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D’où provient l’odeur spécifique de la pluie ?

 

Chacun a fait cette expérience d’une promenade champêtre à la belle saison après une averse où une odeur caractéristique flotte dans l’air, agréable et familière, à la fois terreuse et végétale, fraîche et légère, presque évanescente. D’où provient cette odeur spécifique de la pluie, ou plus exactement d’après la pluie ? Ce n’est pas une question anodine, l’odeur de la pluie renvoie à des préoccupations existentielles profondes de l’espèce humaine.

 

En 1964, Bear et Thomas, deux géologues australiens, sont les premiers à se pencher sur le problème en publiant un article dans la prestigieuse revue scientifique Nature. Pour désigner cette odeur spécifique, ils proposent le terme petrichor dérivé du grec petra signifiant « pierre » et ichor signifiant « sang, fluide ». Le petrichor est le résultat d’un travail complexe de la nature dans son ensemble, minéral et végétal. À l’origine du pétrichor, on trouve d’abord une substance huileuse sécrétée par les plantes et absorbée par la terre et les roches en période sèche. Cette substance imprègne également les graines des plantes avant la germination pour leur permettre de mieux s’adapter en cas de sécheresse. Lors d’une averse ou d’un orage* , le vent, les feuilles, la pluie, la terre se mélangent et cette substance huileuse dispersée va alors dégager une odeur caractéristique. On utilise aujourd’hui le terme de géosmine pour désigner cette odeur, résultat du mélange de ces huiles végétales, de l’activité de bactéries (actinomycètes) qui produisent des spores et des composés de sédiments au contact des gouttes d’eau. Après une longue période de sécheresse, l’odeur de la géosmine est souvent perçue plus intensément car les bactéries ont produit une plus grande quantité de spores.

 

* En cas d’orage, il peut y avoir également production d’ozone (qui signifie étymologiquement « exhaler une odeur ») composé de 3 atomes d’oxygène (03). Contrairement au dioxygène (O2) inodore, l’ozone présente une odeur agréable, faiblement javelisée, perceptible à très faible concentration par le nez humain (0,01 ppm). L’électricité générée par les éclairs divise les molécules d’oxygène et de nitrogène dans l’atmosphère qui se reforment ensuite en oxyde nitrique (NO). Ce dernier, en interaction avec d’autres éléments chimiques de l’atmosphère produit alors l’ozone. Il est possible de retrouver cette odeur dans des endroits confinés où règne un fort champ électrique.

Impact d’une goutte d’eau sur le sol

figure 6.1. Images de l’impact d’une goutte d’eau sur le sol, réalisées  par une caméra très haute résolution (Gariepy et al. 2015).

Accessible sur news.mit.edu/2015/rainfall-can-release-aerosols-0114

Le nez humain est très sensible à la géosmine (seuil de l’ordre de 5 ppb) et les évaluations qualitatives révèlent que dans le contexte « après l’averse », elle est assez unanimement jugée plaisante. Dans ses recherches anthropologiques sur les populations aborigènes Pitjanjajara, l’Australienne Diana Young de l’université de Queensland rapporte dans la revue Etnofoor que l’odeur de la pluie après une longue sécheresse est intégrée à la conscience collective de cette communauté parce qu’elle est directement reliée aux conditions de culture et d’élevage (Young 2005). La survie (et donc les cultures et l’élevage des animaux) dépend en grande partie de ces épisodes de pluie. La valence hédonique positive associée à l’odeur de la pluie paraît logique et probablement ancrée dans la mémoire collective de l’humanité. Toutefois, pour l’homme des villes du XXIe siècle, l’odeur de la pluie sur le bitume n’est pas tout à fait identique et n’a peut-être pas un caractère aussi plaisant. Un objet de plus pour la recherche…

 

