Solutions de piles à combustible à hydrogène pour drones

Les systèmes de piles à combustible à hydrogène pour drones offrent la possibilité d'une autonomie plus longue, d'un ravitaillement plus rapide et d'une disponibilité opérationnelle supérieure à celle d'une alimentation exclusivement par batterie pour certaines missions de drones.

SOLIDHYDRO développe des solutions de piles à combustible à hydrogène pour différentes architectures d'alimentation des drones, allant de Système d'alimentation embarqué à pile à combustible PEM HYDRA-G de 3,3 kW pour les vols de longue durée et la propulsion, ainsi que systèmes à hydrure métallique à l'état solide HYDRA-M de 120 W pour l'alimentation au sol des drones et la recharge des batteries.

La configuration adéquate dépend de la plateforme de drone, de la puissance requise, du profil de vol, de la charge utile, de l'autonomie visée, du mode de stockage de l'hydrogène et de l'environnement d'exploitation.

Pourquoi utiliser des piles à combustible à hydrogène pour les drones ?

Les drones électriques alimentés par batterie sont largement utilisés pour des missions de courte durée, mais la capacité énergétique de la batterie peut devenir un facteur limitant lorsqu'un appareil doit rester en vol pendant de longues périodes ou opérer avec une charge utile importante.

Un système de pile à combustible à hydrogène transforme l'énergie chimique stockée dans l'hydrogène en électricité par le biais d'un processus électrochimique. L'hydrogène sert ainsi de source d'énergie, tandis que la pile à combustible alimente en électricité le système de propulsion et les systèmes embarqués du drone.

Pour certains types de missions, les systèmes à pile à combustible à hydrogène peuvent présenter plusieurs avantages potentiels :

Une plus grande autonomie en mission

Les systèmes à pile à combustible à hydrogène permettent d'assurer des durées de fonctionnement prolongées lorsque l'énergie disponible dans une architecture reposant uniquement sur des batteries s'avère insuffisante pour mener à bien la mission requise.

Les piles à combustible s'avèrent donc particulièrement adaptées à des applications telles que l'inspection aérienne de longue durée, la surveillance, la cartographie, la relais de communications et d'autres missions pour lesquelles un temps de vol supplémentaire présente un intérêt opérationnel.

Réduction des temps d'arrêt liés au ravitaillement

Au lieu d'attendre qu'une batterie ait terminé son cycle de charge, un drone fonctionnant à l'hydrogène peut être configuré pour un remplacement rapide du carburant ou un ravitaillement en hydrogène, selon l'architecture du système.

Cela peut s'avérer important pour les opérations nécessitant des missions répétées tout au long de la journée.

Alimentation électrique continue

Une pile à combustible peut fournir une alimentation électrique continue tant que le système est alimenté en hydrogène.

Dans les architectures hybrides de drones, la pile à combustible peut assurer l'alimentation électrique principale ou de base, tandis qu'une batterie prend en charge les besoins en puissance transitoires ou de pointe.

Adéquation aux architectures de drones à longue autonomie

Les systèmes à pile à combustible à hydrogène sont particulièrement adaptés lorsque la mission d'un drone nécessite à la fois une grande autonomie, une charge utile importante, une alimentation électrique continue et une disponibilité opérationnelle élevée.

Le système approprié doit être choisi en fonction de l'architecture énergétique globale du drone, plutôt qu'en se basant uniquement sur la puissance fournie par la pile à combustible.

Comment choisir une pile à combustible à hydrogène pour votre drone

Le choix d'une pile à combustible à hydrogène pour un drone ne se résume pas à faire correspondre la puissance nominale de la pile à celle du moteur du drone.

Le système dans son ensemble doit être évalué en fonction du profil de mission du drone, de son système de propulsion, de son système de stockage d'énergie, de sa charge utile et de son environnement d'exploitation.

1. Déterminer la puissance continue requise

Commencez par déterminer la puissance électrique nécessaire en vol normal.Cette puissance doit inclure la propulsion, l'avionique, les communications, les charges utiles, le refroidissement et les autres charges fonctionnant en continu.
La puissance de sortie continue de la pile à combustible devrait être suffisante pour répondre aux besoins prévus en charge de base.

