Les tests effectués sur les piles à combustible

Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?

La pile à combustible est une technologie qui permet la production d’énergie électrique grâce à l’oxydation d’un réducteur (combustible) et à la réduction d’un oxydant sur l’électrode opposée. Lorsque le combustible est de l’hydrogène, l’énergie chimique issue de la réaction entre l’oxygène et l’hydrogène est ainsi transformée en énergie électrique et libère des molécules d’eau.

Quels sont les types de pile à combustible utilisés pour un usage automobile ?

Il existe 6 types de piles à combustible, mais elles ne sont pas toutes adaptées à un usage véhicule. La plus couramment rencontrée est la pile à hydrogène dite « PEMFC » (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) ou pile à combustible à membrane échangeuse de protons.

Dans ce type de PAC, l’électrolyte est une membrane en polymère, qui est le cœur de la pile. Elle est constituée d’une fine épaisseur de Nafion® (50 à 100 microns) et transporte les protons H+ en bloquant le passage d’électrons. Les électrodes utilisées sont à diffusion de gaz, par exemple en polytétrafluoroéthylène.

Ces échanges doivent être réalisés à une température, pression et humidité constantes ; le rendement de la pile varie ainsi entre 50 et 70 % et celui du système entre 30 et 50 %.

Quelles sont les principales mesures effectuées sur les piles à combustible ?

On retrouve sur les piles à combustible les principales mesures utilisées en électrochimie :

• Mesure de potentiel d’une chaîne électrochimique ;
• Mesure de conductance ;
• Courbes de polarisation par le montage à 3 électrodes.

Une des mesures qui préoccupe les scientifiques travaillant au développement des piles à combustible est la mesure des fuites internes. Elle peut être effectuée :

• par test de débit de fuite ;
• par voltamétrie cyclique : un potentiel est appliqué entre les deux électrodes, et le courant résultant des différentes réactions électrochimiques engendrées est mesuré ;
• par spectroscopie d’impédance : mesure classique en électrochimie, elle cherche à déterminer l’impédance d’un matériau ou d’un système soumis à une excitation électrique. Dans le cas de la caractérisation d’une pile à hydrogène, il est préférable d’utiliser le courant pour l’excitation, en mode galvano statique.

Les performances des piles à combustible

Les axes de développement prometteurs de cette technologie, qui n’utilise que l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’énergie électrique, passe par l’accroissement des performances et de la durabilité des piles à combustibles existantes. Le fabricant EA Elektro-Automatik fournit de l’électronique de puissance pour les essais des piles à combustible. Par exemple, il fournit des alimentations bidirectionnelles en courant continu et des charges régénératives en courant continu pour les tests de piles à combustible. Ainsi, plus de 96 % de l’énergie régénérative est récupérée. Les charges du fabricant présentent par ailleurs l’avantage de récupérer des courants élevés même avec de faibles tensions de pile à combustible.

Comment sont déterminées les performances des piles à combustible ?

Les performances d’une pile à combustible constituent une optimisation entre ses caractéristiques de fonctionnement : température et pression du combustible et des modules de la pile, et l’énergie consommée par ses différents auxiliaires, dont la conception n’a pas été optimisée.

Des composants, développés spécifiquement pour s’adapter aux plages de fonctionnement des différentes piles à combustible, apporteront une amélioration importante des performances (rendement, puissance) et de la durabilité. Ces développements devront être accompagnés d’une intégration des contraintes d’environnement de la pile.

C’est pourquoi des essais de caractérisation et des modélisations peuvent aider à comprendre les mécanismes de fonctionnement et de vieillissement des composants et de leurs propriétés d’interaction mutuelle.

Quels sont les appareils de mesure nécessaires à la détermination des performances ?

La courbe de polarisation est une mesure qui permet de déterminer l’énergie chimique non transformée en électricité car dissipée sous forme de chaleur. Elle est obtenue en mesurant la variation de la tension aux bornes de la pile à combustible selon la densité de courant par unité de surface.

L’endurance des piles à combustible

Au niveau technique, l’endurance et la durée de vie des piles à hydrogène ainsi que leur intégration au sein d’un système sont des problèmes qui restent à surmonter.

Comment est déterminée l’endurance des piles à combustible ?

La durabilité d’une pile à combustible est obtenue grâce à la réalisation de plusieurs essais de décharge pendant une durée donnée. Les tests d’endurance permettent de s’assurer de la fiabilité et de la stabilité d’une pile à combustible. Les exigences du monde automobile sont d’environ 7 mois (5000 heures). Ils sont réalisés sur bancs d’essais avec des charges électroniques.

Quels sont les appareils de mesure nécessaire pour déterminer l’endurance ?

Pour tester rapidement et à moindre coût la performance et la durée de vie d’une pile à combustible, il est possible d’utiliser des charges régénératives connectées en parallèle, avec des fonctionnalités telles que la connexion de nombreuses unités en parallèle, le test de systèmes haute puissance et une capacité de puissance totale sur une large gamme de tests de fonctionnement.

Par exemple, EA Elektro-Automatik propose un générateur de fonctions intégré qui simule toutes des conditions de charge, ainsi que des alimentations qui simulent les caractéristiques de la pile.

Pourquoi simule-t-on la durabilité d’une pile à combustible ?

Pour étudier la performance et les caractéristiques d’une pile à combustible, des simulations sont également possibles, dans les mêmes conditions que des tests en réel. EA Elektro-Automatik fournit une gamme complète d’interfaces pour automatiser les tests et simplifier le fonctionnement manuel.

N’hésitez pas à consulter notre autre article qui vous explique en quoi les tests, simulations et caractérisations sont essentiels dans le développement, la fabrication et l’exploitation des piles à combustible.

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