Analyse directe des fluctuations de tension et de pression dans le domaine

La figure (6.1) montre l'effet de l'humidité relative des gaz sur la tension, la pression d'entrée anodique (Panodique) et la pression d'entrée cathodique (Pcathodique) de la pile à combustible PEM à l’OCV. Quatre cas sont illustrés sur cette figure :

Dans le cas d'excès d'eau à l'anode et à la cathode : HRH2 = 100% / HRair = 100% (figure 6.1A), la tension diminue avec le temps et présente de faibles chutes de tension de l'ordre de 10 mV. L'analyse des courbes de pression anodique et cathodique (figures 6.1A-2 et 6.1A-3) montre clairement que chaque chute de potentiel correspond à une augmentation de la pression cathodique et/ou anodique, ce qui confirme la présence d'eau dans la cellule. De plus, le nombre de pics et l'amplitude de la courbe de pression cathodique (figure 6.1A-2) est très supérieure à la courbe de pression anodique (figure 6.1A-2) (ΔPcathode ≈ 25 mbar ˃ ΔPanode ≈ 5 mbar). Cela confirme que l'augmentation de Pcathodique, en raison de la présence d'eau liquide dans le canal, entraîne la chute de tension dans ce cas.

Dans le cas d'excès d'eau à l’anode : HRH2 = 100% / HRair = 0% (figure 6.1B), la tension semble être plus stable avec le temps sauf la présence d'une forte chute de tension autour de

175

2100 s. Ce pic de potentiel est suivi par l'augmentation de Panodique et Pcathodique respectivement. On voit que l'amplitude de l'augmentation de pression à l'anode est supérieure à l'augmentation de la pression cathodique (ΔPanode ≈ 32 mbar ˃ ΔPcathode ≈ 10 mbar). Ce résultat confirme un noyage du côté de l'anode et donc un blocage de l'entrée d'hydrogène en raison de la présence d'eau liquide dans le canal anodique. En conséquence, une grande chute de tension apparaît en raison du manque d'hydrogène à l'entrée de la cellule. On peut noter que la constante de temps de récupération de pression après un pic semble être plus élevée que pour la tension.

Pour les conditions nominales : HRH2 = 50% / HRair = 50% (figure 6.1C), ce cas met en évidence une tension plus stable avec le temps comparativement aux autres cas. La comparaison de Panodique et Pcathodique avec la tension révèle que les pressions anodiques et cathodiques suivent le même comportement que la tension de la cellule. Cette évolution proportionnelle confirme l'absence d'eau dans les canaux d'écoulement ou dans la couche de diffusion des gaz (GDL).

En effet, en condition de noyage, la pression est inversement proportionnelle à la tension ; quand la pression augmente la tension diminue due à la présence d’eau liquide qui fait bouchon. En condition normal de fonctionnement la pression est proportionnelle à la tension. La plus grande variation d'amplitude de pression à la cathode (figure 6.1C-2), comparée à l'anode (figure 6.1C-2), fait penser que c'est le comportement de l’écoulement de l’air qui contrôle les fluctuations de tension.

Dans le cas de conditions sèches : HRH2 = 20% / HRair = 20% (figure 6.1D), la tension de cellule du PEM a une évolution similaire à celle de la pression anodique ou cathodique. Cela confirme l’absence d’eau, sous forme liquide, dans les canaux d’alimentions et au niveau des couches de diffusion des gaz. De légères baisses de tension apparaissent en raison de l’augmentation de pression à la cathode.

La comparaison des courbes de pression pour tous les cas d'humidité montre que les deux pressions (Pcathode et Panode) à HRH2 = 100% / HRair = 100% sont plus élevées que les autres cas et plus fluctuantes. Cela est dû à la présence de l'eau dans les canaux d'écoulement et/ou dans les couches de diffusion de gaz (GDL), ce qui engendre une perte de charge très importante des gaz dans la cellule de la pile à combustible. Le pic de tension à HRH2 = 100% / HRair = 0% est dû à une forte augmentation de la pression à l'entrée de l'anode, due à la présence d’un bouchon d’eau liquide bloquant le réactif hydrogène.

