Protocole d’assemblage de la mono-cellule PEMFC

3.5 Les conditions expérimentales utilisées ... 84

 L’humidité relative de l’air et d’hydrogène ... 84  Température de la cellule de la pile à combustible (Tcell) ... 85  Le courant d’alimentation de la cellule ... 85  L’humidité relative de l’air... 85  L’humidité relative de l’hydrogène ... 85

3.6 Bruit électrochimique ... 85

3.6.1 Principe de la mesure des fluctuations de potentiel ... 85 3.6.2. Carte d’acquisition ... 86 3.6.3. Choix de la fréquence d’échantillonnage du signal ... 88 3.6.4. Bruit intrinsèque du montage expérimental ... 90

71

3.8 Méthodologie de traitement des données du bruit électrochimique

... 93

3.9 Références bibliographiques ... 94

Chapitre 3 Matériel et méthodes

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Dans le chapitre précédent ont été décrites les différentes défaillances que peuvent rencontrer les piles à combustible PEM et les méthodes utilisées classiquement pour les détecter.

Dans ce chapitre, nous aborderons la partie « expérimentale », nécessaire à notre étude. Dans un premier temps, le banc de test et la cellule utilisée pour ce travail de thèse sont décrits. Puis les conditions expérimentales utilisées sont présentées. Dans un second temps nous présenterons la méthode de diagnostic de la pile à combustible par la mesure des bruits électrochimiques.

3.1 Description du banc de test

Le banc de test présenté sur la figure (3.1) a été fabriqué au sein du laboratoire Pprime. Il est composé de tous les appareillages requis pour contrôler et caractériser les piles à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC). Les principaux éléments du montage expérimental sont les suivants :

 Une mono-cellule de 25 cm2_,

 Quatre débitmètres de gaz (de type Brooks Instrument®) avec des gammes allant de 0 à 90 mL.min-1 _{et de 0 à 1000 mL.min}-1 _{pour l’hydrogène et de 0 à 300 mL.min}-1 _{et de 0 à} 4000 mL.min-1_{pour l’air,}

 Deux humidificateurs (type bulleurs) allant à une température maximale de 80 °C,  Deux sondes permettant la mesure et la régulation de la température de la cellule à l’aide de deux boucles de recirculation d’eau,

 Une charge électronique Kikusui® PLZ664WA 0-150V 0-132 A,  Une carte d’acquisition National Instrument® 9234 24 bits 50 kHz,

 Deux capteurs de pression Jumo® 0-2.5bar mesurant la pression en entrée de pile côté anode et côté cathode,

 Un micro-ordinateur.

Le schéma du principe de fonctionnement simplifié du banc de test est représenté sur la figure (3.2). Tout d’abord les gaz d’alimentation sortant des bouteilles et du compresseur, sont détendus jusqu’à une pression de 1.5 bar avant que leurs débits soient régulés à l’aide de débitmètres Brooks Instrument® installés sur les lignes d’air et d’hydrogène. Les débitmètres ont les gammes allant de 0 à 4000 ml.min-1 pour l’air et de 0 à 1000 ml.min-1 pour l’hydrogène.

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Figure 3.1 : Photographie du banc de test.

Chapitre 3 Matériel et méthodes

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Chaque gaz est ensuite humidifié en s’écoulant à travers un humidificateur. Cet humidificateur ou bulleur est composé d’une enceinte remplie d’eau dans laquelle le gaz barbote. Sa température est régulée à l’aide de deux thermocouples. Le premier thermocouple est plongé dans l’eau et permet, grâce au pilotage d’une résistance chauffante, d’obtenir la température de rosée désirée. Le second est placé sur la paroi supérieure de l’enceinte dont la température est également régulée à l’aide d’un élément chauffant à une valeur légèrement plus importante (2°C) que celle de l’eau du bulleur pour éviter que la vapeur condense dans l’humidificateur avant d’en sortir. Entre l’humidificateur et la cellule, les tuyaux dans lesquels circulent l’air et l’hydrogène sont équipés de cordons chauffants et calorifugés pour chauffer les gaz, à une température de 70°C, afin d’éviter qu’une partie de la vapeur d’eau qu’ils contiennent s’y condense.

Le suivi de la pression de chacun des canaux d’alimentation en gaz (anodique et cathodique) est effectué grâce à deux capteurs de pression Jumo® qui permettent de mesurer les pertes de charge et de détecter d’éventuels phénomènes d’accumulation d’eau dans la mono cellule. Ces capteurs sont placés en entrée de pile pour chaque ligne de gaz et en sortie de pile la pression se trouve à la pression atmosphérique (régime ouvert).

