Défaillances au niveau des constituants de la pile

L’imperméabilité de la membrane aux électrons et aux gaz est un facteur impor- tant pour la durée de vie et la fiabilité de la pile. Le passage des gaz réactifs à travers la membrane (crossover) est considéré comme l’une des défaillances les plus critiques de la pile. Cette défaillance conduit à la réaction H2/ O2 qui est une réaction fortement exothermique provoquant ainsi des défaillances irréversibles. Inaba et al ont observé que le crossover est accéléré lorsque l’humidité et la température sont élevées [53]. Ils remarquent aussi que le crossover est moins affecté par l’humidité lors des tem- pératures élevées. La Figure 1.9(a) résume les effets de l’humidité et de la tempéra- ture sur l’accélération du crossover à pression atmosphérique.

Dans la même étude, les auteurs montrent que la pression des gaz a aussi un effet sur le crossover même quand les pressions des deux gaz (H2/ air) varient simultané- ment. Cet effet est considéré plus impactant que celui de la température et de l’hu- midification. Sur la Figure 1.9(b), on voit que la valeur du courant du crossover à une pression de 0,2 MPa (pour les 2 gaz) est quasiment 5 fois plus grande qu’à pression atmosphérique.

Dans la même étude [53], les auteurs ont analysé l’impact de la différence de pres- sion entre les 2 gaz : la pression de l’hydrogène est maintenue constante (sur 2 va- leurs PH2= Pair et PH2= 0,2 MPa) et celle de l’air varie entre la pression atmosphérique et 0,2 MPa (Figure 1.9(c)). Cette différence est jugée encore plus dégradante et pour- rait être fatale pour la membrane.

(a) (b) (c)

Figure 1.9. (a) Effet de l’humidité et de la température sur la valeur du courant de cros- sover, (b) effet de la pression des gaz sur le courant du crossover à différentes tempéra- tures et (c) effet de la différence de pression sur le courant du crossover [53]

Ces résultats ont été confirmés dans l’étude de Cheng et al [54] qui se sont inté- ressés à l’effet de la température et de la pression sur le crossover.

Les causes du crossover peuvent être multiples.Elles peuvent également se com- biner. Bruijn et al dressent une liste des conditions, modes de fonctionnement et mé- canismes engendrant le crossover [55].

Figure 1.10. Conditions et mécanismes de dégradations conduisant au crossover [55]

L’arbre proposé par les auteurs [55] prend en compte, au premier niveau, les con- ditions d’utilisation (humidité, température, tension, …) qui peuvent générer des mécanismes de dégradation (réaction H2/O2, dégradation du polymère, …) engen- drant à leur tour des défauts (appelés effets mesurables dans l’article).

Une autre défaillance au niveau de la membrane est souvent discutée dans la lit- térature : la déchirure ou la délamination des bords de l’ensemble de l’AME. Cette délamination est décrite comme le cas où la couche active est séparée de la mem- brane. Il a été rapporté dans [56] que cette défaillance peut provenir d’un défaut de fabrication. Plusieurs études montrent que le cyclage en humidité relative ou la pré-

sence d’eau à l’interface électrode-électrolyte lors des basses températures (gel/ dé- gel) peuvent conduire à un décollement de l’électrode par rapport à la membrane comme vu précédemment dans ce chapitre.

1.4.2.2 Couche active

La corrosion du carbone et la dégradation du platine, qui sont deux mécanismes fortement liés, sont les principaux mécanismes conduisant à la perte de la surface active. Cette défaillance est considérée comme étant irréversible. Bruijn et al [55] ont recensé différentes conditions et différents modes de fonctionnement conduisant aux mécanismes de dégradations de la couche active (Figure 1.11).

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Figure 1.11. Différents conditions et mécanismes conduisant à la perte de la surface ac- tive [55]

L’arbre de la Figure 1.11 montre clairement que les conditions opératoires défa- vorables (OCV, starvations, profil de la charge, ...) engendrent les deux mécanismes qui sont à l’origine de la perte de la surface active : la dissolution du platine et la corrosion du carbone.

1.4.2.3 Couche de diffusion

La corrosion et la compression mécanique des couches de diffusion peuvent pro- voquer la rupture des fibres de carbone, entrainant ainsi une chute de performances émanant de la diminution de la conductivité électrique de la GDL et la perte de l’hy- drophobicité.

La perte de l’hydrophobicité des couches de diffusion au cours du temps est l’une des défaillances les plus graves au niveau de cet élément. Une perte d’hydrophobicité se traduit par l’incapacité de la couche à évacuer l’eau provoquant, par conséquent, des noyages permanents. Cela peut être compensé en partie en adaptant les débits de gaz au fil de la vie de la pile à combustible.

1.4.2.4 Plaques d’alimentation

La corrosion des plaques bipolaires métalliques et le couple de serrage (couple trop important ou une différence de serrage sur les différents tirants) sont des causes qui peuvent conduire à une fissuration des plaques, ainsi qu’à des fuites de gaz.

De plus, dans le cas d’un stack, le courant passe d'une cellule à l'autre via les plaques bipolaires, ce qui signifie que toute modification de la résistance de ces der- nières ou de la résistance de contact affectera les pertes ohmiques de l’empilement.

1.4.2.5 Joints d’étanchéité

La dissolution des joints et leur rupture est l’une des défaillances les plus étudiées dans la littérature concernant cet élément. Cette défaillance est fortement dépendante de la température, de la compression et du vieillissement des joints. Une défaillance des joints implique une fuite de gaz vers l’extérieur et une perte du couple de com- pression. Cette défaillance, considérée réversible, nécessite l’arrêt du système et le changement des joints.