Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) ont principalement attiré l’attention du secteur des transports car elles promettent une option de combustible beaucoup plus propre que les combustibles fossiles. Pour l’industrie automobile, le fonctionnement des PEMFC à haute densité de courant est particulièrement intéressant car il permet d’obtenir une forte densité de puissance.
À haute densité de courant, les performances des PEMFC sont régies par divers processus de transport couplés et peuvent décliner en raison de phénomènes de transport médiocres. Ces limitations des phénomènes de transport augmentent avec le vieillissement de l’ensemble membrane-électrode (MEA) et posent des problèmes tels qu’un contrôle accru de la diffusion de l’oxygène en raison des risques de noyage et de répartition inégale des gaz.
L’EIS est une technique d’analyse de réponse en fréquence (FRA) qui utilise des fonctions de transfert entre des variables électriques pour étudier la dynamique du système généralement dans la plage de 10 kHz à 100 mHz. L’EIS peut être utilisé pour découpler certaines pertes de performances telles que les pertes ohmiques, le transfert de charge et les pertes cinétiques à des fréquences élevées et modérées afin d’identifier la source de dégradation et, dans une certaine mesure, les limitations de transport de masse dans la région des basses fréquences.
Cependant, les processus de transport de masse (tels que le transport de gaz et le transport d’eau liquide) ont des constantes de temps d’un ordre de grandeur comparable (plus d’une seconde), et l’utilisation de variables électriques pour les analyser peut conduire à l’observation de processus couplés ou combinés. Par conséquent, l’analyse spectrale d’une réponse EIS peut conduire à un découplage et à une interprétation médiocres des processus de transport, entraînant des conclusions trompeuses sur les limitations de performances en raison de phénomènes de transport médiocres.
Ce travail est dédié au développement expérimental et à la validation d’une telle technique de diagnostic appelée spectroscopie d’impédance de pression électrochimique (EPIS), qui utilise la pression du gaz comme variable non électrique. Dans ce travail, la fonction de transfert entre la contre-pression cathodique et la tension de la pile a été analysée à une densité de courant constante pour caractériser les processus de transport dans la pile à combustible. L’EPIS a été réalisé en appliquant des fluctuations de la pression du gaz à la sortie de la cathode de la pile à combustible dans la plage de fréquences 1 mHz – 1 Hz pour observer les processus de transport.
Un banc expérimental a été conçu et mis en place pour des mesures EPIS fiables sur un seul UBzM FC. Les conditions et contraintes de modulation de pression dans le banc d’essai ont été minutieusement examinées, conduisant à un protocole de fonctionnement standard. EPIS a été testé dans diverses conditions de fonctionnement spécialement conçues pour découpler les deux principaux processus de transport dans une pile à combustible, à savoir (1) le transport de gaz et (2) le transport d’eau liquide et son contrôle sur le transport de gaz.
EPIS a montré une sensibilité significative au transport de gaz dans des conditions sèches, à la fois en termes de module d’impédance et de déphasage, en particulier au-dessus de 100 mhz. De plus, dans des conditions d’inondation, des variations du module d’impédance ont été observées dans la région des fréquences inférieures, en dessous de 100 mhz. Par ailleurs, ces résultats obtenus en conditions sèches et noyées tendent à mettre en évidence le contrôle des phénomènes de transport dans la pile à combustible par EPIS. Les travaux ont exploré le potentiel d’EPIS en tant qu’outil complémentaire à l’EIS dans la région des basses fréquences, car il peut mettre en évidence les phénomènes de transport et les découpler les uns des autres.