Schéma du fonctionnement du banc MEDISIS

1.2 Contrôle des conditions opératoires

Les différents éléments assurant le contrôle des conditions opératoires sont détaillés ici de manière séparée. Ils concernent principalement la station de conditionnement des gaz, et la régulation en tempé- rature du stack. Le Tableau3.1présente les gammes d’utilisation des différents contrôleurs/régulateurs.

Débit gaz Pression relative Débit eau liquide Température gaz

Ln/min bar g/h ˚C

Air 1 - 110 0 - 4 150 - 1500 20 - 80

H

2 0,1 - 10 0 - 4 25 - 250 20 - 80

TABLE3.1: Gamme de performances de la station de conditionnement des lignes de gaz.

1.2.1 La stœchiométrie

C’est l’une des plus déterminantes pour l’état de santé du stack. Classiquement, la caractérisation des performances des PàC est effectuée soit à stœchiométries fixes, c’est-à-dire que le débit des réactifs est proportionnel à la valeur du courant, soit avec un débit des réactifs constant quel que soit le courant mesuré. Dans ce dernier cas, la stœchiométrie est variable en fonction du point de fonctionnement. Sur le banc MEDISIS le choix a été fait de pouvoir contrôler la stœchiométrie. Ainsi les débits de réactifs

Q˙

(Ln/min) sont ajustés en temps réel par un algorithme implémenté en Labview. Ils se calculent comme suit :

˙

Q

air

=

λ

air

.

6.10

4

.M

air

.N

c

.I

ρ

air

.4.F

(3.1)

˙

Q

H2

=

λ

H2

.

6.10

4

.M

H2

.N

c

.I

ρ

H2

.2.F

(3.2)

Avec

M

H2, et

M

air les masses molaires de l’air de l’hydrogène en kg/mol,

N

c le nombre de cellules

composant le stack et

λ

airet

λ

H2 les valeurs des stœchiométries en air et en hydrogène. Le courant

I

du

stack est celui mesuré en temps réel par les charges électroniques.

Pour un stack composé de 16 cellules, sur une gamme de courant allant de 1 à 50 A, il est possible d’obtenir des stœchiométries constantes comprises entre 3 et 7 pour l’air et de 1 à 2,5 pour l’hydrogène. Ces limitations sont imposées par les gammes des contrôleurs de débit (c.f. Tableau3.1), mais elles sont suffisamment larges pour obtenir la courbe de polarisation du stack jusqu’à 50 A où les densités de courant sont de 0,83 A/cm2_{, donc proche la zone de diffusion.}

1.2.2 L’humidité relative

Sur le banc MEDISIS, les gammes élevées des débits de réactifs ne permettent pas l’utilisation de bulleurs, comme ceux employés traditionnellement dans les bancs de test mono-cellule [72, 117]. Ils sont ici remplacés par deux évaporateurs, un sur chacune des lignes. Un débit contrôlé d’eau liquide est envoyé sur une plaque chauffée à 180˚, qui se vaporise puis se mélange au gaz porteur (air ou H2

traversant l’évaporateur.

La variable de régulation sur le banc n’est pas directement l’humidité relative, mais le débit d’eau liquide. Un algorithme sous Labview a été développé afin d’assurer la conversion entre les deux grandeurs. Ainsi, l’utilisateur du banc choisit l’humidité relative souhaitée, et le débit d’eau liquide

m˙

w(g/s) à injecter

est calculé en fonction du débit de gaz porteurs secs. Cet algorithme repose sur les lois suivantes, par exemple pour l’air :

y

w

=

HR

air

.

P

sat

P

air (3.3)

˙

m

w

=

˙

Q

air

.ρ

air

60

.

y

w

.M

w

(1 − y

w

).M

air (3.4)

P

sat

=

1, 013.10

5

. exp

 0, 018.2, 26.10

6

R

.



1

373−

1

T



(3.5)

Avec

y

wla fraction molaire de vapeur d’eau,

P

sat(Pa) la pression de saturation de l’eau,

T

la température

de l’air sec en Kelvin et

R

la constante des gaz parfaits. Le calcul de l’humidité relative fait intervenir

un nombre important de grandeurs (débit, pression et surtout température) mesurées avec une certaine incertitude. En conséquence nous estimerons dans un premier temps l’incertitude relative sur l’humidité relative à environ 5%.