Chapitre 6 Diagnostic de la PEMFC par l’analyse des fluctuations de potentiel et de pression

176

Figure 6.1 : Evolution temporelle des fluctuations du potentiel (1), fluctuations de pression

cathodique (2), fluctuations de pression anodique (3) à l’OCV, (A) HRH2 = 100 %,

HRair = 100 %; (B) HRH2 = 100 %, HRair = 0 %; (C) HRH2 = 50 %, HRair = 50 % ; (D) HRH2 = 20 %, HRair = 20 %.

177 6.2.1.2 Fluctuations de tension et pression à 2.5A

La figure (6.2) montre l'effet de l'humidité relative des gaz sur la tension, la pression anodique (Panodique) et la pression cathodique (Pcathodique) de la pile à combustible PEM au courant I = 2,5 A.

La figure (6.2.A) confirme que la chute brutale de tension est due à l’augmentation de la pression à l'entrée de l'anode. En effet, la figure (6.2A-1) montre que la tension chute jusqu'à 0.1V, suivie d'une récupération après plusieurs secondes. Ce pic de tension est consécutif à une augmentation importante de Panodique autour de 40 mbar tandis que Pcathodique montre des fluctuations autour de 10 mbar sans aucun impact sur la tension.

La figure (6.2B) confirme que le même comportement entre la chute brutale de tension et le pic de surpression anodique dans le cas de HRH2 = 100% / HRair = 0% (cas d'inondation à l'anode). En effet, la tension chute jusqu'à 0 V (figure 6.2B-1), consécutivement à un dépassement de pression anodique d'environ 40 mbar. La figure (6.2B-2) révèle une augmentation de la pression à la cathode de 10 mbar résultant du comportement de la pression anodique. Les figures (6.2C) et (6.2D) mettent en évidence des fluctuations concomitantes entre la tension et les pressions, à l'anode et à la cathode, de manière similaire au comportement à l’OCV, figures (6.1C) et (6.1D). Pour HRH2 = 20%, HRair = 20%. Panodique semble être légèrement différente de la tension et de Pcathodique (figure 6.2D-3), mais vis-à-vis de l’ensemble des résultats, ce comportement semble être une exception.

La figure (6.3) permet d’analyser la relation existante entre la tension et la pression anodique à l’aide d’un zoom sur les pics de tension et pression anodique pour le point de fonctionnement HRH2 = 100% / HRair = 100%. Cette figure révèle que la chute brutale de tension est consécutive à un dépassement de pression à l'entrée de l'anode en raison de la présence d'un bouchon d'eau dans le canal. En effet, l'augmentation de la pression à l'anode commence à 2519.6 s et 200 ms plus tard la tension chute pendant 3s. Nous pouvons noter que la durée de récupération de la tension est en corrélation avec la durée croissante de la pression anodique entre 2519.6 et 2526 s.

Chapitre 6 Diagnostic de la PEMFC par l’analyse des fluctuations de potentiel et de pression

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Figure 6.2 : Evolution temporelle des fluctuations du potentiel (1), fluctuations de pression cathodique (2), fluctuations de pression anodique (3) à 2.5 A. (A) HRH2 = 100%, HRair = 100 %; (B) HRH2 = 100 %, HRair = 0 %; (C) HRH2 = 50 %, HRair = 50 % ; (D) HRH2 = 20 %, HRair = 20 %.

179 6.2.1.3 Fluctuations de tension et de pression à 8A

La figure (6.4) met en évidence l'effet de l'humidité relative des gaz sur la tension de la cellule, Panodique et Pcathodique de la pile à combustible PEM au courant I = 8 A.

Dans le cas d'un excès d'eau à l'anode et à la cathode : HRH2 = 100% / HRair = 100% (figure 6.4A), la tension de la cellule est instable et décroît avec le temps. La figure (6.4A-1) montre l’apparition de petites et grandes chutes de tension de la cellule tout au long de la mesure.

L'analyse des courbes de pression anodique et cathodique (figures 6.4A-2 et 6.4A-3), montre clairement que chaque chute de potentiel est accompagnée d'une augmentation de la pression cathodique et/ou anodique, ce qui confirme la présence d'eau dans la cellule. Ajouté à cela, le nombre des pertes de charge présentées par l'évolution de Pcathodique (figure 6.4A-2) est plus élevé comparativement à la courbe de pression anodique (figure 6.4A-3). On peut remarquer, encore une fois, que la chute brutale de tension de la cellule autour de t = 250 s est concomitante à l'augmentation de la pression anodique. Ceci confirme clairement que la chute

Figure 6.3 : Zoom sur le pic de tension et pression anodique pour le point de fonctionnement HRH2 = 100% / HRair = 100% à I = 2.5 A.

