DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Spectroscopie d'impédance électrochimique par pression pour la caractérisation du transport dans des cellules électrochimiques – EPISTEL

Observation induite par la pression des phénomènes de transport dans les piles à combustible à membrane

Des fluctuations soutenues de la pression de sortie d'une pile à combustible entraînent des fluctuations de sa tension. Selon la fréquence, le rapport de ces deux variables fluctuantes permet d'observer le transport aussi bien en phase gazeuse qu'en phase liquide, comme le montrent des approches expérimentales et théoriques combinées.

Spectroscopie d'impédance de pression électrochimique pour la caractérisation distincte des transports de gaz et de liquide dans les cellules électrochimiques

La spectroscopie d'impédance de pression électrochimique (EPIS) est connue pour montrer une grande sensibilité aux processus de transport dans les cellules avec des réactifs gazeux. Pour les piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEMFC), EPIS devrait permettre l'observation du transport de masse, c'est-à-dire le transport de gaz dans les couches de diffusion de gaz et l'évacuation de l'eau produite avec précision. Avec la spectroscopie d'impédance électrochimique conventionnelle (EIS), les phénomènes de transport sont difficiles à distinguer les uns des autres, alors qu'EPIS devrait augmenter la sensibilité de mesure et la précision des phénomènes liés au transport dans les PEMFC. À cette fin, une configuration à cellule unique avec excitation et détection de pression est développée et exploitée par le CNRS, tandis qu'un modèle multi-physique dynamique est développé pour l'analyse des données par l'Université des sciences appliquées d'Offenburg. L'objectif principal de l'étude est le développement et l'évaluation d'EPIS pour le diagnostic de PEMFC. L'investigation pourrait également apporter une contribution significative à la compréhension et à la caractérisation des phénomènes de transport des gaz et de l'eau liquide dans la cellule. Enfin, l'utilisation d'équipements d'excitation et/ou de détection de pression peu coûteux tels qu'un haut-parleur et/ou des capteurs de pression sont à tester, dans l'intérêt d'une technique de diagnostic moins coûteuse.

Un banc d'essai à cellule unique a été développé pour le fonctionnement contrôlé de l'EPIS, avec la métrologie nécessaire des variables physiques et électriques. La carte de contrôle et d'acquisition de données et le PC ont permis d'appliquer des fluctuations de la pression de sortie au compartiment cathodique (air) à une amplitude et une fréquence données, inférieures à 1Hz. A partir de la réponse en tension de la cellule, le logiciel Matlab développé conduit à l'impédance tension-pression (en V/bar) de la cellule. L'amplitude P devait respecter la condition de linéarité de l'impédance, avec une faible distorsion de la tension sinusoïdale. Les conditions opératoires ont été largement variées pour étudier des conditions d'hydratation très différentes. Un modèle de pile à combustible PEM pour l'interprétation des données de transport a été développé et mis en œuvre. L'environnement de calcul interne de l'avant-projet utilisant divers codes de programmation (Comsol, Matlab) et solveurs, a été amélioré par l'ajout de modules pour la membrane électrolytique polymère, pour la modélisation détaillée des transports de gaz et d'eau dans l'électrode et la couche de diffusion de gaz (GDL) et le transport de l'eau dans la membrane. Un modèle EPIS de simulation des spectres d'impédance de pression a été développé en parallèle. L'interprétation des données EPIS expérimentales pourrait alors être effectuée pour une meilleure compréhension des phénomènes de transport dans la cellule.

• Développement d'un banc d'essai de pile à combustible entièrement équipé avec des mesures d'impédance électrochimique (EIS), d'impédance de pression électrochimique (EPIS) et d'impédance de pression entrée-sortie, pour discussion et validation éventuelle de modèles physiques.
• Développement d'outils de modélisation et d'interprétation pour la caractérisation des phénomènes de transport, la prédiction des spectres d'impédance électrochimique et d'impédance de pression électrochimique.
• L'EPIS est très sensible à la diffusion des gaz ainsi qu'aux entraves au transport des gaz par l'eau liquide.
• Sur la base d'une analyse de sensibilité systématique, la réponse du signal EPIS des sous-domaines de la cellule a pu être identifiée. EPIS permet une observation séparée de ces sous-domaines, confirmant ainsi une hypothèse majeure de la proposition de projet.