Jusqu’à récemment, le processus par lequel cette émanation se produisait était inconnu. L’hypothèse communément admise reposait plutôt sur un postulat de réactions chimiques complexes. Or, il n’en est rien et c’est ce qu’ont découvert des ingénieurs du célèbre MIT (Massachusetts Institute of Technology) qui ont publié leur travail dans la revue Nature Communication (Gariepy et al. 2015). Ils ont filmé à l’aide de caméras de très haute performance (vitesse et précision de l’image) l’impact des gouttes d’eau sur le sol. Comme les Américains ne font jamais les choses à moitié (figure 6.1), ils ont filmé plus de 600 chutes de gouttes d’eau sur 28 types différents de surface (16 portions de sol naturel et 12 matériaux artificiels), avec plusieurs hauteurs de chute de sorte à varier la vitesse et la force de l’impact. De ces observations, il ressort que lorsque la goutte d’eau frappe le sol, elle emprisonne sous elle à l’impact de minuscules bulles d’air. Celles-ci remontent alors à l’intérieur du liquide (comme le font les bulles de n’importe quelle boisson gazeuse) et finissent par éclater à la surface de la goutte d’eau en train de « rebondir ». Ce faisant, elles dispersent dans l’air de très nombreux aérosols et parmi eux des molécules odorantes. Il s’agit donc d’un mécanisme physique (et non chimique) qui est responsable de l’odeur de la pluie.

 

Pour être plus précis dans leur description, les chercheurs ont comparé la quantité d’aérosols dispersés en fonction de la nature (en particulier la porosité) du sol et la vitesse de chute. Lorsque le sol est plutôt poreux (ils ont utilisé les pelouses du campus pour leurs expériences, la terre battue par exemple) et que la chute de la goutte d’eau est faible ou modérée, alors le dégagement d’aérosols (et donc d’odeurs) est important. En revanche, lorsque la pluie est intense, les gouttes arrivent trop violemment sur le sol pour que les microbulles d’air puissent se former, empêchant ainsi la dispersion des aérosols et donc des odeurs. Passionnés par leur travail, les ingénieurs du MIT ont poursuivi leurs investigations en modélisant l’impact de la goutte d’eau sur des surfaces recouvertes d’une encre fluorescente.

 

Ils ont ainsi pu observer la dispersion des microparticules après l’impact au-dessus de la goutte d’eau, dispersion qui dépend ensuite naturellement de la direction et de la force des vents. Ces observations ne sont pas tant cruciales pour expliquer l’odeur de pluie que pour expliquer la propagation de certaines maladies. En effet, si les molécules odorantes sont ainsi ballottées par les vents, de nombreux virus et bactéries présents au niveau du sol le sont également, et l’averse pourrait être un vecteur important de dissémination. Devra-t-on bientôt prodiguer des conseils de prudence au randonneur, qui en toute innocence hume avec délice l’odeur de la pluie ?

 

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The rights of the authors of this work have been asserted by them in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988.

Pour aller plus loin sur le sujet

 
 
 
 
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Written by Editorial ISTE — February 19, 2019

Phénomènes de dégradation et méthodes de diagnostic pouvant survenir sur la PAC et son système

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  Diagnostic et pronostic des

générateurs piles à combustible

 

 

Introduction

 

Le déploiement à grande échelle de la PAC ne se fera que si elle est suffisamment robuste pour garantir une continuité de service au client. C’est un point central à étudier en amont, couplé à la mise au point d’indicateurs fiables de leurs défaillances. Le triptyque coût-performance-durabilité est essentiel pour rendre la PAC compétitive face à d’autres solutions plus conventionnelles.

 

Par ailleurs, afin de permettre un transfert de cette technologie vers des applications industrielles plus efficaces, il est évidemment indispensable d’augmenter sa durée de vie mais également de rendre le système plus fiable. Cela passe par un système de contrôle efficace pour assurer le maintien des bonnes performances de la PAC tout au long de sa durée de vie et la détection d’éventuels composants défaillants. Il est donc nécessaire de développer des méthodes et des outils de diagnostic. Le diagnostic peut intervenir à différents niveaux :

 

– identifier, une fois produite, l’origine d’une défaillance pour renseigner l’utilisateur de sa nature ;

 

– détecter en temps réel une dérive des conditions normales de fonctionnement afin d’informer le système de régulation et de contrôle pour qu’il corrige par lui-même la dérive en agissant sur ses causes afin de prédire sa durée et son impact sur les performances et la durée de vie de la PAC et/ou du système.