Chapitre 6 Diagnostic de la PEMFC par l’analyse des fluctuations de potentiel et de pression

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de tension caractéristique d’un noyage à t = 250s est due à l'augmentation de Panodique de 15 mbar.

Dans le cas d'excès d'eau à l’anode : HRH2 = 100% / HRair = 0% (figure 6.4B). La tension est plus stable avec le temps à part la grande chute de tension autour de t = 3000 s. Ce pic de potentiel est consécutif à l'augmentation de la pression à l'anode et est suivi par une augmentation de la pression côté cathode. Encore une fois, l'amplitude du pic de pression à l'anode est supérieure à celle de pression cathodique (ΔPanode ≈ 32 mbar ˃ ΔPcathode ≈ 7 mbar) et cela est dû, une nouvelle fois, au blocage du canal d'entrée de l'anode avec pour effet une chute de tension jusqu'à 0 V. Ce résultat confirme que l’engorgement de la cellule peut s’effectuer à l'anode et pas seulement à la cathode [17].

Dans le cas de conditions nominales (HRH2 = 50% / HRair = 50%) et sèches (HRH2 = 20% / HRair = 20%,) l'évolution des signaux met clairement en évidence que la tension de la pile à combustible PEM est plus stable avec le temps comparativement aux autres cas (engorgement anodique et engorgement à l'anode et à la cathode).

La comparaison de Panodique et de Pcathodique avec la tension de cellule révèle que les courbes de pression à l'anode et à la cathode sont parfaitement proportionnelles à la tension de la cellule. Ceci confirme l’absence de l'eau dans les canaux d'écoulement et/ou dans la couche de diffusion de gaz (GDL) en raison de la faible humidité relative (gaz non saturés) dans la cellule pour ces cas d’humidification.

Pour résumer, tous les points de fonctionnement (OCV, 2,5 A et 8A) révèlent une chute brutale de tension dans le cas d’un noyage, lorsque on utilise des gaz saturés à l'anode (HRH2 = 100%, HRair= 0%) ou à l'anode et côté cathode (HRH2 = 100%, HRair = 100%). Les résultats révèlent que cette chute de tension est concomitante à une augmentation de la pression à l'entrée du canal anodique et fortement liée à la présence d'eau liquide qui bloque le gaz réactif et réduit le débit d'hydrogène le long du canal. Ce faible taux de gaz porteur implique la formation de gouttelettes d'eau et de lames minces, visualisées par Lee et al [18]. Ce noyage à l'anode est également observé par Song et al. [19]. Ils ont observé et analysé une augmentation caractéristique à deux niveaux de la chute de pression d'hydrogène en relation avec l'accumulation de gouttelettes d'eau dans les canaux.

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Figure 6.4: Evolution temporelle des fluctuations du potentiel (1), fluctuations de pression cathodique (2), fluctuations de pression anodique (3) à 8 A. : (A) HRH2 = 100 %, HRair = 100 %; (B) HRH2 = 100 %, HRair = 0 %; (C) HRH2 = 50 %, HRair = 50 % ; (D) HRH2 = 20 %, HRair = 20 %.

Chapitre 6 Diagnostic de la PEMFC par l’analyse des fluctuations de potentiel et de pression

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6.2.1.4 Fluctuations de tension et de pression à différentes températures de la cellule La figure (6.5) montre l'effet de la température sur la tension, la pression d'entrée anodique (Panodique) et la pression d'entrée cathodique (Pcathodique) de la pile à combustible PEM à 9A pour une température de bulleur de 46°C. Cette figure illustre 3 cas différents :

A Tcell = 60 °C : Dans les conditions normales de fonctionnement de la pile à combustible, on remarque que la tension est plus élevée et stable au cours du fonctionnement de la pile, les pressions anodique et cathodique suivent la même évolution que la tension (proportionnalité).

A Tcell 60 °C, le potentiel apparaît comme le plus fluctuant et montre de nombreuses chutes de tension intermittentes et l’amplitude des fluctuations est approximativement 100 fois plus grandes par rapport au cas de référence (Tcell = 60 °C). Cela est dû à l’assèchement de la membrane. Par contre, les signaux de la pression anodique et cathodique sont stables et montrent une proportionnalité avec les fluctuations de la tension de la pile.