2. Définir les besoins en puissance de pointe

Les drones peuvent nécessiter une puissance nettement supérieure lors du décollage, de la montée, de l'accélération, de la compensation du vent ou dans d'autres situations de forte sollicitation.
C'est pourquoi la pile à combustible n'a pas nécessairement besoin de répondre à elle seule à toutes les pointes de consommation.
Une architecture hybride peut utiliser la pile à combustible pour assurer une alimentation continue, tandis qu'une batterie fournit une puissance supplémentaire en cas de pics de charge.

3. Calculer l'autonomie de vol visée

L'autonomie requise doit être définie avant de choisir le système de pile à combustible.Il convient de prendre en compte les éléments suivants :
• Durée prévue du vol
• Puissance de croisière
• Puissance au décollage et en montée
• Consommation électrique de la charge utile
• Économiser de l'énergie
• Capacité de stockage d'hydrogène
• Conditions d'exploitation prévues
Le système de pile à combustible et le système de stockage d'hydrogène doivent alors être dimensionnés conjointement.

4. Évaluer le poids du système et la charge utile

Le paramètre pertinent est le poids total du système d'alimentation, et pas seulement celui de la pile à combustible.Le système énergétique complet d'un drone peut comprendre :
• Système à pile à combustible
• Stockage de l'hydrogène
• Régulateurs et vannes
• Électronique de puissance
• Batterie
• Composants de refroidissement ou de circulation d'air Matériel de fixation
La configuration finale devrait laisser une capacité utile suffisante pour la mission.

5. Choisir l'architecture de stockage de l'hydrogène

Le stockage de l'hydrogène constitue un élément important de la conception des systèmes de drones.
En fonction de l'application, le système peut utiliser de l'hydrogène comprimé, un système de stockage d'hydrogène à l'état solide ou une autre architecture de stockage d'hydrogène.
Il convient de prendre en compte le volume de stockage, le poids du système, la pression de service, le mode de ravitaillement, les exigences en matière de transport et les conditions environnementales.

6. Prendre en compte la cellule du drone et son profil de vol

Un système de pile à combustible à hydrogène doit être adapté à l'architecture de l'avion.
Parmi les facteurs pertinents, on peut citer :
• Configuration multirotor ou à voilure fixe
• Exigences relatives aux appareils à décollage et atterrissage verticaux (VTOL)
• Puissance de croisière
• Masse maximale au décollage
• Espace disponible pour l'installation
• Circulation de l'air et refroidissement
• Exigences en matière de charge utile
• Altitude de vol
• Exigences relatives à l'exploitation BVLOS

7. Évaluation de l'intégration d'une batterie hybride

Pour de nombreuses architectures de drones, le choix le plus pertinent ne se résume pas à opposer pile à combustible et batterie, mais pile à combustible et batterie.
La pile à combustible peut assurer l'alimentation électrique continue, tandis que la batterie prend en charge les pics de puissance, les charges transitoires, le démarrage et la réserve d'urgence.
Cette architecture permet également de distinguer les exigences en matière d'autonomie et de puissance de propulsion maximale.

Architecture d'alimentation par pile à combustible à hydrogène pour drone

Une architecture type de drone hydrogène-électrique peut s'articuler autour de quatre composants principaux :

Stockage d'hydrogène → Pile à combustible → Bus d'alimentation en courant continu → Propulsion et avionique

Le système de stockage d'hydrogène alimente la pile à combustible en hydrogène.

La pile à combustible transforme l'hydrogène en énergie électrique, qui alimente le système d'alimentation en courant continu du drone.

Le bus CC alimente ensuite le système de propulsion, l'avionique, les charges utiles, les équipements de communication et les autres charges à bord.

Pour les drones hybrides, une batterie peut être raccordée au bus CC afin de fournir une puissance de pointe supplémentaire et d'assurer une réserve d'énergie.

