1.4 Durabilité d’un système PEMFC pour l’aéronautique
1.4.2 Effets des régimes de fonctionnement du système PEMFC sur sa durabilité
Les modes de fonctionnement principaux du système PEMFC peuvent être classés en différents régimes imposés à la pile à combustible :
– régime stabilisé (production de courant constante, conditions opératoires fixes) – régime dynamique (changements de paliers de courants dans le temps, cycles,
condi-tions opératoires fixes ou non)
– régime passif, d’attente (la pile est alimentée en gaz réactifs mais ne produit pas de courant, celle-ci est alors à sa tension maximale (OCV))
– pile à l’arrêt (courant et tension nuls aux bornes de la pile).
Si plusieurs études existent déjà dans la littérature concernant l’impact d’un régime particulier de la pile sur la durée de vie de celle-ci, peu d’entre elles se livrent à une com-paraison entre différents modes de fonctionnement.
Wahdame et al. [51] ont réalisé deux tests de vieillissement (régimes stabilisé et dyna-mique) dans le but de les comparer. Ils observent une dégradation plus importante pour le régime stabilisé que pour le régime dynamique, tout en soulignant l’importance de la valeur moyenne du courant sur un cycle pour statuer sur le fonctionnement dynamique. Indépendamment mais de manière analogue, Liu et al. [52] ont également comparé les régimes stabilisé et dynamique. A l’inverse de Wahdame et al., ils observent que c’est ce dernier régime qui engendre la plus forte diminution de performances dans le temps (222 µV/h en dynamique contre 155µV/h en stabilisé, à 0,5 A.cm−2sur 900 heures de fonction-nement).
Chapitre 1 - 1.4. Durabilité d’un système PEMFC pour l’aéronautique
FIGURE1.13 – Influence des conditions opératoires sur la perte de surface active de la pile à combustible. Les données sont adimensionnées de manière à observer les tendances par rapport
à une durée de vie de référence (estimée dans les conditions : T=80°C ; P=1.5bar ; HR=50%, St=1.5(a)/2.0(c)) [49]
Dans [53], P. Pei et al. proposent une méthode simple et originale permettant d’évaluer la durée de vie d’une pile à combustible dans le domaine du transport, de manière expé-rimentale. A partir de tests menés sur un bus ayant parcouru 43 000 km équipé unique-ment d’une pile à combustible ainsi que d’essais en laboratoire, les auteurs parviennent à évaluer séparément les taux de dégradation associés à chacun des modes de fonction-nement imposés à la pile. Les résultats obtenus peuvent être résumés dans le Tableau1.6. Cependant, ces données sont purement expérimentales et la reproductibilité n’a pas été vérifiée. De plus, les essais n’ont été menés que pour un jeu de conditions opératoires fixé, or celles-ci peuvent avoir une influence non négligeable sur les résultats.
A titre illustratif, des essais parus dans [50] permettent de comparer l’impact relatif de trois des quatre régimes de fonctionnement cités précédemment par rapport à une réfé-rence avant vieillissement («Before Aging»). Cependant, les détails de chaque essai de la campagne de durabilité ne sont pas mentionnés (Figure1.14).
Chapitre 1 - 1.5. Conclusions
Mode de fonctionnement imposé à la pile Perte de performances(% / h ou % / cycle)
Cycles de puissance 0,0000593 % / cycle Cycles arrêts/démarrages 0,00196 % / cycle
Nominal 0,00126 % / h
Pics de puissance 0,00147 % / h
TABLEAU1.6 – Résultats de l’étude menée par Pei et al. [53] concernant l’impact des différents régimes de fonctionnement de la pile à combustible sur sa perte de performances.
