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Tests pour piles à combustibles et électrolyseurs haute température

(mise à jour 31 mars 2021)

Responsable
Annie LE GAL LA SALLE

 


Rôle et applications typiques

      • Test des cellules complètes en conditions réelles de fonctionnement, à des températures allant jusqu’à 900°C
      • Détermination des parties les plus résistives de la pile ou de l’électrolyseur
      • Tests de vieillissement
      • Etude de l’effet des polluants de l’air et du combustible

Equipements

      • Four KITTEC-Quadro (x3), permettant le chauffage des échantillons jusqu’à 1000°C (Figure 1) sous atmosphères diverses,
      • Set-up Fiaxell (couvercle du four, Figure 2) (x3) permettant la mise en place de cellules de toutes géométries et de tailles comprises entre 1 et 30 cm2, l’adaptation se faisant grâce à des feutres d’alumine rectangulaires (Figure 3),
      • Electrolyseurs PARKER Balston (x3) permettant la production d’hydrogène directement en amont du montage expérimental (Figure 4),
      • Analyseurs de fréquence VERSASTAT-3 AMETEK (x2), piloté par le logiciel VERSASTUDIO, permettant toutes les mesures électrochimiques classiques (voltammétries, ampérométries, mesures d’impédances électrochimiques au potentiel libre ou sous courant,…)
      • Booster KEPCO permettant les mesures jusqu’à 2A.

 Fig1

Figure 1. Four KITTEC

 

Fig2

Figure 2. Set-up Fiaxell

 

 Fig3

Figure 3.  Détail de la mise en place d'une cellule de Pile à Combustible dans le banc de test de mesure.
La partie noire correspond à la cathode, déposée sur l'électrolyte, visible en gris.
L'anode, alimentée par le combustible se trouve en dessous (face cachée)

 

 Fig4

Figure 4. Electrolyseurs PARKER Balston

 

Fig5

Figure 5. Potentiostat/Analyseur de fréquences VERSASTAT-3 AMETEK, et booster KEPCO.

 


Exemple : Etude d’une cellule de Pile à Combustible, en faisant varier les conditions d’alimentation côté air et Coté Fuel.

Le tracé des courbes intensité/potentiel montre que les puissances délivrées diminuent quand on appauvrit l’alimentation à la fois côté combustible, et côté air (Figure 6, courbes A et B). Les mesures d’impédance (Figure 6, courbes C et D) permettent de préciser quels sont les phénomènes responsables de cette baisse de densité : réactions de transfert de charge ou phénomènes de diffusion. Il est ainsi possible de montrer que si l’alimentation en combustible baisse, on peut travailler avec des puissances correctes et d’excellents rendements de transformation d’hydrogène en électricité dans une large gamme de densités de courants (ou de potentiel) alors que quand l’alimentation en air s’appauvrit, il faut rester à faible densité de courant, près de l’OCV, pour un fonctionnement optimal. Ces mesures permettent donc de comprendre les éventuels défauts des cellules, mais aussi d’en optimiser le fonctionnement et d’en minimiser le vieillissement.

Fig6

Figure 6.

A : Variations du potentiel (a, c et e) et de la densité de puissance (b, d et f) en fonction de la densité de courant obtenues à 10 mV s-1 sous air sec (400 ml min-1) côté cathode et sous H2 humidifié (3% H2O) (a et b: 157 and 107 ml min-1, c et d: 83 ml min-1, et e et f: 57 ml min-1) côté anode et à 850 °C.

B : Variations du potentiel (a, c et e) et de la densité de puissance (b, d et f) en fonction de la densité de courant obtenues à 10 mV s-1 sous air sec (a et b: 400 et 300 ml min-1, c et d: 200 ml min-1, et e et f: 100 ml min-1) côté cathode et sous 157 ml min-1 de H2 humidifié (3% H2O) côté anode et à 850 °C.

C et D : Diagrammes de Nyquist (C) et de Bode (D) correspondants, sous air sec (a, b et c : 400  ml min-1, d: 300 ml min-1, e : 200 ml min-1) côté cathode et sous H2 humidifié (3% H2O) (a : 107 ml min-1, b: 83 ml min-1, c: 57 ml min-1 et d, e et f : 157 ml min-1) côté anode.

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