Pile à combustible pour une alimentation électrique continue

La pile à combustible est généralement adaptée à la fourniture d'une alimentation électrique continue ou de base pendant la mission.
Cela s'avère particulièrement utile pour les profils de vol de longue durée, où le maintien d'une puissance électrique stable est plus important que la fourniture d'une puissance de pointe de courte durée.

Batterie pour puissance de pointe

Une batterie peut venir en complément de la pile à combustible dans les cas suivants :
•Décollage
•Escalade
•Accélération
•Manœuvres rapides
•Charges transitoires de propulsion
•Start-up spécialisée dans les piles à combustible
•Fonctionnement d'urgence
Cette architecture hybride permet à chaque source d'énergie de remplir la fonction pour laquelle elle est la mieux adaptée.

Le stockage de l'hydrogène en tant que composante du système

Le système de stockage d'hydrogène ne doit pas être évalué indépendamment de la pile à combustible.

Pour concevoir un drone de A à Z, les ingénieurs doivent prendre en compte le poids total, le volume, les conditions d'exploitation, le processus de ravitaillement, ainsi que la capacité énergétique du système de stockage d'hydrogène et de pile à combustible.

HYDRA-G 3,3 kW pour l'alimentation électrique embarquée des drones

HYDRA-G 3,3 kW est le système de pile à combustible PEM à refroidissement par air de SOLIDHYDRO, conçu pour applications liées à l'alimentation et à la propulsion des drones embarqués.

Il est destiné aux plateformes de drones nécessitant une source d'alimentation électrique continue pour des vols de longue durée, notamment les architectures adaptées de type multirotor, VTOL, à voilure fixe et hybrides-électriques.

HYDRA-G peut être intégré à l'architecture électrique embarquée d'un drone et utilisé en association avec une batterie lorsqu'une puissance de pointe supplémentaire est nécessaire.

Principales caractéristiques de l'HYDRA-G 3,3 kW

Puissance électrique nominale de 3,3 kW

Architecture d'une pile à combustible PEM à refroidissement par air

48 V CC natif

Conçu pour être intégré à bord d'un drone

Convient aux applications de drones à longue autonomie

Compatible avec les architectures hybrides associant pile à combustible et batterie

Architecture système configurable adaptée à différents besoins d'intégration

Pour obtenir les spécifications techniques détaillées et des informations sur l'intégration :

Les systèmes à pile à combustible à hydrogène peuvent être envisagés pour les missions de drones où l'autonomie, la puissance continue, la capacité d'emport ou la disponibilité opérationnelle constituent des exigences de conception importantes.

Applications des drones équipés de piles à combustible à hydrogène

Drones multirotors à longue autonomie

Les drones multirotors utilisés pour l'inspection, la surveillance, la cartographie, les communications et d'autres missions de longue durée peuvent tirer parti d'une architecture énergétique conçue autour d'une alimentation continue par pile à combustible.

La pile à combustible peut assurer la charge électrique de base, tandis qu'une batterie prend en charge les pics de puissance de courte durée.

Drones à voilure fixe

Les drones à voilure fixe peuvent fonctionner efficacement en vol de croisière, ce qui en fait des candidats potentiels pour les systèmes à pile à combustible à hydrogène conçus pour fournir une alimentation électrique continue et offrir une autonomie prolongée.

La configuration appropriée dépend de la puissance de croisière, de la charge utile, de la taille de l'appareil et de la capacité de stockage d'hydrogène.

Drones à décollage et atterrissage verticaux (VTOL)

Les aéronefs VTOL allient le décollage et l'atterrissage verticaux à un vol en ligne droite performant.

Étant donné que les opérations VTOL peuvent nécessiter une puissance plus élevée lors du décollage, de l'atterrissage et de la phase de transition, une architecture hybride associant pile à combustible et batterie pourrait s'avérer appropriée pour certaines plateformes.

Opérations de drones en vol hors de vue (BVLOS)

Les missions « au-delà de la ligne de visée » (BVLOS) peuvent nécessiter une durée de vol plus longue et une disponibilité opérationnelle plus élevée que les missions de drones à courte portée.