• Deux phénomènes majeurs observés par EPIS sont actuellement étudiés plus en profondeur avec d'autres fonds : un module EPIS énorme à fréquence modérée lors d'un transport de gaz entravé, et un déphasage EPIS élevé à basse fréquence dans des conditions d'inondation.
• Bien qu'efficace, l'acquisition précise de l'EPIS nécessite plus de quatre heures. Une procédure plus rapide, avec un nombre restreint de fréquences, est à développer pour un diagnostic suffisamment précis.
• Utilisation d'inducteurs de fluctuation de pression moins chers, par ex. les haut-parleurs seront testés.

Quatre articles ont été publiés sur le principe d'EPIS en observation expérimentale (2 articles) et décrivant la modélisation (2 articles) : ces « ground papers » présentent le potentiel de la méthode avec des résultats préliminaires sur l'effet des conditions opératoires par ex. hydratation cellulaire, excès de gaz ou fraction d'oxygène dans l'air alimenté. Deux autres manuscrits axés soit sur le transport de gaz dans des conditions sèches, soit en fonctionnement sous des quantités croissantes d'eau liquide, ont été récemment soumis. Diverses communications, séparées ou jointes, ont été présentées dans des colloques et conférences. Une thèse a été soutenue en septembre 2021 – en plus d’une autre en partie sur le projet mais avec d’autres sources de financement, la seconde étant prévue en 2022.

La spectroscopie d’impédance électrochimique en pression (EPIS) présente une forte sensibilité aux phénomènes de transport dans des cellules électrochimiques avec réactifs gazeux (Grübl, Bessler et al. 2016). Cette nouvelle technique repose sur l’analyse du comportement dynamique entre courant, tension et pression par soit une excitation en courant et la réponse en pression, ou bien une excitation en pression pour une réponse en tension avec des fréquences comprises entre 100 Hz et 1 mHz. Pour des piles à combustibles à membrane (PEMFC), EPIS devrait permettre l’observation de phénomènes de transport et de transfert avec une précision élevée. Ces phénomènes, englobant le transport de gaz dans les couches de diffusion et le support catalytique de l’électrode, ainsi que l’évacuation de l’eau produite, conditionnent les performances de la pile à fortes densités de courant. La diversité de phénomènes de transport, leur couplage aux processus électrochimiques et à la température, et la dépendance des propriétés structurales telle que la porosité et la distribution de tailles de pores, rendent délicate la compréhension et la modélisation délicate. Avec des techniques conventionnelles, en particulier la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), les phénomènes de transport ne peuvent être guère distingués les uns des autres et leur signal peut être partiellement masqué par les processus de transfert de charge.

Le postulat clé du présent projet est que EPIS peut augmenter fortement la sensibilité de la mesure et la précision des phénomènes liés aux transports dans les piles de type PEM. Nous proposons ainsi une étude expérimentale et théorique de EPIS pour piles PEMFC. Un banc mono-cellule avec excitation en pression et réponse électrochimique sera mis au point et testé par CNRS – Université de Lorraine (CNRS, France). Un modèle dynamique multi-physique sera construit puis utilisé pour l’analyse des données par l'Université des Science appliquée d’Offenburg (HSO, Allemagne).
L’objectif premier de l’étude est le développement et l’évaluation de EPIS pour le diagnostic de piles à membrane. De plus, l’étude devrait apporter une contribution significative dans la compréhension, la caractérisation et la quantification des différents phénomènes de transport impliquant des gaz et l’eau liquide. Enfin, l’utilisation d’une excitation en pression et d’un système de détection à bas coût, comme avec un haut-parleur et des capteurs de pression sera testée, dans l’objectif d’une forte réduction du coût de la technique globale de diagnostic. Notre vision est que EPIS peut devenir un outil de diagnostic d’utilisation courant au laboratoire à bas coût en complément de EIS avec un investissement technique et financier modéré et, de plus, avec un gain de connaissances nettement supérieur.

Le projet d’une durée de trois ans consistera en une interaction continue entre les deux partenaires, CNRS étant en charge de la partie expérimentale et de l’obtention de données, HSO travaillant sur la mise au point du modèle et l’interprétation des données. Les work packages comportent une phase préparatoire avec expériences et modèles, la mise au point et l’utilisation de l’outil EPIS englobant le système de mesure et l’outil logiciel, l’interprétation des données, et enfin, l’évaluation de la technique globale.

Coordination du projet

Francois Lapicque (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés - CNRS - Université de Lorraine)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

HSO Institute of Energy Systems Technology - Hochschule Offenburg (HSO)
CNRS Laboratoire Réactions et Génie des Procédés - CNRS - Université de Lorraine

Aide de l'ANR 412 982 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2018 - 36 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter