Simulation du cycle dynamique

Afin de constituer une référence pour pouvoir discuter des stratégies d’optimisation de la durée de vie de la pile développées dans la section suivante, le cycle est modélisé avec la nouvelle géométrie, avec un maillage de 1x12 éléments. On considère de plus que les changements de niveaux de puissance se font de manière instantanée (échelons), c’est-à-dire sans rampe continue.

4.4.2.1 Simulation du cycle en début de vie

Les variations de la densité de courant ainsi que de la température, de la saturation en eau liquide et de la fraction molaire d’oxygène cathodiques sont représentées sur la Figure4.14en fonction des quatre paliers caractéristiques du cycle.

La densité de courant décroît de l’entrée air jusqu’à la sortie air (entrée H2) pour les trois premiers paliers car elle est liée à l’évolution de la fraction molaire d’oxygène en conditions humides. Pour le palier n°4, contrairement à la géométrie avec canaux en ser-pentins, cette évolution est conservée malgré le passage à des conditions asséchantes. Il semblerait donc que ces dernières aient moins d’impact sur la distribution de la densité de courant avec la nouvelle géométrie.

Le refroidissement étant désormais orienté de la gauche vers la droite, la température du cœur de pile augmente dans la direction du transport de l’air. Concernant les paliers n°1 à 3 du cycle et comme dans le cas de la géométrie serpentins, de l’eau liquide est formée dès l’entrée air. Les valeurs plus importantes de température atteintes près de la sortie air, conjointement au flux d’eau transportant de la vapeur d’eau de la cathode vers l’anode, provoquent la diminution de l’humidité relative en sortie de la cathode. Cette diminution entraîne la disparition d’eau liquide sur la dernière maille de la cellule simulée (cf. Figure4.14).

Chapitre 4 - 4.4. Simulation du cycle de Zodiac Aerospace avec une nouvelle géométrie Les conditions locales lors du palier n°4 évoluent différemment des autres paliers. L’appel de puissance engendre une baisse d’humidité relative de l’air en entrée de la pile. Par conséquent, l’air entrant n’est plus saturé en vapeur d’eau et les premières mailles montrent une absence d’eau liquide. La production d’eau par la réaction provoque le dé-passement de la pression de vapeur de saturation vers le centre de la cellule. L’eau liquide formée redevient sous forme vapeur en approchant de la sortie air dû aux valeurs élevées de température.

FIGURE4.14 – Évolutions de la densité de courant ainsi que de la température, de la saturation en eau liquide et de la fraction molaire d’oxygène cathodiques en fonction de la position le long de la

cellule, obtenues aux 4 paliers représentatifs du cycle.

Comme pour la géométrie serpentins, l’eau liquide est quasiment omniprésente à la surface de l’AME lors des paliers représentatifs du profil de mission (cf. Figure 4.1). La présence d’eau liquide permanente pour certaines zones influe très probablement sur la dégradation globale de la pile, notamment sur la corrosion des plaques bipolaires ainsi que sur la dégradation des couches actives. D’autres zones (mailles 1 à 4 et 10 à 11, cf. Figure 4.14) subissent des alternances eau liquide / vapeur d’eau, pouvant fragiliser lo-calement la membrane. L’évolution de la saturation en eausà la cathode lors d’un cycle complet avec la nouvelle géométrie confirme que l’eau liquide est présente durant la to-talité du cycle et pour l’ensemble des mailles, excepté pour la zone proche de la sortie air (mailles 11 et 12). Dès la onzième maille, la quantité d’eau liquide est diminuée, pour finalement disparaître sur la maille correspondant à la sortie air (cf. Figure4.15).

4.4.2.2 Estimation de la durabilité de la pile à combustible avec la nouvelle géométrie

Comme dans le cas de la géométrie des plaques bipolaires avec canaux en serpentins, la procédure d’estimation de la durée de vie par la simulation de cycles équivalents est réalisée durant 5000 heures.

Chapitre 4 - 4.4. Simulation du cycle de Zodiac Aerospace avec une nouvelle géométrie

FIGURE4.15 – Variation de la saturation en eau liquide lors du cycle. Seules les évolutions pour les 3 mailles les plus proches de l’entrée air ainsi que les 3 mailles les plus proches de la sortie air

sont représentées.

