les piles à combustible : Tâches de contrôle d'étanchéité lors de la fabrication de composants FCEV

Les piles de cellules à combustible sont le cœur des véhicules à piles à combustible. Ces piles à combustible sont composées de deux plaques d'extrémité entre lesquelles plusieurs plaques bipolaires sont empilées. Celles-ci sont séparées par des assemblages membrane-électrode (AME). Les plaques bipolaires conductrices d'électricité ont pour fonction de relier l'anode d'une cellule à la cathode de l'autre cellule. Chaque plaque bipolaire contient deux cavités pour les gaz de traitement, l'hydrogène et l'oxygène de l'air, et généralement une boucle de refroidissement interne. En partant des cavités de l'acheminement des gaz de processus, les gaz de processus que sont l'hydrogène et l'oxygène de l'air sont acheminés sur une grande surface vers la membrane de l'unité membrane-électrodes via ce que l'on appelle le Flow Field. Le circuit de refroidissement à haute température correspondant a pour fonction de maintenir une température de processus optimale de l'ensemble du système de piles à combustible. Pour l'essentiel, il en résulte quatre modes de défaillance pour une pile à combustible :

1. Perte d'hydrogène en général.
2. fuites croisées entre l'anode et la cathode ou fuites overboard au niveau des joints - avec une réaction incontrôlée entre l'hydrogène et l'oxygène.
3. Perte de liquide de refroidissement réduisant l'efficacité de la pile à combustible et entraînant sa détérioration.
4. Les fuites d'hydrogène dans le circuit de refroidissement ont un effet corrosif, nuisent à l'efficacité du refroidissement du liquide en raison des bulles de gaz et peuvent même endommager la pompe.

Empilement de piles à combustible et étanchéité des différentes cellules

Les scénarios d'erreur donnent lieu à des exigences concrètes en matière de taux de fuite. Contre les fuites d'hydrogène - aussi bien vers l'extérieur que dans le canal de refroidissement - l'ensemble du système doit être protégé contre des taux de fuite de l'ordre de 10^-3 jusqu'à 10^-5 mbar∙l/s doit être testée. L'hydrogène est connu pour être facilement combustible et inflammable dans la large plage de concentration comprise entre 4 et 73 pour cent d'hydrogène dans l'air. Certains fabricants de piles à combustible se réfèrent à la norme DIN EN IEC 62282-2, dont la dernière version a été publiée en avril 2021. Cette norme traite de la sécurité des modules de piles à combustible, mais ne s'intéresse pas aux applications des piles à combustible dans les véhicules routiers. La norme DIN EN IEC 62282-2 spécifie un taux de fuite limite d'hydrogène de 5 cm³/min pour l'ensemble d'un empilement de piles à combustible et prescrit que l'utilisateur doit veiller à une bonne ventilation de la pile à combustible. Mais comme cela ne peut pas toujours être garanti lors de l'installation dans un véhicule routier - il suffit de penser à un véhicule garé dans un garage individuel -, les applications automobiles imposent souvent des exigences plus strictes en matière d'étanchéité. Mais quel que soit le taux de fuite retenu pour l'ensemble de l'empilement, la règle est la suivante : comme un empilement complet est composé de plusieurs centaines de cellules individuelles dont les taux de fuite doivent être considérés dans leur ensemble, ces composants individuels doivent être testés par rapport à des taux de fuite limites qui sont encore deux décades plus petits. Si l'empilement de piles à combustible se compose par exemple de 350 cellules et que l'étanchéité des différentes cellules doit être testée avec un gaz d'essai à l'hélium, on calcule, sur la base des prescriptions de la norme indiquée ci-dessus, un taux de fuite limite à l'hélium d'environ 10^-4 mbar∙l/s. Pour des spécifications plus strictes dans les applications automobiles, il est également possible d'obtenir des taux de fuite limite de l'ordre de 10^-6 mbar∙l/s sera nécessaire. Toutefois, dans le cadre de projets de développement et de la recherche scientifique, on se demande déjà si, à l'avenir, des taux de fuite limites encore plus faibles, jusqu'à 10^-7 mbar∙l/s seraient plus raisonnables.