La température de chaque plaque d’alimentation est contrôlée à l’aide d’un thermocouple connecté au système de thermorégulation Lauda® E300. L’eau thermorégulée circule dans des plaques en aluminium fixées sur les plaques d’alimentation en gaz. Une charge électronique KIKUSUI® impose l’intensité de courant délivré par la pile.

Le banc d’essai est instrumenté avec de nombreux capteurs : pressions, températures, tension, intensité. Chaque mesure est connectée à une carte d’acquisition National Instrument® DAQ 9234 d’une précision de 24 bits. Cette dernière est reliée à un ordinateur et enregistre l’ensemble des mesures avec une fréquence d’échantillonnage de 2000 Hz. Un programme réalisé sous logiciel Lab View® permet l’enregistrement de ces données et leur visualisation en temps réel sur l’écran de l’ordinateur. Les données sont alors transférées et traitées sous logiciel Matlab®.

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3.2 Description de la mono-cellule utilisée

La mono-cellule utilisée au cours de notre étude est prévue pour accueillir des assemblages membrane-électrode de 25 cm2 _{de surface active. Les éléments d’assemblage de} cette mono-cellule sont présentés ci-dessous :

3.2.1 Assemblage Membrane-Electrodes (AMEs)

Les AMEs (figure 3.3) constituent le cœur du système pile à combustible. Ceux utilisés pour l’ensemble des expériences ont été achetés auprès de la société Ion Power®. Les deux types d’AME utilisés sont décrits dans le tableau (3.1).

Au cours de cette thèse, nous avons été contraints de changer de type d’AME pour des raisons de disponibilité de ce matériel auprès de notre fournisseur (Ion Power®).

Tableau 3.1 : Descriptif des assemblages membrane-électrodes utilisés.

AME type n°1 AME type n°2

Surface active 25 cm2_{, membrane} (Nafion® 111) de 25 µm d’épaisseur et

charge de catalyseur (Pt/C) de 0.3 mg. cm-2

Surface active 25 cm2_{, membrane} (Nafion® 112) de 50 µm d’épaisseur et

charge de catalyseur (Pt/C) de 0.3 mg. cm-2

Figure 3.3 : Assemblage membrane-électrode (Nafion® 112) de surface active 25 cm2_.

Chapitre 3 Matériel et méthodes

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Il est intéressant de noter que, l’AME type (2) est utilisée uniquement pour l’étude de l’effet du courant. Par contre l‘AME type (1) est utilisée pour tout le reste des conditions opératoires.

3.2.2 Couche de diffusion des gaz

Deux types de GDLs développées par Sigracet® ont été utilisés dans ce travail (figure

3.4)

 GDL « 25 BC » composé d’un feutre de carbone pareillement hydrophobe (5% en masse de PTFE) d’épaisseur 190 µm et d’une couche microporeuse (MPL) d’épaisseur 45µm contenant 30% en masse de PTFE.

 GDL « 29 BC » composé d’un feutre de carbone pareillement hydrophobe (5% en masse de PTFE) d’épaisseur 235 µm et d’une couche microporeuse (MPL) d’épaisseur 45µm contenant 30% en masse de PTFE.

77 3.2.3 Joint d’étanchéité

Le joint d’étanchéité permet d’empêcher les fuites de gaz sur chacun des bords de l’AME après la compression de celui-ci entre les plaques bipolaires. Les joints utilisés dans cette étude sont de type rubans siliconés.

La figure (3.5) montre le joint silicone utilisé dans ce travail ainsi que l’assemblage AME- Joint ayant servi à l’assemblage de la cellule. Les deux trous, visible sur le joint de la figure (5a), ont été réalisés dans le but de recevoir des guides de positionnement. Ces guides sont très utiles car ils permettent d’empêcher l’ensemble AME- joint de bouger lors de l’assemblage de la cellule.

3.2.4 Plaques de distribution des gaz

Les plaques de distribution des gaz sont deux plaques en graphite carrée d’une surface de 64 cm2_{. Une des plaques en graphite, utilisée dans cette étude, est présentée sur la figure (3.6).} Chaque plaque a été usinée sur une de ces faces de canaux rectangulaires en serpentins de 1mm de large et de profondeur. Ses propriétés physiques sont répertoriées dans le tableau 3.2

Figure 3.5 : (a) Joint Silicone et (b) assemblage AME

Chapitre 3 Matériel et méthodes

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Tableau 3.2 : Propriétés physique de la plaque de graphite [1]. Densité (g cm-3₎ Conductivité électrique (S.cm-1₎ Conductivité thermique (W.m-1_.K-1₎ Expansion thermique (µm.m-1_.K-1₎ Résistane à la traction (Mpa) Résistance à la flexibilité (Mpa) Résistance à la compression (Mpa) 1.78 980 95 7.9 60 90 145

