Circuit d’alimentation anodique et cathodique

Pronostic et gestion de l’état de santé des PEM-FCS

Une première façon d’envisager l’augmentation de la durée de vie des PEM-FCS consiste à s’intéresser aux mécanismes de dégradation, à la conception et la mise en oeuvre d’une architecture de pronostic et gestion de l’état de santé (PHM – Prognostics & Health Management). Les PEM-FCS, de par leur technologie, sont par essence des systèmes multi-physiques (électriques, fluidiques, électrochimiques, thermiques, mécaniques, etc.) et multi-échelles (de temps 10 Chapitre 1 et d’espace) dont les comportements sont difficilement appréhendables. La nature non linéaire des phénomènes, le caractère réversible ou non des dégradations, et les interactions entre composants rendent effectivement difficile une étape de modélisation des défaillances. De plus, le manque de fiabilité (actuel) dans les qualités de fabrication rend difficile la caractérisation statistique de leur comportement. Tout ceci conduit à considérer le développement d’un système PHM comme un levier pour faire face à la problématique de durabilité des PEMFC.

Le déploiement d’une solution PHM permettrait en effet d’anticiper et d’éviter les défaillances, d’évaluer le SOH, d’estimer le temps de vie résiduel du système (RUL – Remaining Useful Lifetime) , et finalement, sur la base de telles informations, il deviendra possible d’envisager des actions de maîtrise (contrôle et/ ou maintenance) pour assurer la continuité de fonctionnement du PEM-FCS. L’objectif derrière la mise en oeuvre d’une architecture PHM, comprend la surveillance dynamique de l’état du système en vue d’une maintenance de type prévisionnelle. Dans ce sens, l’activité de pronostic est considérée comme un processus clef: contrairement au diagnostic qui fait référence à la capacité de détecter et isoler la cause d’un dysfonctionnement qui a déjà eu lieu, le pronostic a la capacité de prédire l’évolution de la dégradation ou les défaillances futures d’un système: il apporte une garantie de fonctionnement du système et, de ce fait, constitue une étape importante avant de pouvoir définir les différents scénarios de maintenance applicables pour anticiper et prévenir les dysfonctionnements.

Évaluer l’état actuel et l’évolution future du PEM-FCS fournit des informations qui peuvent être utilisées pour répondre à plusieurs objectifs, parmi lesquels: donner une alerte à l’avance sur possibles défaillances; minimiser la maintenance non planifiée; maintenir l’efficacité du système en dépit d’un changement anormal de son état opérationnel, à travers d’actions de réparation et en temps opportun; réduire le coût du cycle de vie du système, en diminuant les coûts de maintenance et les temps d’arrêt imprévus.

Hybridation entre une PEMFC et des UCs

Une seconde façon d’aborder la thématique de l’augmentation de la durée de vie des PEMFCS, distinct mais fortement reliée au processus PHM, consiste à s’intéresser à leur hybridation avec des objets présentant une cyclabilité particulièrement importante : i.e. des UCs. Dans Chapitre 1 11 une FC-REV, l’association entre une PEMFC et des UCs peut être réalisée en utilisant un système hybride de type actif ou passif. Le comportement global du système dépend à la fois du choix de l’architecture et du positionnement de ces éléments en lien avec la charge électrique. L’architecture active a besoin au moins d ‘un convertisseur DC/ DC pour effectuer la gestion de l’énergie. Actuellement, les recherches sur le domaine de l’électronique de puissance se focalisent essentiellement sur la gestion d’énergie entre les sources embarquées dans ces véhicules à travers la mise en place d’une interface électronique de puissance destinée à conditionner le flux d’énergie entre eux (i.e. FCS, UCs, batteries … ).

Cependant, les topologies de convertisseurs de puissance proposées dans la littérature [25- 30J démontrent que l’influence du convertisseur de puissance est déterminante sur le vieillissement et la production de défaillances dans les PEM-FCS (de par les interrupteurs statiques présents dans les convertisseurs statiques euxmêmes, de par l’impact des oscillations de courant haute fréquence sur le vieillissement de la pile) , et augmente les pertes énergétiques du système.

