aux comportements stabilisés des GLDs sous sollicitation dynamique.
10.3.1/ MODULE DE COMPRESSION DYNAMIQUE À TEMPÉRATURE AMBIANTE
L’objectif de la mesure est de quantifier le comportement des structures sous sollicita-tion dynamique. Le module de compression dynamique, Ec, est calculé à partir du dé-placement dynamique mesuré (m), ud, et de la force dynamique appliquée (N), Fd, soit Ec = Fd.e
ud.S = Kc.e
S avec e l’épaisseur de la GDL (m) et S , l’aire de la zone de contact (m2). La figure 10.6 montre, pour chaque type de GDL étudié, le module de compression dy-namique en fonction de la pré-contrainte statique appliquée à 64 Hz et à température ambiante. Le cinquième cycle de chargement/déchargement est présenté.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 StressB(MPa) Co m p res si o n Bm o d u lu sB(MPa) 24BAA 24BBA 24BBC
FIGURE 10.6 – Module de compression dynamique en fonction de la pré-contrainte statique appliquée à 64 Hz et à température ambiante
Une extrapolation de ces modules, exprimés en MPa, est effectuée en fonction des pré-contraintes statiques appliquées. Une régression linéaire donne de bons résultats par rapport aux valeurs expérimentales mesurées à température ambiante avec des coeffi-cients de détermination, R, relativement élevé. Manifestement, le module de compression décroit avec l’ajout de l’imprégnation de PTFE. En effet, le PTFE fournit de la flexibilité à la structure par contraste avec la structure du carbone qui est très rigide. Les équations (10.8), (10.9) et (10.10) sont directement implémentables dans un code de calcul par éléments finis. — GDL ref. SGL 24 AA Ec= 361σ − 476 with R2 = 0.98 (10.8) — GDL ref. SGL 24 BA Ec= 235σ − 239 with R2 = 0.99 (10.9) — GDL ref. SGL 24 BC Ec= 139σ − 104 with R2 = 0.99 (10.10)
122CHAPITRE 10. SYSTÈMES DE PRODUCTION D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUES EMBARQUÉS
10.3.2/ EFFET DE LA FRÉQUENCE DE SOLLICITATION SUR LE MODULE DE COM
-PRESSION DYNAMIQUE
Un système à pile à combustible est sujet à des sollicitations dynamiques de fréquences variées au cours de son utilisation en particulier pour les applications embarquées. C’est la raison pour laquelle cette étude expérimentale est fondamentale afin d’avoir une meilleure compréhension et une meilleure approche du comportement de la GDL en compression. Les figures 10.7, 10.8 et 10.9 présentent les modules de compression dynamiques des trois références de GDL en fonction de la pré-contrainte statique ap-pliquée et de la fréquence de sollicitation entre 10 et 100 Hz à température ambiante. Globalement, la fréquence de sollicitation semble avoir une influence relativement faible sur le module de compression dynamique des GDLs référencées SGL 24 BC et SGL 24 BA. Cependant, pour la GDL SGL 24 AA, la courbe obtenue est très instable. Par consé-quent, il est possible d’affirmer que l’ajout de PTFE et la présence d’une MPL stabilise globalement le comportement de la GDL. Comme dans le cas de sollicitations statiques, le PTFE lie les fibres plus fortement aux points de contact empéchant les mouvements relatifs parasites et améliorant la répétabilité de comportement. Par ailleurs, la MPL rigi-difie l’une des faces de la GDL empêchant la réorganisation d’une partie des fibres de la GDL lors de la phase de compression.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Stressz(MPa) Co m p res si o n zm o d u lu sz(MPa) 10zHz 19zHz 28zHz 37zHz 46zHz 55zHz 64zHz 73zHz 82zHz 91zHz 100zHz
FIGURE10.7 –Module de compression dynamique de la GDL ref. SGL 24 AA en fonction de la pré-contrainte statique appliquée et de la fréquence de sollicitation à température ambiante
10.3.3/ EFFET DE LA TEMPÉRATURE SUR LE MODULE DE COMPRESSION DYNA
-MIQUE
Dans cette partie, l’influence de la température sur la structure GDL et plus particuliè-rement sur son module de compression dynamique, est étudiée. Pour commencer, une analyse des températures spécifiques relative à la composition de la GDL est menée. Seule la GDL de type SGL 24 BC est présentée puisque toutes les options (PTFE et MPL) y sont présentes. Une analyse de type DSC (Dynamic Scanning Calorimetry ) est