La méthode du vide pour la production en ligne

Pour éviter les courts-circuits, le liquide de refroidissement du circuit de refroidissement à haute température des plaques bipolaires doit présenter une faible conductivité. C'est pourquoi on utilise généralement de l'eau désionisée avec un additif antigel comme liquide de refroidissement. Pour éviter que ce liquide ne s'échappe du canal de refroidissement, il faut effectuer un test d'étanchéité contre des taux de fuite de l'ordre de 10^-3 jusqu'à 10^-4 mbar∙l/s est raisonnable. Il s'agit de l'ordre de grandeur habituel pour l'étanchéité des liquides, car l'eau elle-même obture les fuites de cette taille. Pour cette tâche et d'autres tâches de contrôle d'étanchéité lors de la fabrication, la méthode du vide basée sur le gaz d'essai est recommandée. Elle allie une grande fiabilité à des temps de cycle courts et convient donc particulièrement bien aux tâches de contrôle sur la ligne de production. La pièce à contrôler est placée dans une chambre à vide, d'abord mise sous vide, puis sous hélium. Le taux de fuite de la pièce à contrôler est déterminé par le gaz de contrôle qui s'échappe des éventuelles fuites dans le vide de la chambre. Outre le circuit de refroidissement à haute température qui traverse les plaques bipolaires, les véhicules FCEV disposent également d'un ou de plusieurs circuits de refroidissement à basse température qui maintiennent les composants électriques tels que le groupe motopropulseur, les convertisseurs et l'électronique de puissance dans des plages de température inférieures à 60° C. Ils fonctionnent avec un mélange eau-glycol classique et doivent également être testés pour l'étanchéité aux fluides.

Vérification des fuites d'hydrogène sur la plaque bipolaire

La méthode du vide sert également à vérifier que les plaques bipolaires elles-mêmes ne présentent pas de fuites d'hydrogène. Pour ce faire, la cavité d'hydrogène de la plaque bipolaire est scellée, mise sous vide et remplie d'hélium. Dans une chambre à vide évacuée, un détecteur de fuites peut alors être utilisé contre des taux de fuites limites de 10^-4 jusqu'à 10^-5 mbar∙l/s. Si aucun hélium n'est détecté dans le vide de la chambre, cela signifie qu'il n'y a pas de fuite, ni de la cavité d'hydrogène vers l'extérieur, ni dans le canal de refroidissement. Mais si l'appareil détecte une fuite, il est possible d'en rechercher la cause. On profite alors du fait que la cavité d'hydrogène de la plaque bipolaire est encore remplie d'hélium et scellée après le contrôle dans la chambre à vide. Toutefois, seul le canal de refroidissement lui-même est maintenant raccordé à une pompe à vide. On peut ainsi vérifier si de l'hélium pénètre dans le vide du canal de refroidissement. Si ce n'est pas le cas, il est clair que la fuite initialement identifiée débouche sur l'extérieur.

