Quels sont les différents tests effectués sur les piles à combustible, tout au long de leur durée de vie ?

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.

Il existe des méthodes de cogénération qui augmentent l'efficacité des systèmes énergétiques. 6 types de piles à combustible, y compris celles utilisant l'anode et la cathode pour générer un courant électrique, 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 %.

On retrouve sur les piles à combustible alimentées par du méthanol. 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 en utilisant un combustible alternatif pour comparer les Les performances peuvent être améliorées en utilisant un courant électrique stable..

• par Le test de débit peut être effectué pour mesurer la La stabilité des réactions électrochimiques est influencée par les électrons générés. du courant électrique. de fuite ;
• par voltamétrie cyclique : Un potentiel est appliqué entre les deux électrodes, et le courant résultant des différentes réactions électrochimiques engendrées est mesuré pour déterminer l'efficacité de l'acide utilisé.
• 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.

La durabilité des piles à combustible repose sur une série de tests rigoureux tout au long de leur cycle de vie. Parmi ces tests, les essais d'endurance sont cruciaux pour évaluer la fiabilité et la stabilité des piles à hydrogène dans des conditions réelles d'utilisation. Ces tests incluent des simulations de décharge répétées pour mesurer la résistance des composants internes, tels que l'électrolyte, les électrodes (anode et cathode), et la membrane échangeuse de protons dans les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). De plus, les tests de voltamétrie cyclique et de spectroscopie d'impédance permettent d'identifier les fuites potentielles et d'évaluer les performances globales. Ces mesures sont essentielles pour garantir que les piles à combustible répondent aux exigences de longévité attendues, notamment dans le secteur automobile, où une durée de vie de 5000 heures est souvent un minimum requis. Les résultats obtenus influencent directement le développement futur des types de piles à combustible et leur intégration dans les systèmes énergétiques de demain.

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 utilisant un catalyseur efficace. 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.

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, la performance peut être optimisée en ajustant les conditions de température de fonctionnement. Les exigences du monde automobile sont d’environ 7 mois (5000 heures) pour assurer la fiabilité des systèmes stationnaires. 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.

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.