La plupart des résultats expérimentaux sont réalisés à humidité relative en air constante, comprise entre 0 et 100%. A noter tout de même, qu’avec stœchiométrie en air de 7 et une température de stack de 40˚C, les débits maximums d’eau liquide (cf. tableau 3.1) pouvant être injectés dans l’évaporateur ne permettront d’atteindre qu’une humidité relative de 70% maximum à 50 A.

Remarque

Le banc de conditionnement des gaz a été livré avec deux débitmètres massiques, un par ligne de réactif. Ils ont pour gamme 25-250 g/h pour l’hydrogène et 150-1500 g/h pour l’air. Néanmoins, vu les gammes de température (autour de 40˚donc plutôt basses) et le stack de relative petite taille (16 cellules, 400 W), les valeurs de débit d’eau liquide sur la ligne d’air se trouvent autour de 150 g/h soit dans la limite basse du contrôleur de débit indiqué dans le Tableau3.1.

Ainsi, nous avons choisi de le remplacer par celui de la ligne d’hydrogène (qui a une gamme plus adaptée) pour gagner en précision sur les débits mesurés. En contrepartie, l’humidité relative sur l’hydrogène ne sera plus contrôlée, faute de débitmètres supplémentaires, toutes les mesures sont alors faites en hydrogène secs.

1.2.3 Pression et température des gaz

La pression de chacune des lignes de réactif est mesurée en amont du stack, sur une gamme entre 0 à 4 bars relatifs. Une vanne de régulation à l’aval du stack permet ensuite le contrôle de celle-ci. La régulation sur les débits (qui se trouvent modifiés si la pression change) est assurée par des modules PID. D’une manière générale, les mesures seront faites avec une pression atmosphérique en sortie d’air (pas de régulation de pression, échappement à l’air libre), et une pression de 1,5 bar absolue en sortie de ligne

H

2. L’influence de la pression n’ayant pas fait l’objet d’étude approfondie ici, ces deux conditions

ne varieront pas aux cours des mesures.

De même la régulation en température des gaz se fait de manière indépendante sur chacune des lignes. Elle est réalisée au moyen de lignes thermiquement tracées qui permettent une montée en température jusqu’à 80˚C, c.f. Tableau3.1. Les constantes de temps thermiques sont de l’ordre de l’heure pour obtenir le régime permanent, le temps de mise en route du banc est essentiellement piloté par ce paramètre. Au cours des mesures, la température des gaz est maintenue constante.

1.2.4 Régulation en température du stack

La régulation de température est uniquement réalisée par refroidissement, les calories dissipées par le stack étant largement suffisantes pour atteindre des températures de plus de 60˚C. Ainsi, une prise de température par thermocouple au centre du stack est effectuée. Celle-ci est ensuite régulée par l’action de deux ventilateurs soufflant de l’air entre chacune des cellules séparées par des gauffrettes (c.f. photo du stack démonté sur la Figure1.6). Leurs tensions d’alimentation sont pilotées par un régulateur PID industriel, l’ensemble du dispositif (régulateur et générateur de tension continue) est visible dans l’élément n˚4 (Figure3.1).

La température du stack sera maintenue autour de 40˚C. Cette température a été choisie pour plusieurs raisons :

– le constructeur préconise de ne pas dépasser 60˚C.

– en dessous de 30˚C, le banc ne peut pas contrôler la température des réactifs de manière précise. Ainsi, la température de 40˚C est le bon compromis. Elle permet une marge de sécurité pour ne pas dépasser une température des cellules supérieure à 60˚C en cas d’échauffement soudain du stack.

1.3 Instrumentation du stack et de ses cellules

FIGURE3.3: Photographie du stack MES-SA instrumenté de thermocouples (en vert) et de mesures de

Dans le document Modélisation multiphysique de l'impédance des piles à combustible PEM. Application au diagnostic de stack par spectroscopie. (Page 95-98)