Étapes du processus de diagnostic de PàC par spectroscopie d’impédance

La détection de dégradations des performances au cours du fonctionnement du stack avec de faibles stœchiométries a été réalisée. Pour le moment elle reste focalisée sur un unique défaut : l’engorgement en eau des canaux. Tout d’abord, le modèle pseudo 2D a pu démontrer sa capacité à prendre en compte l’impact de la stœchiométrie de l’air sur l’impédance grâce un protocole de mesure adapté (mesures

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0). Aidé de la mesure de la pression, qui révèle un engorgement des canaux de certaines cellules

dans le stack sans préciser leur identité, la stœchiométrie de chacune des cellules a pu être estimée à partir de leur réponse fréquentielle. Les résultats obtenus ont pu montrer une corrélation entre l’état de santé des cellules et la valeur de la stœchiométrie estimée. En dessous d’une certaine valeur de la stœchiométrie, les cellules sont en conditions de noyage et leur performance chute. A contrario une trop forte stœchiométrie peut entrainer un assèchement du cœur de pile à long terme. Ainsi, le suivi de ce paramètre dans le temps est un bon indicateur de l’état de santé des cellules et montre qu’il est possible de détecter un noyage avant que celui n’arrive. Sous condition que les dynamiques de dégradations soient plus lentes que les temps de mesures et d’analyse du modèle cumulés, soit une quinzaine de minutes pour 16 cellules actuellement.

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EStravaux de cette thèse s’inscrivent dans une démarche de caractérisation et d’optimisation des

performances d’un stack PEM et de toutes ses cellules lors de son fonctionnement. Notre ré- ponse à cette problématique fut l’utilisation d’une méthode de diagnostic basée sur l’exploitation des mesures d’impédance des cellules du stack à l’aide d’un modèle pseudo 2D multiphysique. Elle a permis à la fois de caractériser les pertes de potentiel que peut subir chacune des cellules et d’identifier l’origine des dégradations des performances.

De la mise en place d’un banc expérimental

Le besoin de mesures expérimentales a été satisfait via la mise en place du banc MEDISIS. Celui-ci permet la mesure des impédances et des courbes de polarisation d’un stack PEM (d’une puissance al- lant jusqu’à 2,4 kW) sur de l’ensemble de ses cellules. L’ensemble des conditions opératoires (pression, débit, température et hygrométrie des réactifs) étant contrôlé via une interface Labview R_{, chacun des}

points de fonctionnement du stack a donc pu être caractérisé dans les mêmes conditions. Jusqu’à pré- sent, seul un stack MES-SA de 400 W a été testé, mais à l’avenir ce banc pourra accueillir des stacks de plus fortes puissances ayant un nombre plus élevé de cellules (jusqu’à 52 cellules instrumentées). Par ailleurs, le banc MEDISIS ne se limite pas uniquement à la caractérisation des performances, il est également capable d’émuler n’importe quel cycle de fonctionnement ayant une charge variable dans le temps, directement programmable via l’interface Labview R_.

De la construction de modèles multiphysiques

Jusqu’à présent, les modélisations multiphysiques de l’impédance des PEMFC sont majoritairement ré- servées à la reproduction des phénomènes observées expérimentalement : calculs des fréquences ca- ractéristiques, origine de la pente à 45˚en hautes fréquences, études de l’impédance de canal. Cepen- dant les résultats publiés ces dernières années montrent le potentiel de ces modèles en tant qu’outil pour le diagnostic. Nos premiers résultats obtenus sur un modèle multiphysique complet, anode et cathode, sont venus confirmer ce potentiel. Lors de la phase de développement des modèles, les résolutions nu- mériques ont été systématiquement validées sous certaines hypothèses par une comparaison avec des solutions analytiques.

Nous avons ainsi pu prouver numériquement la faisabilité de détecter des dégradations au sein des PàC à partir d’une signature spectrale, d’un modèle physique et d’outils d’optimisation type gradient conjugué. A notre connaissance, ces travaux sont les premiers à utiliser cette approche pour le diagnostic de l’état de santé et ont fait l’objet d’une publication [113]. Basée sur ce premier constat, une nouvelle modéli- sation pseudo 2D est développée avec l’objectif de pouvoir s’insérer au sein d’outils d’optimisation pour l’analyse des mesures expérimentales. Une importante réflexion a été menée concernant sa rapidité de résolution, le choix des phénomènes à prendre en compte et le choix des paramètres nécessaires à la caractérisation de l’état de santé des PàC.

De l’utilisation d’un outil pour le diagnostic de l’état de santé d’un stack et de ses cellules L’utilisation de cet outil de diagnostic a permis de caractériser finement les performances d’un stack de 400 W réalisé à partir des cellules commerciales MES-SA. Cet outil permet de présenter l’état de santé des cellules du stack sous forme de pertes réparties en quatre termes : pertes électrochimiques, trans- port de charges (membrane), transport de charges et d’espèces (électrode) et transport d’espèce dans la GDL et le canal. Il est apparu que les pertes électrochimiques prédominent quelque soit le point de fonctionnement, jusqu’à 0,9 A/cm2_environ.