A Tcell 60 °C, On voit clairement que, la tension de la pile montre la présence de pics de chute de tension et le nombre de pics augmente avec la diminution de la température de la cellule. Les mesures de pression anodique et cathodique montrent également que chaque pic de chute de tension est relié à un pic de pression (la pression est inversement proportionnelle avec la tension de la pile). Ces pics de tension sont dus à la condensation des réactifs (hydrogène et oxygène) dans la cellule qui conduit au noyage de la cellule.

En résumé, on peut conclure que les mesures de pression sont très intéressantes pour détecter le noyage de la pile à combustible. De plus, le noyage peut s’effectuer dans les deux compartiments anodique et cathodique et pas seulement à la cathode.

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Figure 6.5 : Evolution temporelle des fluctuations du potentiel, fluctuations de pression cathodique, fluctuations de pression anodique à 9 A. HRH2 = 50 %, HRair = 50 %.

Chapitre 6 Diagnostic de la PEMFC par l’analyse des fluctuations de potentiel et de pression

184 6.2.2 Analyse statistique des fluctuations de pression

Une analyse à court terme (présentée en détail dans le chapitre 5) des fluctuations des signaux de pression a été utilisée pour générer des descripteurs statistiques de l’engorgement de la PEMFC. Dans cette section, l'écart-type (STD) est le seul descripteur statistique utilisé pour évaluer et quantifier les signaux de pression (Eq 1):

N t P STD N i i P 2 1 '₍₎



Avec P: la pression en mbar,P la pression moyenne de P en mbar, P'(t)P(t)P : les

fluctuations de pression et N : Nombre de points de chaque pièce.

La figure (6.6) montre l'évolution de la tension de la pile et du STD de Panodique et Pcathodique au point de fonctionnement OCV pour quatre cas d'humidité relative : (1) HRH2 = 100%, HRair = 100%, (2) HRH2 = 100%, HRair = 0% (3) HRH2 = 50%, HRair = 50%, (4) HRH2 = 20%, HRair = 20%.

Dans les conditions normales (HRH2 = 50%, HRair = 50%) de fonctionnement de la pile à combustible, on remarque clairement sur la figure (6.6) que la tension et le STD de pression anodique et cathodique restent stables et invariants en fonction du temps. Les valeurs de STDpa et STDpc sont proche de de 0.5 mbar tout au long de la mesure. Cela indique que la pile est en bon état de fonctionnement.

Dans des conditions sèches (HRH2 = 20%, HRair = 20%), on voit des fluctuations plus importantes sur le signal de tension. Par contre, les valeurs de descripteur statistique de pression anodique ou cathodique en fonction de temps sont stables et invariantes.

Pour HRH2 = 100%, HRair = 0%, La figure (6.6) met en évidence que la tension est stable à l’exception de l’apparition d’un pic de chute de tension dû au blocage de l'hydrogène au niveau du canal d'entrée de l'anode. Ce pic se caractérise par une explosion du STD de Panodique de 0.1 mbar à l’état normal, à 8.5 mbar quand la tension chute et est suivie par une augmentation de Pcathodique qui atteint 1.8 mbar.

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Dans le cas HRH2 = 100%, HRair = 100%, on observe une explosion de l'amplitude de STDpc et chaque chute de la tension de la pile est accompagnée par un pic de STDpc. Ces oscillations sont plus importantes et atteignent des valeurs de 2 mbar à 3,6 mbar. Ce phénomène

Figure 6.6 : Evolution temporelle des fluctuations du potentiel, STDPc, STDPa à l’OCV.: (1) HRH2 = 100 %, HR air = 100 % ; (2) HRH2 = 100 %, HR air = 0 % ; (3) HRH2 = 50 %, HR air = 50 % ; (4) HRH2 = 20 %, HR air = 20 %

Chapitre 6 Diagnostic de la PEMFC par l’analyse des fluctuations de potentiel et de pression

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appelé intermittence interne de signal de pression et montre une grande dérive et des fortes fluctuations de la tension de la cellule.

