Le phénomène de respiration et ses implications : forte dépendance aux conditions atmosphériques

La µPEMFC, compte plusieurs particularités qui la différencient grandement des PEMFC H2/Air fermées classiques.

La première de ces particularités est qu'elle est dite "à respiration". Cela signifie qu'elle tire l'O2 dont elle à besoin directement de l'air ambiant; celui-ci n'est ni stocké en bouteille, ni acheminé jusqu'à la cathode mécaniquement. La cathode est donc obligatoirement ouverte, ou partiellement ouverte à l'atmosphère. L'O2 de l'air en contact avec le milieu poreux de la cathode devra donc de lui-même y entrer, et diffuser jusqu'aux sites actifs. Cela implique que la PEMFC fonctionne à pression atmosphérique, ce qui n'est pas courant. La pression des gaz dans une pile fermée est souvent plus élevée (quelques dizaines de bars), ce qui a tendance à grandement améliorer les performances.

Ce caractère respirant implique aussi que l'on n'a pas la main sur la variable très importante dans la gestion de l'eau cathodique, dont nous avons parlé précédemment : le débit circulant d'air à la cathode. Comme nous l'avons évoqué, cette circulation permet d'une part d'augmenter l'afflux d'O2 vu par la réaction, et d'évacuer l'eau excédentaire qui pourrait noyer la cathode. De plus, nous avons vu que la cathode est le siège des phénomènes de diffusion gazeuse les plus importants. Cette absence de contrôle est donc loin d'être anodine.

Pour évacuer l'eau excédentaire de la cathode dans une atmosphère statique, nous serons tributaires du phénomène d'évaporation de l'eau liquide, et de diffusion de la vapeur vers l'atmosphère. La qualité de cette évaporation sera directement dépendante de la quantité d'eau contenue dans l'atmosphère, c'est-à-dire de l'humidité relative atmosphérique (HRa), et de la

température atmosphérique (Ta). L'HRa d'un volume d'air humide à la température Ta est

définie comme le ratio entre la pression partielle de la vapeur d'eau au sein de cet air, et la pression de vapeur saturante de cette eau à la température Ta :

𝐻𝑅𝑎 = 𝑃𝑣𝑎𝑝

𝑃𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑎 (I-2)

La pression de vapeur saturante représente la pression d'équilibre au-delà de laquelle la vapeur d'eau va se liquéfier (apparition de la première goutte d'eau liquide), ou en-dessous de laquelle l'eau liquide va se vaporiser (apparition de la première bulle de gaz). Elle est entres autres donnée par la forme intégrée de la relation de Clausius-Clapeyron, exprimée pour le cas de la transformation liquidegaz : 𝑃𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑎 = 𝑃𝑟𝑒𝑓𝑒 𝐿𝑣 𝑅 𝑇𝑟𝑒𝑓1 − 1 𝑇𝑎 (I-3)

Où Tref et Pref sont une température et une pression de référence allant de paire pour le gaz

étudié (ici la vapeur d'eau) et données par des abaques.

Si nous considérons que la vapeur d'eau a les propriétés d'un gaz parfait, ce qui sera assez vrai dans les faits, et considéré comme vrai dans la suite pour tous les gaz étudiés, alors :

𝑃_𝑣𝑎𝑝 = 𝐶_𝐻𝑎_{2𝑂𝑅𝑇} 𝑎 (I-4) D'où 𝐶_𝐻𝑎_2𝑂 = 𝐻𝑅𝑎 𝑃𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑎 𝑅𝑇𝑎 (I-5)

25 A température donnée, HRa définit donc bien la quantité d'eau contenue dans l'atmosphère.

Nous reviendrons en détails sur la façon dont ces conditions atmosphériques influent sur l'état hydrique dans le Chapitre-III, qui traitera de la modélisation de ces interactions. En attendant, une atmosphère très humide (HRa et Ta élevées), encouragera très peu l'évacuation de l'eau de

la cathode, ce qui aura pour effet de plonger la PEMFC plus facilement en situation de noyage. A l'inverse, une atmosphère sèche (HRa et Ta basses) aura tendance à énormément

favoriser l'évacuation de l'eau contenue dans la PEMFC, pouvant précipiter celle-ci dans un état d'assèchement pouvant être profond. L'évaporation sera d'autant plus limitée (respectivement favorisée) que la température de fonctionnement de la µPEMFC (notée T par soucis de lisibilité par la suite) sera basse (respectivement haute). L'évaporation dont nous parlons touchera d'abord la cathode, pour s'étendre, s'il elle est assez prolongée et forte, à la membrane, pouvant la dessécher. Nous en aurons une illustration au Chapitre II (Sauts de spectres).

Dans l'utilisation finale d'une PEMFC à respiration, la cathode n'est jamais en contact direct avec l'atmosphère. Elle est en fait partiellement isolée par un capot respirant. Outre sa fonction de protection physique de l'AME, très fragile, ce capot et son design ont un rôle important dans la gestion passive de l'eau. La Figure I-25 montre l'exemple d'une monocellule à respiration Paxitech (fabriquée en France), dont l'AME est un empilement classique, et dont la face cathodique est ajourée afin de laisser l'oxygène de l'air y pénétrer, et l'eau produite, s'évaporer (Figure I-25).

Figure I-25: PEMFC à respiration Paxitech, surface active 25 cm², exposée côté cathode

De même, les µPEMFC sont destinées à être montées dans un boîtier partiellement ajouré. Nicolas Karst, dans sa thèse [Kar09], a étudié l'influence du taux d'ouverture d'un petit capot enchâssé sur la mono cellule à la cathode. Pour chaque taux d'ouverture (de 10% à 70%), il a relevé la réponse QS d'une µPEMFC à différentes conditions atmosphériques. Cette étude a révélé que plus le taux d'ouverture est élevé, plus la µPEMFC est sensible aux conditions atmosphériques. Cependant, plus le taux d'ouverture est faible, moins l'entrée de l'oxygène au sein de la cathode et l'évacuation de l'eau vers l'atmosphère sont aisées. La qualité de sa diffusion est alors amoindrie par défaut d'O2 à la source, et par sursaturation en eau de la cathode, pouvant dès lors très rapidement se solder par un important noyage. Une faible ouverture de capot isole donc la µPEMFC de sa dépendance à l'atmosphère, mais n'améliore pas ses performances.

Si l'on veut un bon compromis, on ne peut donc s'affranchir d'un minimum de dépendance aux conditions atmosphériques. Cette dépendance s'avèrera ultrasensible et déterminante d'un point de vue hydrique, et donc sur les performances électriques.

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