Le risque d’un mélange oxygène-hydrogène dans une PàC dégradée doit être considéré. La méthode que nous proposons et qui utilise les gaz réactifs pour juger de l’intégrité physique de la membrane peut présenter un risque lors de sa mise en œuvre. Néanmoins des règles d’utilisation permettent de limiter le danger.
Pour réaliser expérimentalement ces tests, trois étapes sont nécessaires. Dans un premier temps, il est préférable de porter la PàC à une température constante basse et régulée au cours de l’expérimentation afin de limiter les effets possibles de points chauds causés par une réaction entre hydrogène et oxygène. Dans un second temps, la PàC doit être déconnectée de toute charge électrique et alimentée en gaz réactifs (dihydrogène, air) pendant une durée assez courte (quelques secondes) mais suffisamment longue pour remplir les compartiments anode/ cathode de la PàC.
Pour réduire le risque d’une réaction exothermique directe entre l’hydrogène et l’oxygène contenu dans l’air, il est conseillé de suralimenter la cathode en air, tout en respectant le gradient de pression maximal applicable à la membrane. En toute logique, la présence de gaz réactifs de part et d’autre de la membrane doit faire augmenter la tension aux bornes de la ou des cellule(s) pour atteindre des valeurs à vide proches de 0.95 V (pour une PàC de type PEM à 80°C). Une fois que l’ensemble des cellules a atteint ces niveaux de tensions à vide, il suffit d’arrêter soudainement les débits d’hydrogène et d’air. Il est possible et fortement conseillé de ne stopper que le débit d’hydrogène (surtout sur les générateurs de forte puissance). De ce fait, si une partie de l’hydrogène traverse la ou les membranes du générateur, le brassage des compartiments cathodiques avec un débit d’air important permet de limiter le risque de réaction entre gaz réactifs. Néanmoins, si la « fuite » de gaz réactif est localisée entre la cathode et l’extérieur (hors anode), il faudra alors arrêter le débit d’air.
Pour détecter quelles cellules sont défaillantes dans la PàC, il suffit de surveiller l’évolution de la tension à vide en fonction du temps après la coupure des gaz réactifs. La surveillance des tensions à vide est capable de renvoyer des informations importantes sur l’intégrité physique de la membrane ou des joints de la cellule. En effet, pour un courant électrique nul et après une coupure du débit d’hydrogène, une cellule ayant un bon état de
santé est capable de conserver sa valeur de tension à vide durant au moins 1 min grâce au réservoir tampon d’hydrogène présent dans le compartiment et dans l’électrode. Le temps de maintien au potentiel à vide ainsi que sa valeur dépendent de la quantité d’hydrogène qui a été stockée dans les compartiments anodiques. Après un certain laps de temps, les tensions cellules vont évoluer lentement jusqu’à converger vers une valeur proche de 0 V. Cependant, la constante de temps de chacune des cellules pour atteindre une tension proche de 0 V est différente et dépend globalement de l’état de santé de la membrane/ cellule. La figure III- 1.2.1-1 illustre l’évolution des tensions à vide des cellules sur un générateur composé de 3 cellules après une coupure des gaz réactifs.
Figure III-1.2.1-1. Illustration d’une fuite anode/ cathode sur un générateur 3 cellules. Les résultats de la figure III-1.2.1-1 montrent que la cellule n° 3 possède une tension à vide supérieure par rapport aux deux autres cellules lorsque le générateur est alimenté en réactifs. Toutefois, après l’arrêt des gaz réactifs, la tension de la cellule n° 3 chute rapidement pour atteindre une valeur proche de 0V, une minute seulement après l’arrêt des gaz réactifs. A l’inverse, les tensions à vide des cellules n°1 et 2 montrent une meilleure tenue dans le temps. Le comportement singulier de la cellule n° 3 suggère que le volume d’hydrogène contenu dans le compartiment anodique a été consommé plus rapidement que pour les deux autres cellules. Une consommation rapide du volume contenu dans le réservoir tampon de la cellule n° 3 entraine une chute rapide de sa tension à vide. Il est possible de corréler l’affaissement de la tension à vide de la cellule n° 3 avec l’équation mathématique de la tension de Nernst (voir équation III-1.2.1-1). ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ + = PH electrode PO electrode F RT E OCV Theor E ln 2 2 2 0 (Equation III-1.2.1-1) Avec, OCV Theor
E : le potentiel à vide théorique, en V,
0
Ainsi lorsque l’hydrogène s’écoule vers l’extérieur ou dans un compartiment autre que l’anode, il en résulte une diminution de la pression partielle de l’hydrogène et de ce fait une diminution logarithmique de la tension à vide théorique.
