Comparação entre processos de conformação

Dans cette partie, on s’intéresse à l’impact d’un déficit temporaire d’oxygène lors des cycles de charge sur le vieillissement. Pour cela, les résultats présentés ont été obtenus pour un fonctionnement en mode bouché.

3.2.1.Comparaison du vieillissement à courant constant et en cyclage en courant.

La Figure IV-12 montre l’évolution de la tension moyenne à une densité de courant de 0,5 A/cm² pour les AME ayant subi les tests de vieillissement avec les 2 modes d’alimentation (commande des débitmètres synchronisée en bleu et pile suralimentée en rouge) avec 1 échelon de 5 s par cycle de 20 s. La figure montre également l’évolution de la tension pour une AME fonctionnant à un courant constant de 0,425 A/cm² (courbe noire). Le tableau en dessous du

Étude de vieillissement d’une mono-cellule PEMFC

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graphique regroupe les évaluations du vieillissement par interpolation linéaire des tensions moyennes quotidiennes pour chaque test.

Figure IV-12 : Étude de l’influence de l’alimentation en air à la cathode, lors d’un cyclage en courant, sur le vieillissement de la PEMFC par rapport à un fonctionnement à courant constant.

Lors des 5 premiers jours, on remarque que pour un fonctionnement à courant constant, la variation de la tension moyenne peut être considérée comme négligeable, voire positive. Il est bien référencé dans la littérature qu’aux premières heures de fonctionnement, les chutes de performance d’une PEMFC peuvent être réversibles [150, 156, 342, 343].

On remarque que la synchronisation de la commande des débitmètres, courbe bleue, permet d’atténuer les chutes de performance par rapport au fonctionnement en suralimentation, courbe rouge. Le manque d’oxygène fait chuter le potentiel cathodique ce qui induit peut-être une réduction des oxydes de carbone et de platine.

Ces résultats indiquent qu’une suralimentation de la pile, pour pallier le défaut d’alimentation à un échelon de courant, est néfaste pour ses performances. En effet, lorsque la commande des débitmètres est synchronisée avec le profil du courant le vieillissement est de l’ordre de - 35 µV/h, alors que si la pile est suralimentée, les chutes moyennes de performances sont de - 52 µV/h. La chute de performance est donc 1,6 fois plus importante en mode suralimentée. Il faut néanmoins garder à l’esprit qu’en absence d’anticipation ou de suralimentation la pile n’est pas capable de fournir la totalité de la puissance demandée et ceci peut être extrêmement contraignant sur certain système non hybridé.

De plus, une suralimentation génère une chute de performance 1,7 fois plus importante par rapport à un fonctionnement à un courant constant de 0,425 A/cm² (- 33 µV/h à courant constant contre - 52 µV/h dans le cas 2).

Si on n’observe pas de grande différence entre le taux de vieillissement en fonctionnement à courant constant et en cyclage en courant en gas depletion (- 33 µV/h et - 35 µV/h respectivement), la tension de la PEMFC est plus élevée (de l’ordre de 20 mV) dans le deuxième

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cas. Ces résultats indiquent qu’un manque temporaire d’oxygène peut parfois être bénéfique en termes de durabilité comparé à un fonctionnement à courant constant.

En considérant qu’une pile à combustible a atteint sa fin de vie quand ses performances ont chuté de plus de 10% [322], ce qui correspond environs à 72 mV dans notre cas, et en se basant sur les tendances de l’évolution des tensions obtenus par interpolation linéaire du jour 1 au dernier jour, le temps de vie de notre PAC est donc estimé à :

 2057 h avec le 1^er mode d’alimentation (déficit temporaire en O2).

 1384 h lorsque la pile est suralimentée.

 2181 h pour un fonctionnement à courant constant de 0,425 A/cm².

3.2.2.Influence du nombre d’échelons de courant

Dans cette partie, on s’intéresse à l’impact du nombre d’échelons par cycle de 20 s sur le vieillissement. Tout comme dans la partie précédente, les expérimentations sont réalisées en mode bouché pour considérer l’anode non-limitante et parfaitement alimentée.

Comme dans la section 3.2, la Figure IV-13 compare l’évolution de la tension à 0,5 A/cm2 de la pile ayant subi des AST sous les 2 modes d’alimentation (en respectant le même code couleur) mais cette fois-ci pour 2 échelons de 5 s par cycle de 20 s contre 1 seul dans la section précédente. Les tests de vieillissement sont de nouveau comparés à un vieillissement à courant constant (courbe noire) de 0,6 A/cm² ce qui correspond au courant moyen du profil 2.