Une campagne de tests sur l’influence des conditions d’hygrométrie de l’air entrant sur les performances du stack, et l’état de santé des cellules a été menée. Elle a montré que l’eau produite au sein de l’élec- trode, par la réaction électrochimique, a un effet bénéfique beaucoup plus important que l’eau amenée par les gaz de réaction.

L’influence de la stœchiométrie en air a également été étudiée. Pour se faire, les mesures d’impédance ont été couplées à des mesures de pertes de charges à la traversée du stack. L’analyse de ces mesures effectuée à l’aide du modèle pseudo 2D, a montré qu’il est possible d’estimer la stœchiométrie en air de chacune des cellules composant le stack. Il a été mis en évidence que des conditions globales de sous- stœchiométrie pour le stack induisent des hétérogénéités de stœchiométries très fortes parmi les cel- lules. Certaines sont fortement sous-alimentées (conditions de noyage) alors que d’autres se retrouvent sur-alimentées en air (conditions d’assèchement). Ce constat milite donc pour une instrumentation de chaque cellule, puisque que le diagnostic de l’état de santé du stack seul n’est pas satisfaisant.

Des travaux à la croisée des chemins

De la même manière que ce travail de thèse a été réalisé dans deux laboratoires appartenant à deux communautés différentes, deux voies s’ouvrent à l’issue de ces travaux.

Du point de vue de l’application, il peut être envisagé d’intégrer cet outil de diagnostic dans un proces- sus de maintenance prédictive, autrement dit développer les étapes qui suivent le diagnostic, décrites sur la Figure1.10. Pour cela, il sera nécessaire d’optimiser le code de calcul (aussi bien au niveau des algorithmes d’optimisation que du modèle multiphysique lui-même), de sélectionner les fréquences aux- quelles l’impédance est mesurée et enfin d’intégrer le tout dans un seul et unique outil afin d’augmenter la rapidité du diagnostic.

D’un point de vue plus fondamental, plusieurs perspectives à court terme peuvent être menées. L’étude des conditions opératoires sur les performances du stack, amorcée avec les études de la stœchiométrie et de l’humidité relative de l’air, peut être étendue à la température du stack et la pression d’alimentation des réactifs. Du point de vue du modèle, la prise en compte du fonctionnement des cellules en mode anode bouchée s’avère nécessaire dans une politique d’optimisation énergétique des PàC. Une réflexion sur l’écriture du modèle et des nouveaux paramètres à identifier doit donc être menée, tout en garantis- sant une sensibilité suffisante et une absence de corrélations entre les paramètres. Une des solutions peut venir de la combinaison de plusieurs méthodes expérimentales pour gagner en information. Le calcul de la stœchiométrie en air a quant à lui besoin d’être fiabilisé. Nous n’avons parlé jusqu’à pré- sent que d’une estimation de la stœchiométrie, faute de pouvoir vérifier que le calcul obtenu correspond bien à la réalité. Des études en mono-cellule, où la stœchiométrie est maitrisée, sont donc nécessaires

afin de valider cette méthode de manière rigoureuse et définitive.

Enfin, un travail en collaboration avec des spécialistes de l’assemblage des cellules permettrait d’étu- dier l’influence de certains paramètres d’AME sur les sources de dégradations. Couplés à notre modèle multiphysique, ces travaux pourraient déboucher sur l’élaboration de lois semi-empiriques reliant les pro- priétés de conception (chargement en platine, porosité des GDL, ...) aux performances électriques des PàC. Il serait alors possible d’intégrer ces modèles au sein d’outils d’ingénierie pour le dimensionnement et le design des futures technologies de PàC.

Pour conclure, ces travaux contribueront, je l’espère, à l’amélioration de la fiabilité des piles à com- bustible dans un futur (peut-être pas si éloigné...) basé sur les technologies de l’hydrogène.

Simplification du transport des réactifs

dans les canaux d’une PàC

Un nouveau modèle bidimensionnel du transport de l’air et de l’hydrogène dans les canaux est pro- posé. Il est basé sur une simplification des équations de Navier-Stokes dans le cas d’un mélange (air et vapeur d’eau ou hydrogène et vapeur d’eau). Nous faisons les hypothèses suivantes :

– l’écoulement dans les canaux est supposé laminaire et établi – le transport dans la direction

~y

se fait principalement par diffusion

– la perte de charge est négligeable le long des canaux

FIGURE A.1: Géométrie d’un canal. Les annotations correspondent aux conditions aux limites, en bleu

Dans le document Modélisation multiphysique de l'impédance des piles à combustible PEM. Application au diagnostic de stack par spectroscopie. (Page 160-166)