Déséquilibre des forces électromotrices

Fig. 25 Situation où l'importance du défaut résistif est augmentée. Tension en Volt aux bornes des huit

cellules (gauche). Potentiels en Volt dans un plan de coupe (droite).

2) Déséquilibre des forces électromotrices

Une mauvaise évacuation de l'eau peut amener à un noyage localisé de la couche de

diffusion provoquant un appauvrissement en gaz réactif au niveau de ces régions. En

diminuant localement la force électromotrice (Fig. 26), il est possible de modéliser l'impact de

ce type de phénomènes sur le comportement électrique du stack. Les résultats sont représentés

sur la figure (Fig. 27).

Fig. 26 : Distribution de la force électromotrice (en Volt) dans les huit AME du stack. Cas test du

défaut de force électromotrice.

Fig. 27 : Tension en Volt (gauche-haut) et densité de courant en A.cm

-2

(droite-haut) sur les huit AME

du stack. Equipotentielles et lignes de courant (gauche-bas) dans un plan de coupe. Cas test du défaut

de force électromotrice. Potentiels en Volt dans un plan de coupe (droite-bas).

Les résultats font apparaître une boucle de courant au niveau de la cellule défectueuse.

Ce phénomène est du au déséquilibre des forces électromotrices : il y a une force présente à

gauche mais absente à droite au niveau du défaut. Au niveau de cette zone défectueuse, les

forces résultantes poussent les charges en sens inverse. On observe aussi que la tension de la

cellule défectueuse s'écroule alors que celles des cellules voisines augmentent.

Ces simulations ont été réalisées en utilisant pour les AME une loi de comportement

linéaire qui autorise la circulation des courants en sens opposé. Bien entendu, le véritable

comportement électrochimique non-linéaire des AME limite en parti ce phénomène. Par

conséquent, les courants calculés ici sont totalement surévalués. Une seconde simulation a été

réalisée en bloquant cette fois-ci totalement les courants inverses avec une résistance retour

infinie. Les résultats montrent qu'il existe toujours un champ électrique orienté en sens inverse

au niveau des zones défectueuses. Ce champ électrique inverse développe une force qui tend à

pousser les charges dans le sens opposé. Si des processus électrochimiques particuliers

permettent des transferts de charges adéquates, ce champ électrique entrainera bien les

charges dans le sens opposé. Il est probable que ces processus possèdent des cinétiques très

lentes et que les courants engendrés soient très faibles. Néanmoins, mêmes faibles, ces

courants peuvent avoir des conséquences désastreuses sur les matériaux du stack (destruction

du support du catalyseur).

Des courants inverses ont déjà été observés expérimentalement et plusieurs mécanismes

ont été proposés pour expliquer ce phénomène [Maranzana et al., 2010], [Reiser et al., 2005].

Bien que ce modèle électrocinétique ne soit pas en mesure de quantifier ces courants inverses,

il permet néanmoins de montrer qu'à partir de considérations purement électriques, il est

possible d'obtenir un mode de fonctionnement favorisant très fortement les courants inverses.

Remarque : déséquilibre des forces électromotrices au démarrage d'un stack

Ce type de défaut peut être rencontré dans d'autres circonstances. Par exemple, lors du

démarrage d'un stack, un front transitoire air-combustible est créé le long des canaux de gaz.

Ainsi, près des entrées des gaz, une force électromotrice est établie. Mais au niveau de la

sortie, les canaux sont toujours remplis d'air et aucune force n'est établie. La figure (Fig. 28)

illustre comment est modélisée cette situation. Les résultats sont présentés sur les figures (Fig.

29). Pour les mêmes raisons que précédemment, des boucles de courant internes apparaissent

dans le stack.

Fig. 28 : Distribution de la force électromotrice (en Volt) dans les huit AME du stack. Cas test du

démarrage de stack.