Figure IV-13 : Comparaison de l’influence du nombre d’échelons, lors de cyclage en courant, sur le vieillissement de la PEMFC par rapport à un fonctionnement à courant constant.

Lorsqu’on réalise deux fois plus échelons, la baisse des performances est de nouveau plus importante en suralimentation que lorsque qu’il y a un déficit temporaire en oxygène (- 79 µV/h

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dans le cas 1 contre - 124 µV/h dans le cas 2). Encore une fois, on remarque qu’une suralimentation accélère les chutes de performance comparées à un fonctionnement induisant des déficits temporaires en air (courbe bleu).

Une suralimentation génère une chute de performance 2,25 fois plus importante qu’un fonctionnement à courant constant à 0,6 A/cm² (- 55 µV/h à courant constant contre - 124 µV/h dans le cas 2). Lorsque la commande des débitmètres est synchronisée, le vieillissement est 1,4 fois plus important qu’à courant constant. Si les tensions mesurées lors des cyclages en courant sont au-dessus de la courbe des tenions mesurées à courant constant, les tendances des courbes indiquent que l’effet inverse se serait produit si nous avions prolongé les tests de vieillissement. Lorsqu’on double le nombre de cycles, on observe une baisse significative des performances de la pile : le vieillissement est deux fois plus important avec notre 1er mode d’alimentation, et 2,4 fois plus important lorsque la pile est suralimentée. En effet, on passe de - 35 µV/h à - 79 µV/h lorsque on fonctionne en sous-alimentation et de - 52 µV/h à - 124 µV/h en suralimentation.

Cette fois-ci, avec le profil 2 le temps de vie de notre PAC est estimé à :

 911 h lorsque la commande des débitmètres est synchronisée au profil de courant (déficit temporaire en O2).

 580 h si la PEMFC est suralimentée.

 1309 h en fonctionnement à courant constant de 0,6 A/cm².

3.2.3.Évolution de l’ECSA

La Figure IV-14 montre l’évolution de l’ECSA pour les AME ayant subis les tests de vieillissement avec les 2 modes d’alimentation (commande des débitmètres synchronisée en bleu et pile suralimentée en rouge) avec 1 ou 2 échelon de 5 s par cycle de 20 s. La figure montre également l’évolution de l’ECSA pour une AME fonctionnant à un courant constant de 0,425 A/cm² ou 0,6 A/cm² (courbes noires). Le tableau en dessous du graphique regroupe les évaluations du vieillissement par interpolation linéaire de l’ECSA mesurée jour après jour.

Figure IV-14 : Évolution de l’ECSA durant les AST : Vieillissement à courant constant ou pour un

cyclage avec les profils 1 et 2.

Current profile Aging [10-3 m2/(g_Pt.h)]* Gas depletion ^Overfed Constant load Profile 1 -7 -26 -23 Profile 2 -22 -28 -26 * interpolation: d1-d12 Profil 2 Profil 1

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Malgré la forte disparité des valeurs, les évolutions de surfaces électrochimiques actives mesurées sont en accord avec les évolutions de tension précédemment présentées. En fonctionnant en anode bouchée, le cyclage en courant semble être bénéfique pour la durée de vie de notre PEMFC. Toutefois en fonction du nombre de sollicitation les performances peuvent chuter et provoquer le vieillissement prématuré de la cellule. Si le déficit temporaire en oxygène peut être bénéfique pour les performances de la pile, cela n’est pas le cas pour un manque d’hydrogène à l’anode.

Durant nos tests de vieillissement, nous n’avons pas observé de vieillissement de la membrane. En effet, nous n’avons pas remarqué d’augmentation significative de sa résistance haute fréquence et du courant de permeation. Compte tenu de ces informations et de l’évolution de l’ESCA, les dégradations des électrodes semblent être les principales causes de la chute des performances de notre PEMFC.

Pour ne pas trop charger ce mémoire et par souci de clarté, nous ne présenterons dorénavant plus que l’évolution des tensions moyennes mesurée à 0,5 A/cm². En effet, l’évolution de l’ECSA n’apporte qu’une confirmation de l’évolution des tensions.