ Système de conversion directe de l’énergie d’un combustible en électricité

◼ Réaction électrochimique (oxydo-réduction) sans flamme

◼ La pile à hydrogène H2 – O2 : réaction inverse de l’électrolyse de l’eau

◼ Réactifs introduits et renouvelés tandis que les produits de réaction enlevés en continu

◼ Rendement élevé (~50%)

◼ Coût des électrodes: métaux précieux

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PILES A COMBUSTIBLE A HYDROGENE

◼ Avantages:◼ Fonctionnement silencieux

◼ Rendement théorique élevé

(supérieur à 50%)

◼ Pas de rejet direct de polluants

◼ Inconvénients:◼ Coût des électrodes (Pt, Rh…)

◼ Pureté des combustibles

◼ On distingue actuellement différents types de piles à combustibles◼ Piles PEM (polymer exchange

membrane)

◼ Pile au Méthanol Direct

◼ …35

Véhicules à pile à combustible

◼ Pas de rejet sauf H2O pur ZEV

◼ Opération quasi silencieuse

◼ Configuration généralement hybride série

◼ Batterie de stockage ou supercapacité

◼ Récupération d’énergie au freinage

◼ Downsizing de la pile

◼ H2 ou double énergie (réseau + H2)

◼ H2 production et distribution ?

◼ H2 stockage autonomie

Battery

M/G

Fuel cells

Wheels

Node

Tank Chemical

Electrical

Mechanical

Toyota Mirai

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Véhicules à pile à combustible

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Principe de fonctionnement des PAC

◼ Le combustible : généralement l’hydrogène.

◼ Le comburant : l’oxygène de l’air

◼ Hydrogène + Oxygène → Vapeur d’eau + électricité +

chaleur

◼ Électricité : courant continu

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Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H2 – O2

39

Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H2 – O2

◼ A l’anode: oxydation de l’hydrogène (réaction catalysée)

◼ H2 2 H+ + 2 e- électrolyte acide

◼ H2 + 2 OH- 2 H2O + 2 e- électrolyte basique

◼ A la cathode, oxydation de l’oxygène (réaction catalysée)

◼ 1/2 O2 + 2 H+ + 2e- H2O électrolyte acide

◼ 1/2 O2 + H2O + 2e- 2 OH- électrolyte basique

◼ Bilan

◼ H2 + 1/2 O2 H2O + chaleur

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Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H2 – O2

◼ Il s’agit en fait de la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau

◼ Cette réaction est exothermique à 25 °C

◼ L'enthalpie libre de la réaction est de -237 ou -229 kJ/mol selon que l'eau formée est liquide ou gazeuse.

◼ Ceci correspond à des tensions théoriques de 1,23 et 1,18 V. Cette tension dépend aussi de la température

◼ Besoin d’un catalyseur (Pt ou Pt/Ru) pour activer (accélérer) les réactions

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Montage d’une pile

◼ En pratique, les cellules élémentaires sont assemblées en série ou en parallèle les unes avec les autres pour former une pile ou stack.

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Montage d’une pile

◼ La puissance du stack dépend du nombre de cellules et de leur surface.

◼ On peut ainsi couvrir une large gamme de puissance du kW à plusieurs MW.

◼ Il existe même des versions miniaturisées de quelques W.

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Caractéristique d’une cellule élémentaire de pile

Surtensions dans la pile44

Pertes de rendement

◼ Baisse de rendement due aux surtensions:

◼ Irréversibilités des réactions: polarisation d’activation

◼ Résistance électrique interne: chute ohmique.

◼ Résistance à l’apport des réactifs et à l’évacuation des produits (diffusion): polarisation de concentration

◼ Ce rendement dépend du catalyseur, de l’état des électrodes, de l’utilisation de l’air au lieu de l’oxygène pur, les conditions de température / pression

◼ Le rendement électrique se calcule par le rapport entre la tension de la pile et la tension Eréversible à la température considérée:

rev

elecE

U=

45

Pertes de rendement

◼ Rendement faradique:◼ Tient compte du nombre d’électrons effectivement obtenus par

mole de carburant

◼ Tient compte aussi de court-circuit internes

◼ Rendement de matière◼ Tient compte de l’utilisation du réactif au niveau des électrodes