Dans ce contexte, notre travail de thèse vise à exploiter cette fonctionnalité au travers de l’exploration d’une architecture d ‘hybridation de type passif ou sans recours à un convertisseur. Pour conclure, nous présentons sur la Figure 1.3 le cadre de travail et la synthèse de la problématique de recherche. Compte tenu que les travaux présentés dans cette thèse sont des contributions visant à l’augmentation de la durée de vie des PEM-FCS. La solution logicielle, basée sur la mise en oeuvre d ‘un algorithme PRM trouve sa pertinence dans la faible homogénéité des séries de PEMFC commercialisées. En effet, les processus de fabrication actuels ne permettent pas d’atteindre les mêmes performances et le même comportement entre les différentes piles d’une même série (et donc, supposément identiques).

Quant à elle, la solution matérielle de l’hybridation passive se justifie par le fort taux de défaillances liées à l’électronique de puissance dans un système opérationnel. Ainsi, les aspects logiciel et matériel, pouvant a priori paraitre relativement découplés, s’avèrent très complémentaires.

Le PEM-FCS vue comme un système complexe

Dans un système complexe l , il existe divers modes de fonctionnement ou états fonctionnels, incluant les modes associés aux défaillances. Le fonctionnement d’un système est considéré comme en état de fonctionnement défaillant quand il n’est pas en mesure d’accomplir les fonctions pour lesquels il a été conçu [31,32]. Les défaillances sont causées par des défauts via leur activation ou leur occurrence et dont la suppression permettra d’éliminer la panne. La notion de défaut est définie comme l’écart entre les valeurs de la caractéristique observée sur le composant ou système et la caractéristique de référence ou valeur théorique attendue. Cette différence est idéalement nulle en cas d’absence de défaut [31]. Une cause de défaut est généralement le résultat d’un dysfonctionnement dans un processus spécifique, d’erreurs commises durant la conception, et/ ou des erreurs opérationnelles ou dans la maintenance du système [33]. En outre, chaque mode de défaillance produit un effet qu’il faut identifier à travers des symptômes observés. Les contraintes opérationnelles doivent être prises en compte lors de la conception ou du contrôle du système [34] .

On appelle « effet » la manière selon laquelle un mode de défaillance se produit sur le système ou un composant. Le degré de l’effet peut varier sur la performance du système d’un niveau relativement faible jusqu’à une perte majeure de l’équipement [35]. L’apparition d ‘une défaillance sur le système peut être le résultat d’un processus de dégradation. Une dégradation est un processus d’altération causée par des changements dans les propriétés structurelles inhérentes d’un système, affectant les performances présentes et futures de manière irréversible [31].

Un PEM-FCS comprend un nombre d’auxiliaires nécessaires pour faire fonctionner le stack autour d’un point de fonctionnement optimal préétabli (en tenant compte de tolérances spécifiées) , permettant de délivrer l’énergie électrique produite. Ils sont fortement couplés et interdépendants à la pile et impliquent généralement les sous-systèmes suivants : un circuit d’alimentation en gaz réactifs conditionnés à l’entrée (température, pression, hygrométrie) et en sortie (recirculation de l’hydrogène, récupération de l’eau) , un circuit de gestion de l’eau et de la chaleur, un circuit électrique et de commande. Le schéma de la Figure 2.1 illustre l’ensemble des composantes et des différents circuits formant les PEM-FCS basse température. Les conditions d’usage des véhicules à pile à combustible (FC-HEV – Fuel Cell Hybrid Electrical Vehicles) donnent lieu à une assez grande variété de phénomènes physiques dégradants.

Les PEM-FCS sont sujets aux mécanismes de dégradation se produisant sur une longue période ou dans des conditions sévères. Diverses combinaisons de facteurs vont influer sur la fiabilité de ces systèmes complexes, certains d’entre eux vont jouer un rôle majeur dans l’activation et l’accélération de la dégradation, tandis que d’autres peuvent être ignorés.

Le stack est considéré comme étant le coeur du système, il convient de noter que la mise en défaut d’une seule des cellules entraîne la mise hors service du système global. En complément, il est aussi important de mentionner qu’un défaut survenu dans certains composants auxiliaires a des répercussions sur le fonctionnement du stack et donc, les défaillances peuvent être détectées à l’aide du stack. En d’autres termes, le stack lui-même peut être vu comme un capteur. Dans le contexte d’une PEMFC, les dysfonctionnements peuvent être divisés en deux grandes catégories :

• Dysfonctionnement réversible : après l’occurrence d’un tel dysfonctionnement et en s’assurant de la mise en oeuvre d’une action corrective, le stack peut récupérer ses performances initiales. Ces dysfonctionnements sont généralement liés à un problème dans le stack (empoisonnement au CO du catalyseur, assèchement de la membrane et noyage) ou à une erreur de commande (Le. opérer le système en dehors des limites prescrites). Les méthodes de PHM indiqueraient, de façon continue ou périodique, l’évolution de la performance du système afin tant d’anticiper le risque de défaillance que de corriger ce dysfonctionnement au cours du fonctionnement de la PEMFC;

