Tomographie à rayons X, technologie de pointe pour l'e-mobilité et l'hydrogène

L'industrie automobile est confrontée à d'énormes défis, notamment avec le développement des véhicules à propulsion électrique. Dans les transports publics et la distribution, les véhicules électriques à batterie sont actuellement au centre de l'attention, mais l'électromobilité se heurte déjà à des limites notamment dans le cadre d’utilisations longues distances. Outre le développement rapide de la technologie des batteries, l'hydrogène est une technologie complémentaire notamment pour le transport longue distance. L'hydrogène et la pile à combustible à hydrogène peuvent être considérés comme des technologies clés de l'électromobilité du futur.

Ces nouvelles technologies sont complètement différentes des véhicules à moteur à combustion et nécessitent de repenser entièrement la chaîne de fabrication, des fabricants aux fournisseurs.

La technologie innovante de tomographie à rayons X proposée par RX Solutions aide à faire face à cette transition en offrant une gamme de solutions d'assurance qualité innovantes qui garantissent la fiabilité, l'efficacité et la sécurité de ces nouveaux modes de transport.

Qu'est ce qu'une pile à combustible?

Une pile à combustible produit de l'électricité par une réaction électrochimique, et non par une combustion. Elle fonctionne comme une batterie en produisant de l'électricité et de la chaleur tant qu'elle est alimentée en combustible. Une pile à combustible se compose de deux électrodes - une électrode négative (ou anode) et une électrode positive (ou cathode) - prises en sandwich autour d'un électrolyte. L'hydrogène et l'air sont combinés pour fournir de l'électricité au moteur électrique.

La pile à combustible est le composant le plus important. Une seule pile à combustible génère une faible quantité d'énergie, c'est pourquoi les ingénieurs les empilent en couches par plaques bipolaires. Dans une voiture, un empilement complet peut compter jusqu'à 400 piles à combustible assemblées. Pour des besoins de puissance plus élevés, le nombre d'empilements peut être augmenté en conséquence.

Cependant, la fabrication d'un système aussi complexe qu'un empilement de piles à combustible à grande échelle n'est pas une tâche facile. Chaque pile à combustible doit être parfaitement efficace.

une solution pour une mobilité Décarbonée

L'hydrogène ou H2 est actuellement un sujet très étudié, car l'Union européenne et la plupart des pays développés dans le monde se sont mis d'accord pour une planète à zéro émission d'ici 2050. De 2024 à 2030, l'hydrogène doit devenir une des clé pour conduire la transition énergétique. À partir de 2030 et vers 2050, les technologies de l'hydrogène renouvelable doivent atteindre leur maturité et être déployées à grande échelle pour décarboner les secteurs où les autres solutions ne peuvent être utilisées. L'hydrogène est le moteur de la neutralité carbone mondiale de l'Europe, car il s'agit d'une technologie efficace pour une mobilité sans émissions.

Il est nécessaire pour atteindre une réduction de 90 % des émissions de gaz à effet de serre liées aux transports d'ici 2050. Les piles à combustible à hydrogène et les batteries électriques offriront aux consommateurs le "pouvoir de choisir". Les deux modes de propulsion répondront à différents besoins des consommateurs.

Plusieurs méthodes pour produire de l'hydrogène

L'hydrogène peut être produit par plusieurs méthodes : procédés thermiques, électrolytiques, solaires ou biologiques.

Une fois l'hydrogène produit, son stockage est assez complexe, en raison de sa très faible densité énergétique. En outre, le principal risque de l'hydrogène est son inflammabilité immédiate, une flamme souvent invisible et à haute température pour brûler ou former un mélange explosif avec l'air.

Ce risque doit être réduit à un niveau minimum pour une utilisation publique. Le scanner à rayons X peut jouer un rôle important en garantissant que le réservoir de stockage utilisé dans les voitures est suffisamment sûr et fiable pour être mis sur le marché.

En tant que technologie non destructive couvrant des applications allant de l'échelle nano jusqu'à plusieurs centaines de microns, la tomographie à rayons X peut être utilisée à chaque étape du processus de production des piles à combustible, depuis les applications de R&D jusqu'à l'inspection des grandes cellules assemblées.

la nano-tomographie: une technique d'imagerie 3D très haute résolution

La nano-tomographie est très utile pour imager à très haute résolution la microstructure 3D de la pile anode-électrolyte. Il s'agit de l'empilement des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), également appelées piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEM), où l'échange électrochimique des gaz réactifs, l'hydrogène et l'oxygène, produit de l'électricité. Le µCT permet d'observer les défauts à l'intérieur du volume de ces piles et montre leur évolution après la réaction électrochimique. Une meilleure compréhension ouvre la voie à une meilleure anticipation des défauts.