◼ Tout le H2 ne sera pas consommé

◼ Rendement système:◼ Nécessité de composants périphériques: compresseurs, système de

contrôle, échangeurs de chaleur, système de reformage (désulfuration, échangeur, purification)

◼ Généralement 80% de rendement

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Pertes de rendement

◼ Rendement global de la pile

◼ Exemple H2/O2 à 80°C, pile PEMFC avec tension de 0,7V pour 350 mA/cm²

◼ rendement théorique « réversible »: 0,936

◼ rendement électrique: 0,60

◼ rendement faradique: 1

◼ rendement matière: 0,90

◼ rendement système: 0,95

◼ Total: 48%

smfurevpile =

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Lighter than air

Is hydrogen safe?

Fuel tank punctured0 seconds

Fuel set on fire3 seconds

Fuel tank burning60 seconds

Applications mobiles

◼ Marchés de niches:

◼ vélo, kart de golf, trottinette, etc.

◼ Automobile:

◼ Marché le plus lent à se développer

◼ Propulsion: commercialisation vers 2020-2025?

◼ Alimentation électrique des véhicules

◼ Véhicule hybride: hybrides série avec source d’énergie primaire fournie par une PAC

◼ Lié à la création du réseau de distribution de l'H2

◼ Problème du stockage

◼ Type de pile: PEMFC

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Applications mobiles

◼ Bus:

◼ 65 bus construits à ce jour (44 en Europe) dont 33 mis en service en 2003 projets de démonstration

◼ Commercialisation limitée par la disponibilité des piles de puissance (200 kW) et par le coût (1.5 M€)

◼ Type de pile: PEMFC

◼ Combustible: hydrogène comprimé

◼ Véhicules militaires:

◼ UAV (avion sans pilote)

◼ Sous-marins

◼ etc.

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Véhicules à piles à combustible

Electronique contrôle

H2

P.A.C.HacheurConvertisseur DC/DC

Moteur Électrique

DC

Transmission par chaîne

Une solution éprouvée

Une fiabilité et une robustesse

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Véhicules à piles à combustible: PAC2FUTURE

H2

PAC

Electronique de contrôleet Hacheur

Moteur électrique52

Véhicules à piles à combustible: PAC2FUTURE

◼ Avantages:◼ Avantages des véhicules électriques:

◼ Mode zéro émission,

◼ Opération quasi silencieuse

◼ Couple important et conduite urbaine, conduite souple

◼ Désavantages:◼ Variation importante de la tension avec le courant

◼ Nécessité d’une électronique de puissance et de contrôle assez sophistiquée

◼ Réservoir d’hydrogène: ◼ Autonomie limité

◼ Manipulation

◼ Encombrement53

Véhicules hybrides à piles à combustible

◼ Configuration généralement hybride série◼ Batterie de stockage ou super-

capacité

◼ Récupération d’énergie au freinage

◼ Downsizing de la pile

◼ H2 ou double énergie (réseau + H2)

◼ H2 production et distribution ?

◼ H2 stockage autonomie

Battery

M/G

Fuel cells

Wheels

Node

Tank Chemical

Electrical

Mechanical

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TOYOTA Mirai

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Toyota MiraiCommercialization since January 2015 (Japan)

http://www.toyota-global.com/innovation/environmental_technology/fuelcell_vehicle/index.html

Development of MIRAI

Reduced number of cells in FC stack

Common use of hybrid units

FC boost converter

★FC stack

Innovative flow channel structureand Electrodes of cells for higher outputOutput/volume; 3.1kW/L

Humidifier less

Internal circulation

★High pressurehydrogen tank

The light weight structure of carbon fiber reinforced plastic enabledStorage; 5.7 wt%*

world top level world top level

*Hydrogen mass/Tank mass

FC main components developed in-houseto achieve world leading performance

Toyota FCHV-Bus 1/2

◼ Configuration hybride

◼ PAC : 2 PAC de 90 kW

◼ Batteries: NiMH

◼ Réservoir de H2 comprimé à 250 bars

◼ Moteur électrique synchrone à aimants permanents (PM)

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Marché et applications mobiles

Programme CUTE: clean Urban TransportNEBUS de Daimler Benz

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Marché et applications portables

◼ PC, GSM etc.

◼ Principalement basées sur des PAC au méthanol

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