Ecoulement des réactifs 43

Comme nous l’avons vu, au cœur de la pile de nombreux phénomènes interviennent liés à la nature de la membrane et ils sont donc difficilement évitables, mais d’autres problèmes apparaissent au delà de la membrane. Les réactifs de la pile étant consommés au fur et à mesure de la production d’électricité,

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il est nécessaire de les apporter en continu vers les électrodes pour maintenir la production d’électricité. De plus, afin de fournir une puissance électrique optimale, les réactifs doivent être conditionnés avant leur contact avec les électrodes afin que les réactions chimiques puissent se faire dans des conditions optimales.

Nous allons ici nous intéresser au conditionnement des gaz en amont du stack puis à leur distribution dans les différentes cellules du stack et enfin à leur distribution au sein d’une cellule.

II.3.1 Ecoulement des réactifs en amont du stack

Comme pour la majorité des réactions chimiques, avoir des quantités, des pressions et des températures de réactifs élevés permet d’améliorer la cinétique des réactions et donc d’améliorer les performances de la pile, la température de fonctionnement de la pile étant limitée par la nature de la membrane. Seules les pressions et les quantités de réactifs sont à prendre en compte dans le cadre du conditionnement des gaz.

Un apport en excès de réactifs aura pour effet de faciliter leur entrée en contact avec les sites réactionnels et permettra d’améliorer les performances de la pile. L’excédant de réactifs n’étant pas consommé est perdu. Cette solution est donc difficilement viable pour le cas de l’hydrogène. Par contre, dans le cadre de l’alimentation en air, la perte d’air n’étant pas un problème, il est possible de fonctionner en sur-stœchiométrie, usuellement la stœchiométrie à la cathode est supérieure à 1.5 [14]. Cette stœchiométrie permet également d’améliorer la cinétique de réduction de l’oxygène. Il faut de plus noter qu’au-delà d’une certaine valeur de stœchiométrie, celle-ci n’apporte plus rien en termes de gain de performances de la pile mais continue à provoquer la perte de réactifs. De plus, le sur débit de réactifs peut provoquer un assèchement local de la membrane en entrainant l’eau hors de la pile [15]. Le choix de la sur-stœchiométrie résulte donc d’un compromis à faire entre le gain de performance et la perte de réactifs.

Une autre possibilité pour améliorer les performances de la pile est d’augmenter la pression des réactifs [16]. Ainsi, les réactifs seront plus mobiles et rentreront plus facilement en contact avec les sites réactionnels, améliorant ainsi les performances de la pile. Là encore, l’effet de l’augmentation de la pression des réactifs ne se limite pas aux seules performances de la pile. En effet, si les pressions

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de part et d’autre de la membrane ne sont pas égales, il y a alors une contrainte mécanique sur la membrane [17]. Cette contrainte sera d’autant plus forte que la différence de pression est importante. Il y a alors un risque de déchirure de la membrane. Or, s’il y a déchirure de la membrane, celle-ci ne fait plus office d’électrolyte dans la pile et la pile ne peut donc plus produire d’électricité. Usuellement, la différence de pression est limitée à 0.5 bar.

De plus, les phénomènes de diffusion sont amplifiés par cet écart de pression puisque l’augmentation de la pression totale à l’électrode implique une augmentation de la pression partielle de chacun des gaz en présence.

La dernière contrainte liée à la pression vient de l’étanchéité du stack. En effet, plus la pression au sein du stack devient importante, plus les moyens à mettre en œuvre pour permettre l’étanchéité de la pile seront complexes. En effet, il est plus difficile de contenir une pression élevée. Encore une fois, le choix de la pression des réactifs est le résultat d’un compromis, ici entre une augmentation des performances et un risque accru de fuite.

A la fois le débit des réactifs et leur pression respective sont des conditions à mettre en place avant que les réactifs ne rentrent dans les cellules du stack de la pile à combustible. Un autre conditionnement doit être fait en amont de la pile afin d’assurer le bon fonctionnement de celle-ci, leur humidification.

II.3.2 Humidification des gaz

Nous l’avons vu, le bon fonctionnement de la pile nécessite une bonne teneur en eau de la membrane. Une des sources de cette eau est la réaction chimique mais elle est limitée et dépend du courant délivré par la pile. Afin d’assurer une humidification optimale de la membrane, il est également possible d’humidifier les gaz en amont de la cellule.

Nous avons vu précédemment que l’assèchement de la membrane empêchait le bon fonctionnement de la pile. Afin d’éviter cela les gaz rentrants dans la pile peuvent être humidifiés, c'est-à-dire chargés en vapeur d’eau afin que cette eau puisse humidifier la membrane Cet apport d’eau permet d’éviter l’apparition d’un assèchement de l’AME. En contrepartie, le risque d’engorgement est accru. Il y a là

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encore un compromis à faire entre le risque d’assèchement et le risque d’engorgement pour déterminer l’humidification à apporter aux gaz.

Le conditionnement des gaz a un impact important sur le fonctionnement de la pile à la fois en termes de performances mais également en termes de sécurité de la pile. Ce conditionnement intervient en amont de la pile. Il est aussi nécessaire de discuter de la distribution des réactifs vers les cellules.

II.3.3 Ecoulements vers les plaques bipolaires

Une fois conditionnés, les réactifs sont acheminés vers les électrodes pour être consommés. Nous avons vu dans le chapitre précédent qu’afin d’obtenir une tension électrique utilisable, les différentes cellules de la pile sont mises en série électriquement, au sein du stack. Cette mise en série est purement électrique, l’apport des réactifs est fait en parallèle pour chaque cellule.

Ainsi, pour obtenir les mêmes performances pour chaque cellule, il est nécessaire d’assurer l’approvisionnement des réactifs de manière identique pour chaque cellule. Cela permet à la pile de fonctionner dans des conditions optimales et de prévenir un vieillissement anticipé de celle-ci. En effet, si l’une des cellules fonctionne sous des conditions plus sévères (pression plus basse ou mauvaise humidification de la membrane), c’est l’ensemble du stack qui sera impacté par le vieillissement anticipé de cette cellule [18]. Il est donc nécessaire d’assurer une distribution homogène des réactifs aux différentes cellules du stack afin d’avoir des conditions d’utilisation identique et donc un vieillissement identique pour toutes les cellules du stack.

Ce problème de distribution est également présent quand on considère une cellule seule.

II.3.4 Ecoulements dans les plaques bipolaires

Les plaques bipolaires permettent la distribution des réactifs sur la surface active des électrodes. Ainsi tout le long du réseau de distribution des réactifs de la plaque bipolaire, ceux-ci sont consommés. On a alors un changement de composition le long du distributeur. Localement, les conditions des réactions

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chimiques varient au sein même de la cellule. Là encore, cela peut avoir un impact sur le vieillissement de la membrane [19][20]. Cela se traduit par une tension inhomogène sur la surface active de l’AME, et donc un vieillissement inhomogène de celui-ci.

L’alimentation en gaz d’une pile à combustible est une problématique complexe comme nous venons de le voir. Elle a un impact direct sur les performances de la pile et sa durée de vie. Elle intervient directement sur les réactifs mis en jeu par la réaction et donc logiquement sur la réaction elle-même. Il reste enfin un dernier phénomène à prendre en compte dans les systèmes pile à combustible, à savoir le dégagement de chaleur.