Les systèmes à pile à combustible à hydrogène peuvent être étudiés pour des applications telles que :
• Inspection des infrastructures
• Inspection des canalisations et des lignes électriques
• Surveillance des zones isolées
• Cartographie et topographie
• Relais de communication
• Surveillance continue
L'autonomie réelle dépend de l'ensemble du système de drone, notamment de la configuration de l'appareil, de la charge utile, du stockage de l'hydrogène, des conditions météorologiques, du profil de vol et de la consommation d'énergie.

Pile à combustible à hydrogène ou batterie au lithium pour les drones ?

Les batteries au lithium restent une solution éprouvée pour de nombreuses applications de drones, notamment pour les missions de courte durée et à forte puissance.

Les piles à combustible à hydrogène apportent une réponse à un autre aspect du problème lié au système énergétique des drones : prolonger la durée de fonctionnement tout en assurant une alimentation électrique continue.

Facteur	Pile à combustible à hydrogène	Batterie au lithium
Source d'énergie	Hydrogène	Énergie électrochimique stockée
Fonctionnement en continu	Convient à la production d'électricité en continu	Limité par l'énergie stockée dans la batterie
Ravitaillement	Remplacement/ravitaillement en hydrogène	Charge ou remplacement de la batterie
Puissance de crête	Souvent alimenté par une batterie hybride	Grande capacité de puissance de crête
Missions de longue durée	Convient à certaines applications	De plus en plus limitées à mesure que les exigences en matière d'endurance augmentent
Architecture du système	Pile à combustible + stockage d'hydrogène, souvent associé à une batterie	Bloc-batterie
Intégration	Nécessite l'intégration d'une pile à combustible et d'un système à hydrogène	Intégration des batteries arrivées en fin de vie

Le choix approprié dépend de la mission du drone plutôt que d'une seule caractéristique technique, telle que la puissance fournie par une pile à combustible ou la capacité de la batterie.

Pour une comparaison technique détaillée :

Intégration d'un système de pile à combustible sur un drone

Pour réussir l'intégration d'une pile à combustible dans un drone, il est nécessaire d'assurer la coordination entre le système de pile à combustible, le stockage d'hydrogène, le système de propulsion, l'électronique de puissance, la batterie et le système de commande de l'appareil.

Intégration électrique

La puissance fournie par la pile à combustible doit être compatible avec l'architecture électrique du drone.Les ingénieurs doivent évaluer :
• Tension continue nominale
• Courant continu
• Besoins en courant de pointe
• Conversion CC/CC
• Intégration de la batterie
• Compatibilité avec les contrôleurs de moteur
• Stratégie de gestion de l'énergie

Gestion thermique

Les performances d'une pile à combustible peuvent être influencées par la température ambiante, le débit d'air et le rejet de chaleur du système.

La cellule du drone doit offrir un circuit d'écoulement d'air et un environnement d'installation adaptés au système de pile à combustible.

Intégration des systèmes à hydrogène

Le stockage de l'hydrogène et l'alimentation en combustible doivent être conçus en parallèle avec le système de pile à combustible.Parmi les éléments importants à prendre en compte, on peut citer :
• Mode de conservation
• Pression de service
• Débit d'hydrogène
• Réglementation
• Détection des fuites
• Ventilation
• Espace d'installation
• Exigences en matière de transport et de manutention

Contrôle de vol et gestion de l'alimentation

Un drone à pile à combustible doit tenir compte des variations de la charge électrique tout au long du vol.Le système de gestion de l'énergie peut coordonner :
• Puissance de la pile à combustible
• État de charge de la batterie
• Besoins en matière de propulsion
• Charge utile
• Puissance au décollage et à l'atterrissage
• Réserve d'urgenceCeci est particulièrement important pour les drones hybrides fonctionnant à la fois à pile à combustible et à batterie.

Autonomie des drones à pile à combustible : quels sont les facteurs qui déterminent la durée de vol ?