FIGURE1.14 – Illustration de l’impact relatif de différents régimes de fonctionnement de la pile à combustible sur l’évolution de ses performances dans le temps (adapté de [50])
1.5 Conclusions
Les interactions entre le système PEMFC et le cœur de la pile à combustible sont com-plexes. Comme décrit dans les deux sous-sections précédentes, ces interactions sont tri-butaires des conditions opératoires ainsi que du régime de fonctionnement imposé au système. Une application au domaine des transports implique des niveaux de courant aux variations fréquentes et parfois soudaines. Le passage à un fort courant provoque une augmentation des débits en gaz réactifs, ce qui tend à assécher la membrane car, malgré l’eau produite en plus grande quantité, celle-ci est évacuée plus rapidement de l’électrode [54]. Or une membrane qui s’assèche fonctionne moins bien et tend à se dé-grader plus rapidement. D’autre part, la gestion des gaz lors de l’élévation du niveau de courant ne doit pas être négligée. En effet, comme le courant produit par la pile est direc-tement proportionnel aux débits des gaz réactifs (équations1.10et1.11), si la consigne en courant est imposée par le système avant d’avoir ajusté les débits, alors des pénuries locales en gaz dans le cœur de pile se créent durant la transition. Ces pénuries locales («Fuel Starvation») augmentent temporairement mais fortement les potentiels locaux, ce qui favorise la cinétique de certains mécanismes de dégradation comme la corrosion du support carboné des couches actives (cf. Chapitre 3). A l’inverse, abaisser rapidement la demande en courant diminue l’évacuation de l’eau, ce qui peut provoquer des bouchons en sortie de pile et bloquer l’accès des gaz à certains sites réactifs du cœur de pile. La dy-namique de la variation du courant a donc son importance vis-à-vis de la durabilité du
Chapitre 1 - 1.5. Conclusions système. ˙ na=Incel l 2F 1 1−HRa 100 Psat(T) Pa (1.10) ˙ nc =Incel l 4F 1 1−HRc 100 Psat(T) Pc (1.11) Avec : ˙
nj le débit molaire du gaz entrant dans l’électrode j (mol.s−1,apour anode etcpour cathode) ;
ncel l le nombre de cellules dans le stack ; F la constante de Faraday (C.mol−1) ;
HRj l’humidité relative du gaz entrant dans l’électrode j (%) ; Psat la pression de saturation (Pa) ;
Pj la pression du gaz entrant dans l’électrode j (Pa).
La fiabilité de tout système embarqué dans le domaine aéronautique est un point cru-cial car la sécurité est un élément central pour tout avionneur. D’autre part, parvenir à estimer la durabilité d’un système PEMFC avant sa mise en service en connaissant le pro-fil de puissance qu’il sera amené à suivre présente un fort intérêt. Les outils mis en place dans cette étude tenteront de répondre à ce besoin.
Au travers des sous-sections précédentes, l’influence de l’environnement et du ré-gime de fonctionnement de la pile sur l’évolution de ses performances a été montrée. Pour comprendre davantage les conséquences de ces facteurs, il est important de pou-voir quantifier leurs effets sur les conditions locales du cœur de pile, qui vont à leur tour jouer sur les mécanismes de dégradation (Figure1.15). Néanmoins, la majorité des études publiées dans la littérature faisant le lien entre le régime de fonctionnement de la pile et son vieillissement demeure à un niveau global, sans faire le lien avec les conditions lo-cales qui jouent pourtant un rôle central. Le présent manuscrit est dédié à l’étude de ces interactions entre le système PEMFC et les conditions locales de la pile en environnement aéronautique, dans le but de comprendre leurs effets sur les mécanismes de dégradation locaux et ainsi d’améliorer la gestion des régimes de fonctionnement de la pile pour aug-menter sa durée de vie.
Les différents outils développés et/ou utilisés pour permettre d’accéder aux condi-tions locales du cœur de pile sont présentés dans le chapitre suivant. En particulier, la construction du modèle développé puis utilisé dans l’étude est décrite en détail, sans considération liée au vieillissement de la pile dans un premier temps.
Chapitre 1 - 1.5. Conclusions
FIGURE1.15 – Illustration des mécanismes d’interactions pouvant avoir lieu entre le système pile à combustible et le cœur de pile dans l’étude du vieillissement de cette dernière