La nano-tomographie à rayons X est une méthode innovante pour obtenir un rendu 3D à très haute résolution de la microstructure interne de l'électrode. Ce concept est basé sur le perfectionnement de la technologie micro-CT existante. Les structures des pièces au niveau cellulaire deviennent évidentes lorsque la résolution spatiale s'améliore.

Le terme nano est utilisé pour souligner que la taille des pixels des coupes transversales de l'ordre de la centaine de nanomètres, d'où le nom de Nano-CT donné à cette nouvelle méthode. La Nano-CT est intéressante pour scanner à très haute résolution la microstructure 3D de l'anode et de l'électrolyte dans une cellule électrochimique, ainsi que le comportement de réduction. La Nano-tomographie aide à comprendre et à corriger le processus de fabrication et à obtenir les meilleurs rendements avec de telles cellules.

Composite tube

X-ray scan of composite fibers

inspection par Micro-tomographie d'un réservoir à hydrogène

À une autre échelle, la tomographie à rayons X peut être utile pour imager de manière non destructive les réservoirs qui seront remplis d'hydrogène. Les réservoirs d'hydrogène sont conçus pour stocker de l'hydrogène à des pressions très élevées, ce qui pose de nombreux problèmes de sécurité. La micro-tomographie à rayons X permet de contrôler et d'inspecter avec précision et de manière non destructive l'ensemble du réservoir, les structures externes et internes. Le composite peut être entièrement inspecté pour rechercher les porosités et les éventuelles délaminations qui pourraient compromettre l'étanchéité du réservoir.

Les réservoirs à hydrogène comprimé sont fabriqués en composites de fibres de carbone ou en alliages de fibres de carbone et de métaux couplés à des composites. La ligne intérieure du réservoir est constituée d'un polymère à haut poids moléculaire qui sert de barrière à la perméation de l'hydrogène gazeux.

La tomographie à rayons X est très utile pour comprendre la microstructure des matériaux composites ainsi que pour contrôler et inspecter l'assemblage final, à la recherche d'éventuels défauts dans l'assemblage final. La technologie des rayons X est suffisamment puissante pour examiner le matériau et détecter les délaminations ou les fuites de manière non destructive. Le gaz hydrogène est très dangereux lorsqu'il entre en contact avec l'oxygène, c'est pourquoi le réservoir doit être totalement étanche sans propagation de fuites.

inspection en ligne durant le process de production

La fabrication à grande échelle d'un système aussi complexe qu'un assemblage de piles à combustible n'est pas une tâche facile. Chaque pile à combustible doit être parfaitement efficace et ne présenter aucun impureté. Les lignes de production de véhicules électriques à pile à combustible peuvent être surveillées automatiquement grâce au scanner à rayons X, ce qui permet de détecter directement les défauts ou les dérives.

Le scanner à rayons X offre une flexibilité essentielle et, grâce aux récentes avancées techniques, il est désormais possible d'obtenir un débit de composants très élevé. Grâce au retour d'information rapide sur les caractéristiques externes et internes de la pièce, le processus de fabrication devient simultanément plus efficace.

Suivi de la production des véhicules électriques grâce au scanner à rayons X

Les nouveaux véhicules électriques comportent moins de composants que les véhicules à combustion, mais nécessitent un contrôle de qualité global. Le scanner à rayons X, en tant que technologie non destructive innovante, peut être mis en œuvre à chaque étape de R&D ou de fabrication.

Avantages de l'inspection des composants FCEV par tomographie à rayons X

- D'un composant unique à un assemblage complet

- Une technologie qui peut être utilisée à chaque étape du cycle de vie de votre produit

- Un regard plus efficace à l'intérieur : inspection holistique des composants de l'hydrogène, tant pour les structures internes qu'externes.

- Un scan unique offre un large éventail d'analyses

- Automatisation facile des tâches répétitives, y compris la reproduction aisée d'analyses sur des structures d'objets périodiques.

- Coûts et délais d'inspection considérablement réduits

Comme de plus en plus de composants ont des structures multimatériaux complexes, il est difficile de déterminer si une pièce est fiable et répond aux restrictions de conformité avec les méthodes d'essai traditionnelles. Dans ce cadre, la tomographie à rayons X offre de nouvelles alternatives d'inspection en tant que technique d'(imagerie non destructive.