• Dysfonctionnement irréversible ou dégradation : après l’occurrence d’un tel dysfonctionnement, la pile ne peut pas retrouver ses performances initiales, même si la cause à l’origine du défaut est éliminée. Idéalement, une fois que la dégradation se produit, les méthodes de PHM aideraient à identifier la cause qui est l’origine du défaut dans le composant à remplacer, de sorte que l’état de fonctionnement des cellules, ou les matériaux du stack, ou le design du système pourraient être ajustés lors des essais ultérieurs afin de minimiser une future dégradation. En outre, si l’étendue et la gravité de la dégradation exige une action immédiate, ces méthodes suggèreront des mesures à adopter afin que le système puisse accomplir sa mission en évitant la panne.

Table des matières

1 Introduction générale
1.1 Contexte général du projet de recherche
1.2 Problématique de recherche
1.2.1 Pronostic et gestion de l’état de santé des PEM-FCS
1.2.2 Hybridation entre une PEMFC et des UCs
1.3 Objectifs du projet de recherche
1.4 Méthodologie
1.5 Organisation de la thèse
2 Augmentation de la d urée de vie des PEM-FCS
2.1 Le PEM-FCS vue comme un système complexe
2.1.1 Circuit d’alimentation anodique et cathodique
2.1.2 Circuit de refroidissement
2.1.3 Circuit électrique
2.1.4 Circuit de commande.
2.2 Hybridation entre une PEMFC et des UCs
2.3 Pronostic et gestion de l’état de santé des PEM-FCS
2.3.1 Connaissance a priori des défaillances et mécanismes de dégradation
2.3.2 Module d’acquisition des données
2.3.3 Module de pré-traitement des données
2.3.4 Module de diagnostic / pronostic
2.3.5 Module d’aide à la décision
2.4 Classification des méthodes pour le PHM des PEM-FCS
2.4.1 Approches basées sur des modèles physiques
2.4.2 Approches guidées par les données
2.4.3 Approche hybride
2.5 Critères d’évaluation de la performance du pronostic
2.6 Enjeux et défis du PHM pour les PEM-FCS
2.6.1 Conception optimale des systèmes de capteurs
2.6.2 Sélection des méthodes applicables pour le PHM
2.6.3 Gestion de l’incertitude
2.6.4 Validation et vérification
2.7 Conclusion
3 Augmentation de la durée de vie des PEM-FCS en utilisant une approche logicielle : PHM
3.1 Mise en contexte
3.1.1 La stratégie Récursive
3.1.2 La stratégie Directe
3.1.3 La stratégie DirRec
3.1.4 La stratégie MIMO
3.1.5 La stratégie MISMO
3.2 Systèmes d’inférence neuro-flous adaptatifs .
3.3 Hypothèses de travail
3.4 Acquisition des données de la PEMFC
3.5 Techniques pour le pré-traitement du signal original
3.5.1 Décomposition du signal original en deux composantes
3.6 Description du modèle de prédiction
3.6.1 Définition des entrées et sorties du système
3.6.2 Organisation des données
3.6.3 Apprentissage et prédiction
3.7 Cas d’étude
3.8 Critères d’évaluation de la performance.
3.9 Résultats de simulation et discussion
3.9.1 Analyse de sensibilité paramétrique
3.10 Conclusion
4 Augmentation de la durée de vie des PEM-FCS en utilisant une approche matérielle: hybridation directe
4.1 Mise en contexte
4.2 Simulation de l’hybridation passive PEMFCjUC
4.2.1 Interconnexion entre la source PEMFC et l’ensemble d’UCs
4.2.2 Configuration PEMFCjUCj Charge
4.3 Étude de la dégradation d’une PEMFC soumise à tenues de courant élevé
4.3.1 Caractéristiques de la pile à combustible considérée et du banc d’essai 105
4.3.2 Procédure du court-circuit
4.3.3 Résultats et analyse du comportement électrique
4.3.4 Résultats et analyse du comportement thermique et fluidique
4.3.5 Résultats et analyse du comportement dynamique via spectroscopie d’impédance électrochimique
4.4 Conclusion
5 Conclusions et Perspectives
5.1 Discussions
5.2 Perspectives et travaux futurs
A Modèle de la pile à combustible
B Liste de publications

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