L'autonomie de vol d'un drone ne peut pas être déterminée uniquement à partir de la puissance nominale de la pile à combustible.

L'autonomie réelle dépend du rapport entre l'énergie disponible sous forme d'hydrogène et la consommation totale d'énergie de l'avion.

Une formule simplifiée pour la relation énergétique est la suivante :

Autonomie de vol ≈ Énergie électrique disponible ÷ Consommation électrique moyenne

L'énergie électrique disponible dépend de facteurs tels que la quantité d'hydrogène, le rendement de la pile à combustible et les pertes du système.

La consommation électrique moyenne dépend des facteurs suivants :

Poids du drone
Rendement de propulsion
Vitesse de vol
Conditions de vent
Altitude de vol
Charge utile
Avionique
Équipements de communication
Profil de vol

Pour obtenir des conseils techniques sur la conception de systèmes de drones à longue autonomie :

Alimentation au sol des drones et recharge des batteries

Toutes les applications de l'hydrogène dans les drones ne nécessitent pas que la pile à combustible soit embarquée à bord de l'appareil.

Pour les opérations sur le terrain, on peut plutôt utiliser un système portable à pile à combustible à hydrogène comme Alimentation au sol des drones pour la recharge des batteries et d'autres besoins en matière d'assistance au sol.

SOLIDHYDRO’s Système de pile à combustible à hydrure métallique à semi-conducteurs HYDRA-M 120 W est conçu pour les applications d'alimentation portable et peut prendre en charge la recharge au sol des drones lorsque les exigences du système sont compatibles.

Cette architecture sépare le système de production d'énergie de l'appareil lui-même :

Stockage d'hydrogène à l'état solide → Pile à combustible → Alimentation au sol → Recharge des batteries des drones

Cela peut s'avérer utile lorsque les opérateurs de drones ont besoin d'une alimentation électrique portable sur des sites d'exploitation isolés, sans devoir compter entièrement sur des infrastructures électriques fixes.

Solutions de piles à combustible pour drones adaptées à différents profils de mission

Les différentes missions des drones nécessitent des architectures d'alimentation différentes.

Mission de drone	Architecture de puissance potentielle	Solution SOLIDHYDRO
Vol embarqué de longue durée	Pile à combustible + stockage d'hydrogène + batterie en option	HYDRA-G 3,3 kW
Endurance des multirotors	Hybride pile à combustible + batterie	HYDRA-G 3,3 kW
drone à décollage et atterrissage verticaux (VTOL)	Hybride pile à combustible + batterie	HYDRA-G 3,3 kW
Drone à voilure fixe et à longue autonomie	Alimentation continue par pile à combustible	HYDRA-G 3,3 kW

Recharge des batteries des drones sur le terrain	Alimentation au sol portable par pile à combustible	HYDRA-M 120 W
Exploitation à distance de drones	Alimentation électrique au sol portable ou architecture de pile à combustible embarquée	HYDRA-M / HYDRA-G

Le choix final devra tenir compte de la puissance requise, de l'autonomie, de la charge utile, de l'architecture de stockage et des contraintes d'intégration du drone.

Pourquoi choisir SOLIDHYDRO pour l'alimentation à l'hydrogène des drones ?

SOLIDHYDRO développe des systèmes de piles à combustible à hydrogène destinés à des applications allant de l'alimentation électrique portable sur le terrain aux systèmes embarqués de plus grande puissance.

Nos solutions liées aux drones couvrent différents aspects de l'écosystème énergétique des drones :

Alimentation électrique à bord d'un drone

Alimentation au sol des drones

Ingénierie des systèmes de drones

Foire aux questions

Q : Qu'est-ce qu'une pile à combustible à hydrogène pour un drone ?

Une pile à combustible à hydrogène pour drone est un système d'alimentation électrochimique qui transforme l'hydrogène en électricité destinée au système de propulsion de l'aéronef et aux charges électriques embarquées.

Selon son architecture, la pile à combustible peut fournir une alimentation électrique continue à bord ou servir de source d'alimentation au sol pour recharger les batteries des drones.

