Diagnostic, pronostic, contrôle tolérant aux défauts et au vieillissement d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons, appliqués à l’automobile

Proton exchange membrane fuel cell diagnostic, prognostic, fault and ageing tolerant control, applied to the automotive sector

• Auteur / Autrice : Julie Aubry
• Direction : Daniel Hissel, Nadia Yousfi Steiner, Saïd Noureddine Zerhouni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 22/11/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Melika Hinaje
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathias Gerard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

PEMFC

Durée de vie

Diagnostic

Pronostic

Contrôle tolérant

PEMFC

Durability

Diagnostic

Prognostic

Tolerant control

Résumé

Les piles à combustibles (PAC) sont des convertisseurs électrochimiques prometteurs pour les applications de mobilité. Le contrôle des conditions opératoires est fondamental pour la durabilité des PAC. Ces convertisseurs électrochimiques sont en effet sensibles aux défauts, et à divers mécanismes de dégradation, qui ont comme conséquence la réduction de leur durée de vie. Les défauts peuvent être évités ou corrigés, et les mécanismes de dégradation inhibés par le biais de l’adaptation des conditions opératoires (température, pression, humidité relative des réactifs entrants, courant).Dans ces travaux, trois capteurs logiciels sont proposés à des fins de diagnostic. Ces capteurs permettent de détecter le niveau d'hydratation, le niveau de stœchiométrie anodique et cathodique de la PAC en fonctionnement. Avec cette approche, nous avons réussi à détecter les défauts, mais aussi à identifier leur formation ainsi que leur gravité.D’après les informations des capteurs logiciels, des actions correctives ont pu être mises en place lorsque les niveaux de stœchiométrie et d’hygrométrie détectés s’éloignaient des valeurs nominales. Ceci est l’objet du contrôle tolérant aux défauts développé dans cette étude.Nous avons également montré que les conditions opératoires nominales devaient être adaptées au niveau de dégradation. Dans ce but, un algorithme de contrôle tolérant au vieillissement permettant d’optimiser ces conditions nominales pour maximiser les performances tout en minimisant la dégradation a été développé. Pour détecter et prédire l’état de dégradation de la membrane et du catalyseur, un algorithme de pronostic a été mis en œuvre sur des données sous charge dynamique. L’ensemble de ces outils de diagnostic, de pronostic, de contrôle tolérant aux défauts et au vieillissement ont permis d’améliorer la durée de vie des piles à combustible dans une application automobile.

Fuel cells are promising electrochemical converters for mobility applications. Controlling the operating conditions is fundamental for fuel cell durability. These electrochemical converters are indeed sensitive to faults, and to various degradation mechanisms, which result in the reduction of their lifetime. Faults can be avoided or corrected, and degradation mechanisms inhibited by adapting the operating conditions (temperature, pressure, relative humidity of incoming reactants, current).In this work, three soft sensors are proposed for diagnostic purposes. These soft sensors make it possible to detect the fuel cell hydration level, and the anodic and cathodic stoichiometry level. With this approach, we succeeded in detecting faults, but also in identifying their formation as well as their severity.Based on the information from the soft sensors, corrective actions, could be implemented when the detected stoichiometry and hygrometry levels deviate from their nominal values. This is the objective of the fault-tolerant control developed in this study.We also showed that the nominal operating conditions should be adapted to the degradation level. For this purpose, an aging tolerant control algorithm allowing to optimize these nominal conditions to maximize performance while minimizing degradation has been developed. To detect and predict the membrane and catalyst degrdation level, a prognostic algorithm was implemented on dynamic load data.These diagnostic, prognostic, fault-tolerant control and aging-tolerant control tools aim to improve the fuel cells lifetime in an automotive application.