Fig. 29 : Tension en Volt (gauche-haut) et densité de courant en A.cm

-2

(droite-haut) sur les huit AME

du stack. Equipotentielles et lignes de courant (gauche-bas) dans un plan de coupe. Cas test du défaut

Remarque sur les tensions de cellule supérieures à la tension de boucle ouverte

On remarque encore une fois que les courants transverses dans les plaques bipolaires

créent des chutes ohmiques qui viennent augmenter les tensions des cellules voisines. Si le

courant total à travers le stack est nul, ces différences de potentiels viennent s'ajouter à la

tension de boucle ouverte. Ainsi ces cellules peuvent atteindre des tensions dépassant la

tension de boucle ouverte (Fig. 30), ce qui peut amener à des phénomènes de dégradations

prématurées du stack.

Fig. 30 : Tensions en Volt des huit cellules du stack avec un défaut de force électromotrice et dans le

cas où le courant total est nul. Une tension de 1,1 V (supérieure à la tension de boucle ouverte de 1V)

apparaît sur les cellules voisines du défaut.

E - Conclusion sur le modèle électrocinétique

La technique de modélisation présentée ci-dessus permet d'obtenir la répartition

macroscopique des courants au sein d'un stack pour différents modes de fonctionnement.

Certains phénomènes particuliers ont ainsi pu être observés tel que des couplages entre

cellules, des plaques bipolaires non équipotentielles ou des boucles de courant. Cet outil se

révélera aussi utile par la suite pour évaluer les signatures magnétiques des différents modes

de fonctionnement du stack.

Néanmoins les défauts présentés ici ne représentent qu'une faible partie des défaillances

susceptibles de survenir à l'intérieur d'un stack. Tenter de modéliser toutes ces défaillances

avec l'approche proposée ici ne semble pas adéquate. L'étape suivante consistera à coupler

l'électrocinétique avec la fluidique et la thermique. Le couplage avec la fluidique a fait l'objet

de premiers travaux qui sont encore en cours de développements [Moselle, 2011].

II - Les modèles directs magnétiques

La section précédente a présenté un outil de calcul permettant d'évaluer la répartition

des courants dans le stack pour différents modes de fonctionnement. Cette section va décrire

comment, à partir de ces courants, il est possible de calculer les champs magnétiques générés

par ceux-ci.

Fig. 31 : Entrées et sorties du modèle magnétique direct.

Dans un premier temps un modèle magnétique 3D est présenté. Les équations de ce

modèle sont détaillées et des hypothèses sont proposées afin de faciliter la résolution

numérique de ce type de problème. Ce modèle sera couplé avec le modèle électrocinétique

précédent afin d'étudier la sensibilité du champ magnétique aux défauts de fonctionnement.

De ces simulations il sera possible de mettre en évidence la principale caractéristique des

champs magnétiques générés par une pile. Ce modèle magnétique permet alors de réaliser un

pré-dimensionnement rapide des magnétomètres.

Bien que les résultats produits par le modèle magnétique 3D soient physiquement

réalistes, celui-ci peut néanmoins se révéler encore trop lent ou trop complexe à manipuler

pour la création des premiers modèles inverses. Ce constat a mené au développement d’un

deuxième modèle magnétique plus léger et plus efficace. Celui-ci fait l’hypothèse que le

problème 3D peut se ramener à un problème 2D. Cette approche réduit le nombre de degrés

de libertés et facilitera la création prochaine du modèle inverse.

A - Modèle magnétique 3D

Cette partie présente le modèle magnétique 3D qui a été développé dans le cadre de ces

travaux. Les équations sont d'abord présentées puis deux techniques de discrétisation sont

proposées. Le modèle magnétique est ensuite couplé au modèle électrocinétique et l'effet d'un

défaut de fonctionnement est étudié. Les résultats montreront qu'il est plus judicieux de

découper le problème en deux sous problèmes. Enfin l'ordre de grandeur du champ

magnétique autour d'une pile à combustible est estimé.

Densité de

courant

Champ

magnétique

Modèle

magnétique

direct

Dans le document Diagnostic non invasif de piles à combustible par mesure du champ magnétique proche (Page 86-92)