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JULLIAN Gauthier

'Diagnostic robuste de pile à combustible PEM par modélisation physique et mesures d'impédance : prise en compte de conditions dynamiques et du vieillissement'

 

Directeur de thèse :     Catherine CADET

Co-directeur de thèse :     Christophe BERENGUER

École doctorale : Electronique, electrotechnique, automatique, traitement du signal (EEATS)

Spécialité : Automatique et productique

Structure de rattachement : Autre

Établissement d'origine : Ecole Centrale de Paris

Financement(s) : contrat à durée déterminée ; Sans financement

 

Date d'entrée en thèse : 01/10/2015

Date de soutenance : 15/03/2019

 

Composition du jury :
M Daniel Hissel, rapporteur, Professeur des Universités, Université de Franche-Comté
M Rachid Outbib, rapporteur, Professeur des Universités, Université Aix-Marseille
M Pierre Beauseroy, examinateur, Professeur des Universités, Université de technologie de Troyes
Mme Catherine Cadet, directrice de thèse, Maitre de Conférences HDR, Université Grenoble Alpes
M Christophe Berenguer, Co-directeur de thèse, Professeur des Universités, Grenoble INP
M Sébastien Rosini, examinateur, encadrant de thèse, CEA LITEN
M Mathias Gérard, invité, encadrant de thèse, CEA LITEN
M Vincent Heiries, invité, encadrant de thèse, CEA LETI

 

Résumé : La pile à combustible PEMFC est un générateur électrochimique qui présente notamment un potentiel intéressant pour des applications automobiles et dont l'utilisation pourrait contribuer à répondre aux enjeux environnementaux associés aux transports. La faible durabilité des systèmes pile en général et de la pile en particulier constitue un des verrous technologiques qui freine son déploiement. Ses conditions de fonctionnement en termes de pression, de température et d'activité des gaz étant intimement liées aux cinétiques de dégradation des composants du générateur, il est donc nécessaire de les contrôler de manière la plus fine possible. Pour ce faire, une des premières étapes est de pouvoir les surveiller de manière fiable tout au long de la vie de la pile, en temps réel et sans engendrer de surcoûts importants. Les travaux de thèses présentés ont pour objectif d'apporter des éléments de solution à ce problème par le développement d'une approche de diagnostic robuste des conditions opératoires de la pile sans mesure directe, en environnement dynamique et avec prise en compte du vieillissement. L'approche développée repose, d'un part sur l'utilisation d'un modèle physique qui permet de simuler le comportement d'une pile dans une large gamme de conditions opératoires et d'autre part sur des mesures de courant, de tension et d'impédance, simples à mettre en œuvre. Cette approche devrait permettre le développement d'une solution embarquée. Dans un premier temps, une campagne de 1000 h d'essais sur banc a permis de caractériser une pile à la fois dans ses conditions de fonctionnement nominal et dans des conditions représentatives de défauts de fonctionnement. Ces mesures ont permis de mettre en évidence l'influence des conditions internes de fonctionnement sur la réponse en tension de la pile ainsi que sur son impédance. Dans un second temps, le modèle développé au CEA, contenant un module de dégradation a été confronté avec les mesures expérimentales. Une détermination des constantes du modèle a été effectuée et il a été montré que le modèle estime correctement la tension et l'impédance aux hautes fréquences tout au long du vieillissement, confirmant bien la possibilité d'utiliser ce modèle pour un objectif de diagnostic. L'écart entre les mesures expérimentales et les sorties simulées par le modèle physique de pile - appelés résidus – sont des indicateurs sensibles aux défauts sur les conditions opératoires, mais insensibles aux conditions dynamiques d'utilisation de la pile. Dans un troisième temps, deux résidus, générés sur la tension de sortie de la pile et sur l'impédance hautes fréquences, ont donc été utilisés pour réaliser la détection de conditions opératoires anormales. Le choix des seuils de détection est une étape importante qui permet de régler les performances de détection. Dans cette étude, la méthode a été testée avec des seuils optimaux de 11mV et 5mΩ·cm2 qui ont permis d'obtenir un score de détection de 80 %. Finalement, une méthode de classification des défauts de conditions opératoires a également été proposée. Elle met à profit une base de données de résidus calculés pour chaque type de défauts pour entraîner un classifieur de type K-plus-proches-voisins, ce qui permet alors l'identification des défauts. Le score de l'isolation sur les 1000h de tests est d'environ 60% avec de grandes disparités en fonction des défauts. Ce score est de plus de 99% pour deux des défauts de l'étude (pressions élevées et humidités faibles), 63 % pour des pressions faibles mais seulement de 20% pour une chute de température ou une augmentation d'humidité. Ces travaux ont permis de conclure que l'approche consistant à utiliser un modèle physique permet de diagnostiquer la plupart des défauts avec un taux de fausse alarme faible pendant le vieillissement. La recherche de nouvelles mesures est une piste majeure pour augmenter le score des défauts mal détectés actuellement.


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