Q : Une pile à combustible à hydrogène peut-elle alimenter directement un drone ?

Oui. Un système de pile à combustible correctement conçu peut fournir l'énergie électrique nécessaire à la propulsion d'un drone.

Par exemple, HYDRA-G 3,3 kW est conçu pour les applications d'alimentation et de propulsion à bord des drones.

Une batterie hybride peut également être utilisée pour fournir une puissance de pointe supplémentaire.

Q : Quelle est la différence entre les piles à combustible embarquées sur un drone et l'alimentation électrique au sol d'un drone ?

Un système de pile à combustible embarqué est installé à bord de l'avion et fournit de l'énergie électrique pendant le vol.

Un système d'alimentation au sol reste au sol et peut servir à recharger les batteries des drones ou à fournir de l'électricité pour les opérations sur le terrain.

SOLIDHYDRO propose des solutions adaptées à ces deux architectures grâce à différentes gammes de produits.

Q : Faut-il encore une batterie lorsqu'un drone est équipé d'une pile à combustible à hydrogène ?

Ce n'est pas forcément le cas, mais une batterie peut s'avérer utile dans de nombreuses architectures de drones.

Une batterie peut fournir une puissance de pointe lors du décollage, de l'accélération ou dans d'autres situations transitoires, tandis que la pile à combustible assure une alimentation continue.

L'architecture finale dépend du système de propulsion du drone et des exigences de la mission.

Q : Combien de temps un drone équipé d'une pile à combustible à hydrogène peut-il voler ?

Il n'existe pas de durée de vol unique pour tous les drones équipés de piles à combustible à hydrogène.

L'autonomie dépend de la consommation moyenne d'énergie de l'appareil, de la quantité d'hydrogène, du rendement de la pile à combustible, du poids du système, de la charge utile, du profil de vol et des conditions d'exploitation.

La bonne approche consiste à dimensionner l'ensemble du système énergétique de l'avion en fonction de la mission visée.

Q : Les piles à combustible à hydrogène peuvent-elles être utilisées pour les drones volant hors de portée visuelle (BVLOS) ?

Les systèmes à pile à combustible à hydrogène peuvent être envisagés pour des applications BVLOS où une autonomie prolongée et une alimentation électrique continue sont essentielles.

L'adéquation réelle dépend de la plateforme de drone, des exigences réglementaires, de la certification de l'appareil, de l'architecture d'alimentation et du profil de mission.

Q : Le système HYDRA-M peut-il être installé directement sur un drone ?

HYDRA-M est principalement destiné aux applications d'alimentation électrique portable et d'alimentation au sol des drones, y compris la recharge de batteries.

L'intégration directe à bord relève d'une autre problématique de conception du système et dépend des besoins en alimentation électrique de l'avion, de son budget de poids, de l'espace disponible pour l'installation et de son architecture opérationnelle.

Pour les applications de propulsion embarquées sur des drones, voir HYDRA-G 3,3 kW.

Q : Quelle puissance de pile à combustible à hydrogène mon drone a-t-il besoin ?

La puissance requise de la pile à combustible dépend de la charge électrique continue du drone et du rôle de la pile à combustible au sein de l'architecture d'alimentation globale.

Avant de choisir un système, déterminez :

Puissance moyenne en vol
Puissance de propulsion maximale
Puissance utile
Endurance visée
Poids du drone
Capacité de stockage d'hydrogène
Exigences relatives à la batterie

SOLIDHYDRO est en mesure d'évaluer les besoins liés à une plateforme de drone et à un profil de mission spécifiques.

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Le choix d'un système à pile à combustible à hydrogène relève d'une décision technique qui dépend des besoins en puissance de votre drone, de l'autonomie visée, de la configuration de l'appareil, de sa charge utile, du stockage de l'hydrogène et de l'environnement d'exploitation.Présentez-nous votre plateforme de drone et les exigences de votre mission, et nos ingénieurs en intégration vous aideront à déterminer l'architecture d'alimentation la mieux adaptée.

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