Tests de piles à combustible assemblées

Après l'assemblage des plaques bipolaires en piles complètes de piles à combustible, des tests de fin de ligne sont nécessaires - même si des tests peuvent déjà être utiles après les étapes intermédiaires précédentes. Pour tous ces tests sur des piles de cellules à combustible assemblées, l'hélium sert également de gaz d'essai. Si l'on voulait tester à la place avec de l'hydrogène, on risquerait que la pile à combustible produise déjà du courant de manière involontaire. Pour des raisons de sécurité, l'hydrogène ne peut pas non plus être utilisé comme gaz de test, car des fuites importantes dans le circuit d'hydrogène pourraient rapidement conduire à des concentrations d'hydrogène inflammables de plus de 4 pour cent dans l'air. Dans la pratique, les taux de fuite limites typiques de l'hélium pour le contrôle d'étanchéité des piles à combustible assemblées se situent dans une fourchette d'environ 10 %.^-3 jusqu'à 10^-5 mbar∙l/s. Le taux de fuite limite tolérable pour l'empilement de piles à combustible complet dépend également de manière décisive de la situation de montage concrète dans le véhicule. Le taux de fuite auquel une concentration d'hydrogène inflammable de 4 % peut se former dans l'air n'est pas seulement une question d'étanchéité de l'empilement de piles à combustible, mais aussi une question de volume dans le véhicule et d'échange d'air dans cet environnement. Ces facteurs doivent également être pris en compte lors de la détermination d'un taux de fuite raisonnable.

Étanchéité de la recirculation de l'hydrogène

D'autres tests d'étanchéité sont nécessaires sur des composants tels que la plaque de distribution des fluides d'une pile à combustible (qui conduit l'hydrogène, l'air et le réfrigérant), ses diverses vannes, ses pompes et sa recirculation d'hydrogène. Les piles à combustible fournissent de l'hydrogène et de l'oxygène de l'air aux unités membrane-électrodes de leurs plaques bipolaires de manière surstœchiométrique. En d'autres termes, lors de la réaction de transformation en eau, il reste toujours des résidus des deux gaz. C'est pourquoi les piles à combustible nécessitent une recirculation de l'hydrogène. Les gaz de processus passent d'abord par un séparateur d'eau, puis la part d'hydrogène est recirculée et réutilisée. Il est également recommandé de tester les composants de la recirculation d'hydrogène qui contiennent de l'hydrogène contre des taux de fuite de l'ordre de 10^-4 jusqu'à 10^-6 mbar∙l/s.

Valeurs limites de perméation pour les réservoirs d'hydrogène

Les réservoirs d'hydrogène installés dans les FCEV sont généralement des réservoirs dits de type IV, fabriqués en matériaux composites. Ces réservoirs pour voitures particulières sont généralement conçus pour résister à des pressions de service allant jusqu'à 700 bars. Les réservoirs d'hydrogène beaucoup plus grands pour les bus doivent résister à des pressions de service de 350 bars. Les exigences d'étanchéité pour les réservoirs d'hydrogène résultent d'une série de normes internationales qui définissent les taux de perméation maximum autorisés. Par exemple, pour un réservoir d'hydrogène de voiture d'une capacité de 30 l et d'une pression de 700 bar, le taux de fuite limite d'hélium, converti selon les valeurs limites de perméation de la norme ISO 15869 B.16, est de 2,3 ∙ 10^-2 mbar∙l/s. Dans la pratique, les réservoirs d'hydrogène sont souvent testés non seulement conformément aux normes, mais aussi contre des taux de fuite de l'ordre de 10^-3 mbar∙l/s. En effet, tout taux de fuite mesuré dépassant la perméation inévitable du matériau lui-même est nécessairement l'indice d'une fuite réelle.

Test d'accumulation sur le réservoir d'hydrogène

Lorsque les armatures et les vannes nécessaires sont montées sur un réservoir d'hydrogène, le corps de réservoir d'origine devient ce que l'on appelle le module de réservoir. Pour le contrôle préliminaire des corps de réservoirs, la méthode du vide avec de l'hélium et la méthode d'accumulation avec du gaz de formation conviennent toutes deux. Dans ce dernier cas, la pièce d'essai est exposée à un mélange ininflammable de 5 pour cent d'hydrogène et de 95 pour cent d'azote, le gaz de formation disponible dans le commerce. Le taux de fuite est calculé à partir de la quantité de gaz de contrôle qui s'échappe ensuite de la pièce à contrôler dans une chambre de contrôle simple et qui s'y accumule au cours d'une période définie. Comme les chiffres de production ne sont pas encore assez élevés pour que le contrôle sous vide soit rentable en raison des temps de cycle plus courts, cette méthode d'accumulation est encore souvent utilisée. Les grands réservoirs d'hydrogène des bus, dont le volume peut atteindre 1 700 l, sont testés dans des chambres d'accumulation d'un volume pouvant atteindre 4 000 l. En raison des coûts plus faibles du gaz d'essai, l'objet à tester est rempli avec le gaz de formation, moins cher. Toutefois, la pression est de 700 bars, car les taux de fuite, sinon nettement plus faibles, ne seraient pas détectables dans la très grande chambre d'accumulation. En raison de la pression d'essai élevée, il existe dans ce cas particulier une sortie de secours dans la chambre d'accumulation, qui s'ouvre en cas de surpression.

