Méthode retenue dans cette étude : circuit électronique imprimé

Comme évoqué précédemment, la carte S++^©utilisée dans cette étude fait partie de la gamme «Current Scan Lin» développée par l’entreprise S++^©Simulation Services. Elle consiste en une carte électronique dorée en surface et segmentée en plusieurs mailles, chacune d’entre elles étant dotée d’un capteur à effet Hall. Le fonctionnement de ce type de capteur est décrit en détail dans l’AnnexeA.1de ce document.

2.2.2.1 Caractéristiques techniques de la carte S++©

La carte S++©utilisée dans le cadre de ces travaux a une surface de 220 cm2pour être conforme avec celle des AME étudiés. Elle mesure 3,5 mm d’épaisseur. Elle est divisée en 20x24 segments, qui participent tous à la mesure de la densité de courant locale. La mesure de la température est réalisée par des fils de cuivre qui parcourent la carte. Pour des raisons pratiques d’espace disponible pour le passage des fils, la mesure utilise quatre segments voisins pour obtenir une valeur, ce qui diminue la résolution pour la tempéra-ture à 10x12. Chaque segment a pour dimensions 7 mm x 7 mm, d’où une surface de 0,49 cm²par segment. Une photographie de la carte S++^© utilisée en stack dans cette étude pour accéder aux densités de courant et températures locales est donnée en Figure2.2.

Les caractéristiques techniques de la carte électronique sont résumées dans le Ta-bleau2.1. Le logiciel de mesure associé est notamment doté d’une fonctionnalité permet-tant de corriger la valeur du courant mesurée par la température, puisque cette dernière participe à modifier la perméabilité magnétique locale. La résistance électrique dépend également de la température (équation2.1), et les valeurs de la résistance de référence R(T0) et de la conductivité thermiqueαsont déterminées pendant la phase d’étalonnage. R(T) = R(T0)∗(1+α(T−T0)) (2.1)

Résolution ^{Plage de} fonctionnement

Délai minimal

entre 2 mesures ^Précision Densité de courant ^{20x24 segments}

(0,49 cm²) ^{0 - 2,5 A.cm}

−2 2,0 sec ^{0,01 A (env. 5 %} d’erreur) Température ^{10x12 segments}

(1,96 cm²) ^{0 - 100 °C 2,0 sec 1 °C} TABLEAU2.1 – Caractéristiques techniques de la carte S++^©«Current Scan Lin» utilisée dans cette

Chapitre 2 - 2.2. Outils permettant de mesurer la répartition des conditions locales

FIGURE2.2 – Photographie de la carte de mesuresin-situS++©utilisée dans cette étude. Les 480 segments de mesure (20x24) sont visibles sur la surface de la partie dorée centrale.

A titre d’exemple, deux mesures de la carte électronique sont représentées sur la Fi-gure2.3. Cela permet de montrer que la carte S++©est capable de capturer les hétérogé-néités qui existent à la surface de la cellule, tant au niveau de la densité de courant que de la température (points chauds). L’utilisation de cet outil est donc pertinent par rapport à l’objectif fixé dans ce travail.

FIGURE2.3 – Exemple de mesures obtenues par la carte S++©, dans les conditions opératoires de référence (80 °C ; 1,5 bar ; 50 % HR ; 1,5 / 2,0 St). A gauche : densité de courant. A droite :

température.

2.2.2.2 Utilisation de la carte S++^©en stack et analyse critique

La carte S++^©est insérée dans le stack, au même endroit qu’un AME classique (c’est-à-dire entourée par deux plaques bipolaires, cf. Figure2.4). Il est facile de l’inclure dans le stack au moment de son assemblage, et son caractère invasif est réduit. Cependant, elle ne peut pas être alimentée en gaz car elle ne joue en aucun cas le rôle d’un AME.

Malgré ses atouts, l’utilisation de cette carte soulève un certain nombre de difficul-tés. La densité de courant et la température mesurées par le dispositif sont en réalité le

Chapitre 2 - 2.2. Outils permettant de mesurer la répartition des conditions locales

FIGURE2.4 – Positionnement de la carte S++^©au centre d’un stack, avec 2 GDL de part et d’autre

résultat d’une moyenne des valeurs pour chaque AME de part et d’autre de la cellule in-tégrant la S++^©. Le placement de celle-ci aux extrémités du stack (première ou dernière cellule) doit donc être évité pour ne pas prendre en compte les effets de bord. En outre, puisque la carte électronique remplace un AME, celle-ci est donc entourée par deux cir-cuits de refroidissement circulant dans les deux plaques bipolaires adjacentes. Les travaux de Nandjou et al. [57] ont montré que cela atténue les valeurs de températures mesurées par la carte S++^©par rapport aux valeurs réelles du cœur de pile des AME voisins.

De plus, malgré une conductivité électrique de la carte S++^©censée être plus élevée dans l’épaisseur que dans le plan, ainsi qu’un effort réalisé pour isoler électriquement chacun des segments, une étude dédiée a montré qu’il peut y avoir création de courants latéraux à la surface de la carte [93]. L’ image de la densité de courant mesurée sera alors affectée et l’information concernant les hétérogénéités peut être dégradée.

D’autre part, la mesure de la densité de courant est dépendante du contact électrique entre les plaques distributrices et les cellules voisines. Puisque les plaques bipolaires sont parcourues de canaux, le contact entre la surface plane de la carte électronique et ces plaques a lieu uniquement sur les dents. Pour remédier à cela, deux GDL sont insérées au contact de la carte électronique, de manière à maximiser le contact électrique avec les plaques bipolaires. Cependant, cette opération se fait au détriment des hétérogénéités mesurées puisque les GDL participent, certes faiblement, à la ré-homogénéisation dans le plan des conditions locales, comme explicité dans le chapitre précédent. L’ajout des GDL ne supprime pas totalement l’effet des dents sur les distributions mesurées de la densité de courant. Afin de lisser davantage leur effet, il est préférable d’appliquer une matrice de coefficients correctifs permettant de ramener la mesure de la densité de courant de chaque segment à la surface réelle de contact. Cette méthode de traitement des données

Chapitre 2 - 2.3. Modélisation de la répartition des conditions locales

est appliquée à l’ensemble des résultats présents dans ce manuscrit (cf. AnnexeA.1). Il convient de noter que d’autres effets peuvent apparaitre sur les cartographies me-surées et qui ne sont pas liés directement à l’outil de mesure. Les points de soudures exis-tant entre les deux demi-plaques permetexis-tant de former une plaque bipolaire sont égale-ment problématiques dans le sens où leur conductivité électrique est supérieure à celle des plaques. Elles constituent donc un point préférentiel pour le passage du courant. De même, lors de l’assemblage du stack, celui-ci est pressé puis maintenu par des tirants sur sa périphérie. Le contact électrique est donc meilleur sur les bords, ce qui peut constituer un autre point préférentiel pour le passage du courant et apparaître sur les contours des cartographies de courant mesurées.

Bien que les mesures de la carte S++^©ne soient qu’une image imparfaite des réparti-tions spatiales de la densité de courant et de la température, cet outil constitue un moyen efficace d’avoir accès à ces deux conditions locales. De plus, il permet de confronter les résultats du modèle de pile à combustible développé dans l’étude avec des essais expéri-mentaux afin de valider ses conclusions.

La section suivante est dédiée à la construction de ce modèle permettant de simu-ler les conditions locales dans le cœur de pile. L’état de l’art des modèles capables de répondre à cet objectif sera d’abord présenté, avant de décrire en détail les équations constitutives de ce modèle numérique.