Méthode basée modèle pour le diagnostic de l'état de santé d'une pile à combustible PEMFC en vue de sa maintenance

Les piles a combustible se positionnent aujourd’hui comme une alternative technologique seduisante face aux solutions classiquement utilisees pour le stockage d’energie. De par leur rendement de conversion en energie electrique et leur haute densite energetique, les grands acteurs du secteur aeronautique en voient une solution interessante pour reduire l’impact environnemental des avions. C’est dans cette optique que s’inscrit la presente these, visant a contribuer au developpement de methodologies destinees au suivi de l’etat de sante d’une pile a combustible a membrane echangeuse de protons (Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC). Il a ete montre, dans un premier temps, que l’ensemble des constituants d’une pile etait soumis a des contraintes pouvant engendrer des defaillances irreversibles ou des pertes de performances. Cette synthese a permis de mettre en exergue la necessite de disposer de methodes de diagnostic permettant de suivre l’etat de sante de la pile. Dans ce sens, des outils bases sur le principe de l’identification parametrique ont ete mis en avant. Il s’agit dans un premier temps de pouvoir, a partir de caracterisations experimentales, etre capable de mettre en œuvre une procedure appropriee permettant d’identifier les parametres d’un modele representant au mieux le comportement du composant. Et dans un temps second, de construire par l’intermediaire des parametres identifies des indicateurs (signatures) lies a l’etat de sante de la pile. Dans le cadre de cette these, nous nous sommes interesses plus particulierement a deux types de prise d’informations : la courbe de polarisation (V-I), et la Spectroscopie d’Impedance Electrochimique (SIE). Il a ete montre dans cette these, que seule l’exploitation conjointe de ces 2 types de mesures permet une caracterisation pertinente de l’etat de sante de la pile. Deux modeles «couples» ont ete ainsi developpes : un modele quasi-statique dont les parametres sont identifies a partir de la courbe de polarisation et un modele dynamique identifie a partir des donnees de la SIE. Il a ete mis en avant dans le cadre de cette these, la necessite de developper un modele dynamique dit «sans a priori» dont la formulation peut varier au cours du temps. Ainsi, si des phenomenes lies a un changement de caracteristique apparaissent, la structure du modele pourra s’adapter pour en permettre la prise en compte. Le processus global partant de la connaissance a priori jusqu’a l’identification des parametres des modeles a ete developpe au cours des chapitres de cette these. Outre la bonne reproduction des donnees experimentales et la separation des pertes dans les domaines quasi-statique et dynamique, l’approche permet de percevoir certaines defaillances a travers les parametres des modeles developpes. La prise en compte du couplage statique-dynamique a fait apparaitre la notion « d’impedance residuelle ». En effet, un biais entre la pente locale de la courbe de polarisation et la resistance basse frequence de la SIE est systematiquement observe. L’impedance residuelle prise en compte dans la modelisation permet d’absorber ce decalage tout en garantissant une coherence entre les mesures de la V-I et de la SIE. Une tentative d’explication des phenomenes physico-chimiques lies a cette impedance a egalement fait partie de l’ensemble des objectifs de cette these. D’un point de vue experimental, l’idee du travail est dans un premier temps de generer des variations ciblees et maitrisees du comportement de la pile et d’observer leurs impacts sur les parametres identifies. Pour ce faire, l’idee proposee est de travailler sur une mono-cellule dont la modification des composants est aisee. Le jeu de composants (membranes differentes, differents dosages en platine …) avait permis de mettre en evidence l’impact de chaque modification sur les donnees experimentales et ainsi sur le modele avant de tester la validite de l’approche sur des campagnes de vieillissement de stacks