Technologie innovante pour le contrôle de qualité des piles à combustible

© Campus Schwarzwald

L'hydrogène produit à l'aide d'énergie renouvelable constitue un vecteur énergétique clé pour la mobilité de demain. La demande en piles à combustible, qui convertissent l'hydrogène en énergie électrique, va donc augmenter rapidement dans les années à venir. Des chercheurs de l'IPA Fraunhofer et du Campus Schwarzwald développent actuellement, en collaboration avec plusieurs partenaires industriels, un contrôle qualité innovant qui permet d'économiser du temps et de l'argent lors de la fabrication.

»L'automatisation dans la production de piles à combustible en est encore à ses débuts. Jusqu'à présent, la fabrication a plutôt un caractère artisanal«, rapporte le Dr Friedrich-Wilhelm Speckmann, chef de groupe en technologie de l'hydrogène à l'IPA Fraunhofer. »Si la transition énergétique doit réussir, et surtout si l'hydrogène vert doit être utilisé comme vecteur d'énergie dans le transport lourd, nous avons besoin dès que possible de lignes de production efficaces ainsi que de contrôles qualité rapides et peu coûteux pour les piles à combustible.«

Mais c'est justement le contrôle qualité qui constitue jusqu'à présent le goulot d'étranglement de la production. Les robots peuvent empiler rapidement et précisément les piles à combustible, mais chaque pile, appelée « stack », doit ensuite être connectée à différents appareils de mesure et vérifiée. Dans le projet FastPeM — dont l'acronyme signifie « Procédé de test accéléré pour une production de masse de piles à combustible » — Speckmann souhaite, avec des chercheuses et chercheurs du Campus Schwarzwald et des partenaires industriels, développer un démonstrateur de banc d'essai permettant de déterminer rapidement et efficacement les propriétés électrochimiques d'une pile à l'aide de technologies innovantes.

»Le Campus Schwarzwald est l'emplacement idéal pour ce projet, car une installation de montage entièrement automatique est en cours de construction ici«, souligne le chercheur. Et Stefan Bogenrieder, directeur général du Campus Schwarzwald, ajoute : »Le centre de recherche pour une économie circulaire intelligente de l'hydrogène dans le Nord de la Forêt-Noire apportera aux entreprises et aux collectivités régionales et supra-régionales des avantages ainsi qu'une expertise en matière de fabrication de masse de piles à combustible.« Il se réjouit également du lancement du sous-projet FastPEM.

Test de fin de ligne accéléré

Dans l'installation pilote, un bras robotisé empile les couches : chaque pile à combustible est composée de deux électrodes fines avec une membrane entre elles, ainsi que d'une plaque bipolaire, à travers laquelle sont ensuite introduits l'hydrogène et l'oxygène de l'air. En 15 minutes, un paquet d'environ 400 cellules est ainsi constitué, pouvant être comprimé et tendu. »Comme dans ce démonstrateur, chaque étape de fabrication est documentée numériquement, nous disposons d'une vaste base de données que nous pouvons utiliser pour assurer la qualité«, explique Speckmann.

Le contrôle d'une pile finie est jusqu'à présent relativement long : il faut d'abord tester si le paquet est étanche ou si le gaz, qui circule sous pression dans les cellules, s'échappe. Ensuite, il faut déterminer la courbe de performance, qui indique à quelles tensions quelle densité de courant apparaît. »Dans le cadre du projet FastPeM, nous voulons maintenant étudier comment optimiser ces processus, par exemple en regroupant ces deux étapes«, explique l'ingénieur.

Gagner du temps avec des jumeaux numériques

Les techniques virtuelles devraient jouer un rôle clé : l'installation de production et l'équipement de test seront équipés de capteurs qui alimenteront en temps réel un modèle de simulation. Le jumeau numérique ainsi créé représentera non seulement les processus, mais aussi chaque composant en détail. Sur la base de cet ensemble de données, il sera possible de prévoir les propriétés électrochimiques de cellules individuelles et de piles complètes. »Les courbes de performance calculées virtuellement ne nécessitent alors que des vérifications par des mesures ponctuelles. Il est ainsi possible d'éviter de longues séries de mesures, et il suffira probablement de réaliser des mesures isolées. Si celles-ci correspondent aux prévisions, aucun autre test ne sera nécessaire«, explique Speckmann. Le temps de réalisation pourra ainsi être considérablement réduit en cas de succès.

Pour les entreprises fabriquant des piles à combustible, cette économie de temps représenterait un vrai avantage. Mais il faudra encore un peu de temps avant d'obtenir des résultats : le projet FastPeM, lancé le 1er juin, se poursuivra jusqu'en 2027. D'ici là, le banc d'essai pour la production de masse de piles à combustible sera également achevé.

Fiche d'information

H2BlackForest, financé à hauteur d'environ 7,2 millions d'euros au total

Dans le cadre de l'expansion de la capacité d'innovation régionale et du soutien à un développement urbain et régional durable, la politique régionale de l'Union européenne met à disposition un total de 80 millions d'euros provenant du Fonds européen de développement régional (FEDER) dans le cadre du concours « RegioWIN 2030 ». Le centre de recherche pour une économie circulaire intelligente de l'hydrogène « H2BlackForest » du Fraunhofer IPA, de l'IFF de l'Université de Stuttgart et du Campus Schwarzwald a été désigné comme projet phare de la région Nord de la Forêt-Noire. Au total, 4,8 millions d'euros ont été approuvés pour le projet pour la période de financement 2021–2027. 2,4 millions d'euros supplémentaires proviennent de fonds régionaux. Avec les contributions propres des partenaires impliqués, l'ensemble du budget de recherche s'élève à 12 millions d'euros. L'autorité administrative du concours est le ministère de l'Alimentation, des Régions rurales et de la Protection des consommateurs (MLR).