10.3. CARACTÉRISATION DYNAMIQUE 123 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Stressz(MPa) Compressionzmodulusz(MPa) 10zHz 19zHz 28zHz 37zHz 46zHz 55zHz 64zHz 73zHz 82zHz 91zHz 100zHz
FIGURE10.8 –Module de compression dynamique de la GDL ref. SGL 24 BA en fonction de la pré-contrainte statique appliquée et de la fréquence de sollicitation à température ambiante
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 500 1000 1500 2000 2500 Stressz(MPa) Compressionzmodulusz(MPa) 10zHz 19zHz 28zHz 37zHz 46zHz 55zHz 64zHz 73zHz 82zHz 91zHz 100zHz
FIGURE10.9 –Module de compression dynamique de la GDL ref. SGL 24 BC en fonction de la pré-contrainte statique appliquée et de la fréquence de sollicitation à température ambiante
124CHAPITRE 10. SYSTÈMES DE PRODUCTION D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUES EMBARQUÉS
utilisée. Les premiers tests consistent en une rampe de température à vitesse 10◦C/mm et effectuée en trois phases : entre la température ambiante et -60◦C, entre -60◦C et 400◦C et entre 400◦C et -60◦C. La figure 10.10 illustre le flux de chaleur obtenue en fonction de la température. Tout d’abord, il est à noter trois températures caractéristiques. Autour de 26◦C, nous observons une modification de courbe dont la forme laisse à penser que nous sommes en présence d’une transition vitreuse. Malgré les polémiques autour de la température de transition vitreuse du PTFE, il semble que nous soyons en présence de ce phénomène. A 326◦C, un pic endothermique est observé correspondant à la fu-sion du PTFE. Un pic exothermique est observé à 309◦C correspondant quant à lui au phénomène de cristallisation du PTFE. Ces deux dernières températures sont corrélées avec les données de la littérature. Au-delà de la température de fusion, nous observons clairement une modification de la pente de la courbe liée à un dégagement de chaleur. Il est possible d’expliquer ce phénomène de deux manières : soit le matériau subit une dé-gradation de l’un de ces composants soit le matériau subit une relaxation de contraintes mécaniques dûe à la fusion de PTFE. Le phénomène "miroir" est observé avant la tem-pérature de cristallisation. Pour confirmer ces hypothèses, il faudrait tester sur un grand nombre de cycles de température les échantillons et observer ou non la stabilisation des courbes. Comme ces températures sont bien au-delà du domaine de fonctionnement thermique des PAC, nous nous sommes tenus à ces premiers résultats.
FIGURE 10.10 – Flux de chaleur en fonction de la température 0 20 40 60 80 100 120 Weight (%) 0 200 400 600 800 Temperature (°C) TGA_24 AA ––––––– TGA_24 BA ––––––– TGA_24 BC ––––––– Universal V4.1D TA Instruments
FIGURE 10.11 – Evolution de la masse en fonction de la température
La connaissance de la variation de masse en fonction de la température peut être utile pour comprendre les espèces chimiques présentes. La méthode d’analyse par thermo-gravimétrie (TGA) est utilisée dans ce but. La figure 10.11 montre les trois courbes ob-tenues pour chacune des références de GDL. La perte de masse varie très faiblement entre 22◦C et 400◦C. Cette légère variation est sans doute dûe à l’humidité contenue dans les GDLs au moment des essais. La disparition de certains additifs pourrait éga-lement être une source de déviation. Le PTFE est éliminé aux alentours de 537◦C pour la GDL ref. SGL 24 BA et la GDL ref. SGL 24 BC. Cependant, le carbone démarre son oxydation plus tôt dans le cas de la GDL ref. SGL 24 BC vers une température de 600
◦C. Pour la GDL 24 BA et la GDL ref. SGL 24 AA, cela semble débuter à 645◦C. A la fin de l’analyse, seules les cendres minérales, représentant 1 % de la masse initiale, restent dans le creuset. Pour résumer, il est pertinent de déterminer l’impact de la température de fusion du PTFE sur les propriétés mécaniques de la GDL. Dans le même temps, une analyse à des températures supérieures à 400◦C n’est plus pertinente d’un point de vue