Projet ANR-08-JCJC-0052 – DamaS : Influence d'une cellule défectueuse sur le fonctionnement d'un empilement de pile à combustible à membrane
Programme : Jeunes chercheuses et jeunes chercheurs (JCJC) 2008
Année de financement : 2008
Coordinateur du projet : CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE CENTRE-EST (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE CENTRE-EST)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique
Montant : 125000.0 euros
Date de début : 2009
Durée : 36 mois
Résumé : Les recherches sur la pile à combustible de type PEM (Proton Exchange Membrane) ont débuté en 2000 et sont devenues aujourd'hui une des actions fortes de la fédération Jacques Villermaux à laquelle le LSGC, le GREEN et le LEMTA appartiennent. Caroline Bonnet et François Lapicque (LSGC) étudient principalement le fonctionnement du cœur de la pile à combustible, autrement dit, les principaux paramètres thermodynamiques, cinétiques et les phénomènes de transport au sein de l'assemblage électrode - membrane – électrode (AME). Un de leurs thèmes de recherche est la compréhension des causes du vieillissement de l'AME d'une pile. Melika Hinaje et Stéphane Raël (GREEN) s'intéressent au comportement électrique global de la pile seule ou associée à des convertisseurs. La spécificité de leur travail est d'étudier une pile fonctionnant en mode dégradé afin de mieux comprendre l'impact d'une cellule défectueuse sur les performances du stack et sur l'environnement de la pile. Sébastien Leclerc (LEMTA) a une expérience dans la visualisation et l'analyse de membranes et de mini-piles par RMN et IRM. Ainsi, il apparaît qu'un axe commun, pour le LSGC et le GREEN, est la compréhension de l'altération du fonctionnement d'une pile, l'un se consacrant principalement à l'altération de son cœur, donc tourné vers l'intérieur de la pile, et l'autre étudiant la répercussion de cette altération sur ses performances et son utilisation, donc tourné vers l'extérieur. Des moyens d'analyses apportés par le LEMTA complètent cette étude. La constitution de notre jeune équipe s'inscrit dans la continuité de ces recherches et toujours dans un contexte pluridisciplinaire, avec la volonté d'aborder un aspect qui jusqu'à maintenant n'a pas été pris en compte, à savoir l'étude d'une cellule défectueuse et son impact lorsqu'elle est intégrée à un stack (mise en série de plusieurs cellules). En effet, dans une application embarquée ou non, une pile à combustible est toujours associée à d'autres matériels (actionneurs, convertisseurs, ...). Une faiblesse sur la pile se répercutera alors sur cet environnement. Le diagnostic d'un défaut sur le stack environné demande des étapes préliminaires que sont l'isolement du stack et de la cellule en cause, et l'étude de leur interaction. Dans cet objectif, notre projet propose de caractériser, d'analyser et de comprendre le fonctionnement d'une cellule défectueuse seule puis d'observer son influence dans un stack. La première partie de ce projet consiste à étudier le dysfonctionnement d'une cellule seule. L'analyse en fonctionnement sera faite par deux méthodes non-intrusives à savoir le suivi de tension et la spectroscopie d'impédance. Cette dernière nous permettra de déterminer le modèle électrique équivalent d'une cellule défectueuse. Toujours en fonctionnement, le prélèvement et l'analyse des gaz et de l'eau en sortie de pile seront une aide quant à la compréhension du défaut. Après démontage, l'assemblage membrane-électrodes pourra être étudié par microscopie électronique à balayage combinée à la spectroscopie X à énergie de dispersion pour connaître la composition de la membrane ainsi que par résonance magnétique nucléaire et par imagerie de résonance magnétique afin de nous renseigner quantitativement et qualitativement sur l'eau présente dans la membrane. Une fois la cellule défectueuse seule caractérisée, son intégration dans un stack pourra être envisagée. La deuxième partie de ce projet comportera une première phase de montage d'un banc d'essais dimensionné pour recevoir un stack de 3 cellules de 100 cm². La deuxième phase consistera à étudier une cellule défectueuse intégrée à ce stack. La méthodologie ainsi que les moyens présentés précédemment seront utilisés. Concernant le modèle électrique équivalent pour un stack de 3 cellules dont une est défectueuse, il s'appuiera sur les résultats obtenus lors de la première partie. La position de la cellule défaillante dans le stack sera également à prendre en considération. E