Un modèle permettant l’analyse expérimentale des résultats présentés en figure III- 1.2.1-1 a été développé au FC LAB et présenté dans [Tia08].
La raison de cette consommation excessive en hydrogène peut avoir différentes causes : une perméation de l’hydrogène à travers la membrane à cause (rupture, déchirures, craquelures, perforations, trous) ou à travers un joint d’étanchéité endommagé. Nous avons écrit précédemment que cette méthode permettait de détecter la ou les cellule(s) défaillante(s). Cependant cette technique ne permet pas de déterminer si c’est un joint d’étanchéité ou une membrane qui est en cause.
Cette méthode est particulièrement adaptée pour détecter les cellules qui présentent des défauts d’étanchéité (membrane et/ ou joints) minimes, lesquels entraînent le plus souvent le mélange d’une faible quantité de gaz réactifs (déchirures, craquelures ou perforations).
L’un des inconvénients majeurs de cette méthode réside dans l’impossibilité d’analyser une membrane ayant subi une rupture. En effet, la quantité importante de gaz réactifs susceptible de réagir présente un risque tant pour l’utilisateur que pour le matériel en lui-même.
Deux autres inconvénients peuvent être mentionnés pour cette technique. Premièrement, il n’est pas possible d’analyser une membrane présentant des dégradations minimes comme des porosités. Contrairement au défaut de rupture, la présence de trous (porosités) dans le membrane ne provoque pas le passage de débit de gaz réactif sensible dans celle-ci. De ce fait, la chute des tensions cellule provoquée par la consommation rapide d’un des deux gaz réactifs est lente et non discriminante.
D’un point de vue expérimental, la réalisation de variations dynamiques à fortes amplitudes sur le débit de gaz réactifs constitue une difficulté sur les systèmes embarqués de forte puissance électrique. Cette difficulté dépend en particulier de l’architecture fluidique retenue au niveau du système PàC [Tia08].
Pour remédier à ce problème, une variante de la méthode précédente a été proposée. Cette variante a été appliquée sur un générateur d’une puissance électrique de 5 kW et composé de 42 cellules.
Comme pour la méthode précédente, nous avons couplé deux types de grandeurs physiques : des valeurs électriques à vides (les tensions cellules) et des mesures fluidiques (pressions air et hydrogène) en amont de la PàC. La figure III-1.2.1-3-A montre le profil des
pressions air et hydrogène qui a été employé pour détecter les cellules défaillantes dans le générateur 5 kW. On remarquera que des gradients de pressions modérés (≈ 5 à 6% de Prelatif) sont appliqués à la membrane.
Figure III-1.2.1-2. Evolution des tensions cellules en fonction du profil de pression appliqué.
Figure III-1.2.1-3. A) Profil des pressions appliquées en entrée de la PàC, B) Impacts sur quelques tensions cellules (Zoom figure III-1.2.1-2).
Le résultat de l’application de ce profil apparait sur les figures III-1.2.1-3 et III-1.2.1- 2. En analysant les données collectées, on observe que le profil de pression a des répercussions différentes sur la tension à vide de certaines cellules (cellule n°19, cellule n°21 et cellule n°27). Pour la plupart des cellules à l’exception des cellules n°19, 21 et 27, la tension à vide des cellules ne présente pas de fortes variations lorsque le profil de pression est appliqué à la PàC. La cellule n°19 montre une tension à vide relativement stable mais inférieure en amplitude par rapport aux autres cellules. Le comportement de la cellule n°19 peut s’expliquer par différents facteurs : un processus de fabrication des cellules qui ne permet pas de reproduire à l’identique plusieurs cellules, l’assemblage manuel du générateur.
A l’inverse, les cellules n°21 et 27 montrent des oscillations importantes (anormales) et qui correspondent temporellement au profil de pression appliqué. Ces comportements sont relatifs à des cellules présentant un défaut d’étanchéité important.