L’évolution de la tension moyenne de cellule par cycle équivalent est représentée sur la Figure4.16. Contrairement au cas de la géométrie utilisée lors des essais, l’instant de forte puissance du cycle (palier n°4) ne crée pas de défaillance du système jusqu’à 5000 heures de durée de vie simulées. Ce résultat est en partie dû aux meilleures performances obtenues avec la nouvelle géométrie, qui permettent de gagner près de 100 mV sur la ten-sion de cellule pour une densité de courant de 0,64 A.cm−2et les conditions Aéro1(cf. Figure4.13). Afin de quantifier la diminution de tension associée à chaque palier, les si-mulations entre chaque période de vieillissement sont utilisées. Cette opération permet d’en déduire un taux de dégradation calculé sur 5000 heures enµV.h−1pour les paliers n°1 à 4 (cf. Figure4.17). En particulier, le taux de dégradation obtenu au palier le plus critique est quatre fois moins important que pour la géométrie serpentins. Pour cette dernière, des limitations liées à la diffusion des espèces peuvent apparaître lors du point de fonc-tionnement correspondant au palier n°4, ce qui n’est pas le cas pour le nouveau design de pile (cf. Figure4.13).

L’influence des cycles équivalents sur la perte de surface active est représentée sur la Figure4.18a. Le modèle prédit une perte de 45 % durant les 5000 heures équivalentes si-mulées, soit 6 % de moins que dans le cas de la géométrie serpentins. Cette diminution de surface active est relativement homogène le long de la cellule mais concerne légèrement plus la zone proche de l’entrée air (cf. Figure4.18b).

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FIGURE4.16 – Évolution de la tension de cellule lors de la simulation du cycle défini par Zodiac Aerospace avec la nouvelle géométrie.

FIGURE4.17 – Évolution des pertes sur la tension de cellule pour les différents paliers du cycle défini par Zodiac Aerospace avec la nouvelle géométrie. Les taux de dégradation affichés sont

calculés sur les 5000 heures de cycles équivalents.

En supposant que la dégradation de la surface active suive un comportement linéaire jusqu’à la fin de vie de la pile, la durée de vie estimée par le modèle est alors supérieure à 20000 heures avec la nouvelle géométrie (environ 22000 heures). Ce résultat est probable-ment sur-estimé, notamprobable-ment au regard des résultats obtenus avec la géométrie serpen-tins. Plusieurs raisons peuvent expliquer ce constat :

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FIGURE4.18 – (a) : Évolution de la perte de surface active lors de la simulation du cycle défini par Zodiac Aerospace avec la nouvelle géométrie. (b) : Distribution spatiale de la dégradation le long

de la cellule en fin de simulation (5000 heures équivalentes).

– Absence de certains mécanismes de dégradation dans le modèle.

Comme expliqué précédemment, le modèle développé ne permet pas de prendre en compte une rupture brutale de la membrane. Or, ce phénomène est actuelle-ment la cause principale d’une fin de vie de la pile à combustible. Il est donc pro-bable qu’il se manifeste avant la fin de vie estimée avec la nouvelle géométrie. D’autre part, les réactions de corrosion dans le cœur de pile (support carbone, plaques bi-polaires) ne sont pas prises en compte. Or, ces mécanismes sont fortement activés par la présence d’eau liquide, dont les quantités semblent plus importante avec la nouvelle géométrie.

– Extrapolation des lois de dégradation ajustées sur la géométrie serpentins.

Aucun test de durabilité avec la nouvelle géométrie n’ayant pu être réalisé durant cette étude, les lois de dégradations ajustées sur la géométrie serpentins sont sup-posées être conservées lors du passage à une nouvelle géométrie. De plus, la nature des AME est différente entre les deux tests. Il est ainsi possible que les mécanismes de dégradation ne se comportent pas de la même façon entre les deux configura-tions. La forte différence de performances observée à fort courant entre les deux géométries (cf. Figure4.13) a sans doute un effet non négligeable sur la perte de surface active, puisque la gamme de potentiels lors du cycle est sensiblement mo-difiée avec la nouvelle configuration.

– Linéarité du comportement de la pile par tranches de 1000 heures.

Cette hypothèse adoptée pour réduire les temps de calcul semble correcte pour la majeure partie de la durée de vie de la pile, mais peut être remise en cause lorsque la surface active restante atteint des valeurs faibles. En effet, un phénomène d’accé-lération en fin de vie de la pile pourrait éventuellement intervenir.

Afin d’augmenter la durée de vie de la pile à combustible pour le profil de mission défini par Zodiac Aerospace et dans les conditions opératoires du cas d’étude, des straté-gies d’optimisation sont proposées dans la sous-section suivante. Les résultats demeurent qualitatifs, mais la démarche appliquée peut être réutilisée pour d’autres études.

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4.4.3 Proposition de stratégies d’optimisation de la durabilité du