La figure (6.7) présente le même comportement pour l'évolution de la tension et STD de Panodique et Pcathodique au point de fonctionnement de 2.5A. Deux pics de tension sont observés pour les cas de noyage à HRH2 = 100%, HRair = 100% et HRH2 = 100%, HRair = 0% (1 & 2). Le STD de pression à l'anode (STDPa) atteint la valeur de 7,7 mbar lors de la présence de ces pics contre une légère variation autour de 0,3 mbar le reste du temps. Ces résultats confirment que la chute de tension importante près de 0 V est due au manque d'hydrogène au niveau des couches de couche catalytique induit par le blocage de l'entrée de l'anode par un bouchon d'eau. STDPc est le plus stable à HRH2 = 100%, HRair = 0% (2), avec une valeur autour de 0,3 mbar et devient de plus en plus fluctuant lorsque l'humidité relative augmente. À HRH2 = 100%, HRair = 100% (1), STDPc présente un comportement intermittent avec des fluctuations entre 0,6 et 1,5 mbar.

Un comportement similaire est observé au point de fonctionnement 8A (figure 6.8). Les deux chutes de tension jusqu'à 0 V dans les cas de noyage (1 et 2) sont successives à un blocage de l'hydrogène par un bouchon d'eau à l'entrée du canal et conduisent à l’augmentation de pression avec un STDPa qui atteint 3,7 mbar. Une amplitude plus élevée de la pression cathodique est observée à HRH2 = 100% et HRair = 100% par rapport au cas précédent à 2,5 A (figure 6.7) et chaque petite chute de tension est accompagnée par une augmentation de la valeur de STDPc. L'intermittence est plus forte par rapport au cas précédent et les valeurs atteignent 2 à 2,5 mbar.

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Figure 6.7 : Evolution temporelle des fluctuations du potentiel, STDPc, STDPa à 2.5A : (1) HRH2 = 100 %, HR air = 100 % ; (2) HRH2 = 100 %, HR air = 0 % ; (3) HRH2 = 50 %, HR air = 50 % ; (4) HRH2 = 20 %, HR air = 20 %.

Chapitre 6 Diagnostic de la PEMFC par l’analyse des fluctuations de potentiel et de pression

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Figure 6.8 : Evolution temporelle des fluctuations du potentiel, STDPc et STDPa à 8A :

(1) HRH2 = 100 %, HR air = 100 % ; (2) HRH2 = 100 %, HR air = 0 % ; (3) HRH2 = 50 %, HR air = 50 % ; (4) HRH2 = 20 %, HR air = 20 %.

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La figure (6.9) montre l'évolution de la tension de la pile et du STD de Panodique et Pcathodique à différentes températures de la cellule et à 9A et pour une température de bulleur de 46°C.

Dans les conditions normales (Tcell = 60 °C) de fonctionnement de la pile à combustible, on remarque clairement sur la figure (6.9) que la tension et le STD de pression anodique et cathodique restent stables et invariants en fonction du temps. Les valeurs de STDpa et STDpc sont de l’ordre de 0.5 mbar tout au long de la mesure. Cela indique que la pile est en bon état de fonctionnement.

Dans des conditions sèches (Tcell ˃ 60 °C) on voit des fluctuations plus importantes sur le signal de tension. Par contre, les valeurs de descripteur statistique de pression anodique ou cathodique en fonction du temps restent stable. Ceci est une signature d’un assèchement de la membrane.

Dans le cas où Tcell est de 10°C et 30°C, on observe une explosion de l'amplitude des STD de pression et chaque chute de la tension est accompagnée par un pic de STD. L’amplitude maximale de ces pics de STD est de l’ordre de 1 à 1.2 mbar coté cathode (STDPc). Côté anode (STDPa), ceux-ci peuvent atteindre une valeur de 4 mbar. On peut remarquer que l’amplitude du STD est plus importante côté cathode que côté anode. Les fluctuations concomitantes de pression et tension indiquent un état de noyage de la pile à combustible.

6.2.3 Analyse croisée des fluctuations de tension et de pression

Afin de permettre l’analyse croisée entre les mesures de tension et de pressions cathodique et anodique des gaz, nous avons comparé STDv de tension par rapport à celui de la pression cathodique et anodique (figure 6.10). La figure 6.10 montre clairement, que lorsque la pile est dans un état sec (RH20/20), le STDp ne fluctue pas, alors que STDv de la tension varie fortement. En effet les transferts limitant se situent au niveau de la membrane et des canaux. A l’inverse lorsque la pile est dans un état engorgé (RH100/100) les STDv de tension et STDp de pression fluctuent. L’analyse croisée de tension et de pression permet de faire la différenciation entre un état engorgé par rapport à un état sec.