Dans le cadre du projet DIAPASON, nous avons confronté notre système d’acquisition à un générateur PàC PEM composé de 20 cellules. Ce générateur est identique dans sa structure aux PàC mono et trois cellules, à l’exception près que la membrane est issue de la famille Primea Series 5510 du constructeur Gore. Les expérimentations et les essais par SIE ont été réalisés sur un banc de test dit Bi-piles de 1 kW développé en interne au laboratoire. Par rapport aux bancs qui permettent une caractérisation fine du générateur PàC, les fonctionnalités offertes par ce banc de test sont simplifiées et le nombre de capteurs réduit. Toutefois, les principaux paramètres physiques peuvent être contrôlés et mesurés dans le but de maximiser les performances du générateur [Gar06],[Har08-1]. Néanmoins, la simplification de l’architecture fluidique peut dans certains cas conduire à de très légères variations du point de fonctionnement (les régulations n’étant pas toujours aussi précises que sur un banc de caractérisation).
Comme nous l’avions déjà évoqué, très peu de travaux ont été entrepris sur la caractérisation de générateurs PàC comprenant une quantité de cellules élémentaires supérieure ou égale à 20 cellules. Dans leurs travaux [Yan07], Yan et al. ont étudié l’impédance d’un générateur composé de 20 cellules. Cependant, ils n’ont pas investigué le comportement des cellules élémentaires (individuellement). L’évaluation et le diagnostic de générateurs (ainsi que de ses cellules) de fortes puissance et tension sont toutefois d’importance capitale.
Les spectres d’impédance des figures II-3.3.1-1 et II-3.3.1-2 ont été relevés pour une température de fonctionnement de 30°C et pour un courant de polarisation de 15 A. Le circuit d’hydrogène est en mode fermé avec une purge toutes les 2 s. La PàC assure sa propre humidification. La plage de fréquence balayée est comprise entre 100 mHz et 5 kHz. Enfin, 10 points de mesure par décade ont été sélectionnés. La durée d’acquisition de l’ensemble des spectres est d’environ 90 minutes.
Comme nous pouvons le voir sur la figure II-3.3.1-1, une légère évolution de l’impédance du générateur complet est observable pour les fréquences basses. Toutefois, ces variations dans l’impédance de la PàC ne se traduisent pas par une modification irréversible
de l’état du système, mais par une variation cyclique de certains des paramètres, comme la température de fonctionnement. En effet, l’architecture du système de refroidissement s’apparente ici à celui d’un véhicule classique avec une commande simplifiée du type tout ou rien. La surveillance de la température a montré une variation cyclique (triangulaire) avec un gradient de température de 3°C environ. Malgré les oscillations mineures de la température de la PàC, nous pouvons considérer que le système était sur un point de fonctionnement stationnaire et que les variations dans l’impédance de la PàC peuvent être assimilées à des erreurs de mesure.
Figure II-3.3.1-1. Spectres d’impédance du générateur PàC.
A l’inverse, les impédances des cellules élémentaires présentées dans la figure II- 3.3.1-2 montrent très clairement des comportements différents. Comme dans le cas des résultats obtenus avec le générateur 3 cellules, les différences dans le comportement des cellules sont clairement à imputer au design de la PàC.
Figure II-3.3.1-2. Spectres d’impédance des cellules élémentaires.
Pour mieux comprendre les phénomènes mis en jeu, nous avons développé un modèle à base de circuits électriques équivalents. Ce modèle simple ne prend en compte que l’impédance de la cathode. Il est utilisé pour modéliser l’impédance du générateur ainsi que l’impédance des cellules élémentaires. Le modèle est composé de plusieurs éléments, d’une résistance (R1) qui correspond à la résistance de la membrane, une impédance de Warburg (W) de diffusion finie, dont la relation mathématique est donnée par l’équation II-1.4.1-7. La membrane est ici modélisée par une simple résistance afin de traduire son comportement « linéaire » vis-à-vis de sa contenance en eau. L’impédance de Warburg est utilisée ici pour modéliser les phénomènes hautes fréquences tels que la capacité de double couche et le transfert de charges dans le support poreux de l’électrode [Mos07]. La résistance (R2) et l’élément à phase constante (CPE) représentent le phénomène de diffusion de l’oxygène à basse fréquence. La relation de l’élément à phase constante est donnée dans l’équation II- 1.4.1-6. Le choix de ce circuit électrique équivalent a été motivé par la forme des spectres d’impédance relevés. En règle générale l’impédance de Warburg est utilisée pour modéliser les phénomènes de diffusion finie et notamment ceux relatifs à l’oxygène. Toutefois, ce type de composant sert aussi à modéliser d’autres types de diffusion comme celle des protons dans la couche catalytique [Mos07]. Concernant la qualité des tracés, nous utiliserons et vérifierons que le coefficient de « chi-squared » présente une faible valeur. Le test de « chi-squared » représente le carré de la déviation standard entre la valeur expérimentale et la valeur calculée par notre modèle.
Figure II-3.3.1-3. Circuit électrique équivalent utilisé pour modéliser les impédances du générateur PàC
La figure II-3.3.1-4 montre l’évolution de trois des paramètres du circuit électrique équivalent. Comme nous pouvons le voir, les cellules les plus éloignées de l’entrée des gaz réactifs et du système de refroidissement ont un comportement anormal. La résistance de la membrane croît quasi-linéairement avec la position de la cellule dans la PàC. Cette constatation laisse à penser, malgré que les cellules soient en parallèle hydrauliquement vis-à- vis du circuit de refroidissement, que le fluide caloporteur perd de son efficacité tout au long de la PàC. La dernière cellule (20) possède une impédance de membrane presque deux fois supérieure à celle de la première cellule (1). A l’inverse, on observe une quasi linéarité des paramètres de diffusion (TCPE et RW) pour les 13 premières cellules, puis une évolution rapide de leurs valeurs pour atteindre leurs asymptotes aux cellules 15 à 20. L’évolution des paramètres TCPE et RW indique des problèmes de diffusion pour les cellules terminales.
Figure II-3.3.1-4. Evolution des paramètres du modèle.