Le schéma technique de la plaque en graphite réalisé avec le logiciel CATIA est présenté sur la figure (3.7). Les dimensions sur cette figure sont en mm. Les dimensions de la plaque en graphite sont les suivants :

 Longueur d’un canal : Lc = 50 mm.  nombre de canaux : nc= 31.

 nombre de coude : ncd= 29.  Largeur du canal : lc= 0.7 mm.  Profondeur du canal : pc= 1 mm.  Epaisseur de la plaque ep= 12.8 mm

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3.2.5 Plaques collectrices du courant

Les plaques collectrices (figure 3.8) sont recouvertes d’une fine couche d’or, servant à collecter le courant en minimisant les pertes électriques. Elles sont insérées entre la plaque en graphite (plaque de distributeur de gaz) et la plaque support. Elles sont isolées électriquement de la plaque support à l’aide d’un adhésif en Téflon®.

Chapitre 3 Matériel et méthodes

80 3.2.6 Plaques supports (compression)

Les plaque de compression (figure 3.9) sont constituées d’acier inoxydable et ont une taille permettant de recevoir des cellules de 25 cm2_{. Elles sont équipées de connectiques} permettant de relier la cellule aux circuits de gaz du banc de test ainsi que l’alimentation en réactif des plaques en graphite.

Figure 3.9 : Photographie des plaques support. Figure 3.8 : Plaques collectrices du courant.

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L’orientation de la connectique des plaques de compression permettra de positionner la cellule en mode co-courant ou contre-courant. Huit vis de serrage permettent de répartir uniformément la pression de contact sur toute la surface de la cellule. Ces dernières sont serrées à l’aide d’une clé dynamométrique de manière à toujours obtenir un couple de serrage de 5 Nm.

3.3 Protocole d’assemblage de la mono-cellule PEMFC

L’assemblage final de la cellule PEMFC 25 cm2_{(figure 3.10) utilisé dans ce travail de}

thèse est donc composé de :

 L’AME , représentant le cœur de pile.  Deux joints d’étanchéité aux gaz

 Deux plaques en graphite (usinées en serpentin), jouant le rôle de distributeurs de gaz réactifs et de courant électrique

 Deux plaques recouvertes d’une fine couche en or jouant également le rôle de collecteurs de courant électrique

 Deux plaques supports en acier inoxydable (isolées des plaques précédentes), servant d’une part à imposer la température de la cellule et d’autre part de squelette à l’ensemble.

L’assemblage de la cellule exige un vrai savoir-faire, car sa réalisation hasardeuse peut occasionner des fuites de réactifs, l’obturation des canaux de distribution des gaz, un perçage de l’AME pouvant conduire à l’endommagement de la cellule. Pour éviter ces problèmes, un protocole d’assemblage des cellules a été mis au point à partir de nombreux essais préliminaires. Dans un premier temps, il faut s’assurer que la surface active de l’AME correspond à la surface usinée sur les plaques en graphite. Ensuite, il faut déterminer l’épaisseur du joint qui servira à réaliser l’étanchéité aux gaz. Cette épaisseur doit être au moins 30% de celle des GDLs pour assurer un écrasement de celles-ci sur l’AME et ainsi l’étanchéité. Le joint doit être ensuite découpé avec soin d’une surface vide correspondant à la surface de la couche de diffusion (servant à la diffusion des réactifs jusqu’aux sites de réaction). Enfin, l’ensemble joint plus AME est serré en sandwich entre les plaques en graphite pour fournir la mono cellule présentée sur la figure (3.10). Avant d’effectuer le serrage, il faut s’assurer que le joint ne recouvre aucune partie des canaux de distribution ou couche d’épaisseur afin d’éviter que celui-ci ne pénètre dans le canal pour l’obturer ou n’impacte la compression et le contact parfait entre les différentes couches. La figure (3.11) présente l’ordre de serrage des boulons de cellule. En effet,

Chapitre 3 Matériel et méthodes

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le serrage doit se faire progressivement et en diagonal par rapport au boulon précédent, afin d’éviter un cisaillement pouvant conduire au déplacement de l’ensemble joint-AME.

Figure 3.10 : Assemblage d’une mono cellule 25 cm2_.

1-MEA, 2- Joint,

3-Plaque bipolaire 4-Collecteur de courant 5-Plaque support

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Cette technique de serrage permet également d’avoir une répartition de la pression plus homogène.