Détection de fuites par reniflage sur des réservoirs complets avec toutes les armatures

Même après l'assemblage du corps de la citerne avec toutes les armatures - soupapes de remplissage et de sortie et capteurs de pression - des contrôles d'étanchéité sont encore nécessaires. Toutefois, on utilise généralement ici ce que l'on appelle la recherche de fuites par reniflage. Le réservoir terminé est rempli et étanchéifié avec de l'hélium ou du gaz de synthèse comme gaz de test. Ensuite, on passe une pointe de renifleur à la surface du réservoir. On se concentre alors sur les points névralgiques, c'est-à-dire les points de jonction avec les robinetteries. La recherche de fuites par reniflage automatisée et dynamique, dans laquelle un bras robotisé guide la pointe du renifleur, évite les éventuelles erreurs d'un contrôleur humain et garantit un débit maximal. Toutefois, cela nécessite des appareils de détection de fuites qui présentent un débit de gaz particulièrement élevé. Dans le cas contraire, le bras robotisé ne pourrait pas déplacer la pointe de reniflage assez rapidement et avec la distance de sécurité requise au-dessus de la pièce à contrôler. Les taux de fuite limites typiques lors de ces contrôles en fin de ligne sur des réservoirs d'hydrogène finis se situent dans la plage 5∙10^-2 mbar∙l/s.

Étanchéité des composants électriques et de l'hydrogène

En fin de compte, ce sont des moteurs électriques qui font avancer un véhicule à pile à combustible. Les batteries lithium-ion qui alimentent les moteurs sont également, dans leur principe, les mêmes que dans les véhicules électriques - même si la batterie de traction du FCEV est beaucoup plus petite et ne sert que de tampon. Ici aussi, il existe des tâches de contrôle d'étanchéité. Les cellules lithium-ion, par exemple, ne doivent pas laisser s'échapper l'électrolyte et l'humidité de l'air ne doit pas pénétrer dans les cellules. Sinon, l'électrolyte pourrait réagir avec l'eau pour former de l'acide fluorhydrique. Les tâches de test pour les batteries, les modules de commande et les moteurs électriques des FCEV sont les mêmes que pour les véhicules électriques. Mais les composants spécifiques des véhicules à pile à combustible exigent également un contrôle d'étanchéité très fiable. D'autant plus que dans l'esprit du public, le terme hydrogène est rapidement associé au mot danger. Une assurance qualité conséquente est donc indispensable. Les procédés basés sur les gaz d'essai en sont la voie.

Auteur :
Sandra Seitz est responsable du marché des outils de détection des fuites pour l'automobile chez Inficon. Vous trouverez de plus amples informations dans le livre électronique "E-mobilité : contrôle d'étanchéité pour les véhicules à propulsion alternative". Il traite des diverses tâches de contrôle lors de la fabrication industrielle de composants pour les véhicules électriques à batterie (BEV), les véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV) et les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV). Le livre électronique peut être téléchargé gratuitement ici : https://www.inficon.com/de/maerkte/automobilindustrie/dichtheitspruefung-emobilitaet-elektroauto-brennstoffzelle