Une vie plus longue et plus saine pour les piles à combustible grâce aux diagnostics électrochimiques avancés
Les moteurs à vapeur et la combustion du charbon ont été les véritables locomotives de la révolution industrielle. Aujourd’hui, les générateurs à turbine à vapeur alimentés par des combustibles fossiles produisent plus de 65 % de l’énergie électrique mondiale. Les piles à combustible à membrane électrolytique polymère (PEMFC) figurent parmi les technologies les plus prometteuses pour assurer une énergie renouvelable plus propre. Ses applications comprennent notamment la production de chaleur et d’électricité pour les maisons ou les bâtiments (appelée «micro-production combinée de chaleur et d’électricité» ou µ-CHP) et pour les systèmes d’alimentation de secours. Un outil avancé de diagnostic et de suivi mis au point par le projet HEALTH-CODE, financé par l’UE, promet d’améliorer considérablement le rendement et de réduire les coûts des PEMFC dans ces applications et bien d’autres. Réactions simples, diagnostics complexes Les PEMFC produisent de l’électricité directement à partir d’hydrogène et d’oxygène gazeux. L’hydrogène gazeux au niveau de l’anode se décompose en ions positifs (protons) d’hydrogène et électrons. Une membrane électrolytique polymère (PEM) revêtue d’un catalyseur séparant l’anode de la cathode permet uniquement le passage des protons. Les électrons sont déviés par un circuit externe vers la cathode, ce qui produit de l’électricité. Au niveau de la cathode, les électrons et les ions d’hydrogène se mêlent à l’oxygène de l’air pour produire de l’eau qui s’écoule en dehors de la pile. Un certain nombre de facteurs peuvent influencer le fonctionnement et la durée de vie des PEMFC, notamment les impuretés de l’hydrogène ou un approvisionnement inadéquat en carburant ou en oxygène. La présence de composés soufrés dans les PEMFC, due notamment à des impuretés dans le flux gazeux après reformage, peut entraîner l’empoisonnement de la couche catalytique. La précision du dosage de l’eau est cruciale, car trop d’eau provoque des «inondations» et trop peu peut dessécher la membrane. L’outil de surveillance et de diagnostic HEALTH-CODE contrôle tous ces états et détecte les problèmes avant qu’ils n’affectent de manière irréversible le fonctionnement et la durée de vie des PEMFC. La solution réside dans la spectroscopie D’après le professeur Cesare Pianese, coordinateur du projet: «Les méthodes de suivi précédentes reposaient sur la présence de nombreux capteurs traditionnels, notamment de température, de pression, de débit massique et de tension. Cette approche exigeait d’importantes analyses de données et le recours à de techniques de modélisation afin de compenser le manque d’informations directes sur les processus électrochimiques à l’œuvre à l’intérieur des piles.» La solution HEALTH-CODE constitue un changement radical en matière de suivi et de diagnostic du rendement des PEMFC. Cet outil tire parti de la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), une technique bien connue déjà utilisée dans de nombreuses applications. Son plus grand atout réside dans la pléthore d’informations qu’il fournit, notamment les paramètres des électrodes et les nombreuses réactions électrochimiques qui se produisent à des rythmes différents. La validation dans un environnement d’exploitation réel a confirmé que l’outil est capable de détecter une défaillance avant que des dommages irréversibles ne se produisent et ce, de manière plus fiable que les approches précédentes et pour une augmentation du coût de moins de 3 % des coûts de production. La réduction des coûts d’exploitation et d’entretien qui en découle constituera un facteur incitatif clé pour l’adoption des PEMFC. D’après M. Pianese, «l’exploitation se traduira par un meilleur entretien, l’intégration au sein de nouveaux modèles énergétiques tels que les bâtiments/réseaux intelligents et la mise en œuvre plus efficace de la gestion virtuelle des centrales électriques». De plus, la technologie pourrait bientôt profiter à des applications autres que la µ-CHP et les systèmes d’alimentation de secours basés sur des PEMFC. Les systèmes mobiles (voitures, autobus, trains) pourraient notamment être les premières technologies basées sur les piles à combustible à bénéficier du suivi et du diagnostic assurés par EIS. Fort du succès de deux ateliers conjoints qui ont suscité un regain d’intérêt pour cette technologie, l’innovation devrait se poursuivre bien au-delà de la clôture du projet. En outre, des plans ont été établis pour développer un «écosystème de croissance» favorisant la fertilisation croisée entre les acteurs aux niveaux régional, national et international.
Mots‑clés
HEALTH-CODE, piles à combustible à membrane électrolytique polymère (PEMFC), suivi, hydrogène, spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), électricité, piles à combustible, micro-production combinée de chaleur et d’électricité (µ-CHP)