 

Toujours dans un souci d’augmenter de manière drastique la durée de vie de la PAC, il est important d’appréhender son fonctionnement et son contrôle afin de ralentir les dégradations avant l’apparition d’une défaillance. La discipline du PHM permet de suivre et d’estimer en continu l’état de santé d’un système, de prédire sa durée de vie résiduelle, et de prendre les décisions visant à la préserver afin de mener à bien sa mission. Le pronostic du fonctionnement des systèmes PAC constitue un domaine dont l’exploration doit être renforcée, afin de mettre en place des contre-mesures en vue d’augmenter la durée de vie résiduelle du système PAC mais également de définir des durées de garantie réalistes et conformes aux attentes du marché.

 

Il existe de nombreuses approches pour développer des outils de diagnostic et de pronostic. Cependant, il est important d’avoir, au préalable, une connaissance approfondie des mécanismes de dégradation de la PAC et de son système pour aboutir à des solutions efficaces.

 

Nous balaierons dans un premier temps les mécanismes de dégradation et les défaillances pouvant survenir sur la PAC et son système, puis nous présenterons, dans un deuxième temps, les méthodes de diagnostic appliquées aux systèmes PAC. Dans une troisième partie, les outils de pronostic seront exposés.

 

1.1 Les phénomènes de dégradation mis en jeu dans une pile à combustible et son système

 

La dégradation est définie comme une action d’endommager, d’abîmer, d’altérer ou de détériorer quelque chose. Un processus de dégradation peut faire apparaître une défaillance sur un système. Ces dégradations sont généralement causées par un processus d’altération engendré par des changements dans les propriétés structurelles inhérentes d’un système, affectant les performances présentes et futures de manière irréversible [JOU 15a].

 

Dans un système PAC, l’élément central et le plus sensible aux dégradations et/ou aux défaillances reste le cœur de PAC. Néanmoins, les problèmes de durée de vie et de fiabilité concernent également les actionneurs qui permettent à la PAC de fonctionner correctement. Le système complet doit donc être considéré dans nos travaux.

 

Il est important de pouvoir analyser et classer les mécanismes de dégradation mis en jeu dans un système PAC. Plusieurs classifications peuvent être proposées selon l’objet de l’étude. En effet, il est possible d’étudier les dégradations par famille (chimique, thermique, mécanique), par composant individuel constituant le stack (membranes, électrodes, GDL) ou encore par défaillance.

 

Diverses combinaisons de facteurs vont influer sur la fiabilité de ces systèmes complexes. Certains d’entre eux joueront un rôle majeur dans l’activation et l’accélération de la dégradation, tandis que d’autres auront une influence mineure. L’étendue et la gravité de la défaillance dépendent de la nature, de l’ampleur et de la durée d’exposition à ces charges.

 

Nous classons, aux paragraphes suivants, les différentes catégories de défaillance pouvant subvenir dans un système pile à combustible.

 

1. Dégradations réversibles ou irréversibles ?

 

L’ensemble des mécanismes de dégradations intervenant dans un système PAC peut être classé en fonction du degré de gravité :

 

– les dégradations réversibles mettent en cause la stabilité des performances du système PAC. Une action corrective sur les conditions opératoires s’avère suffisante pour rétablir les performances initiales du système. Ce cas de figure peut apparaître dans différentes situations (contrôle défaillant, erreur de l’expérimentateur, défaillance ponctuelle) ;

 

– les dégradations irréversibles sont identifiées lorsqu’il n’est plus possible de retrouver les performances initiales du système PAC, même après avoir éliminé la cause qui est à l’origine du défaut. En plus d’affecter les performances, ce type de dégradation entraîne une modification physique et structurelle définitive des matériaux.

 

2. Dégradations des composants de la PAC

 

Avant de nous intéresser aux dégradations pouvant survenir sur les auxiliaires du système PAC, il est important de présenter les dégradations inhérentes aux composants de la PAC. Certaines de ces dégradations sont directement liées à une, voire plusieurs défaillances des actionneurs environnant la PAC.

 

Nous allons passer rapidement en revue les dégradations des composants de la PAC. Des études plus détaillées sont proposées dans les références suivantes [JOU 15a, KOC 12, KUN 06, SAN 15, SCH 08, TAW 12, WAS 10, WU 08a, YOU 09c].

 

Nous rappelons que le cœur de PAC est composé d’un empilement de cellules unitaires. La mise en défaut d’une seule des cellules peut entraîner une défaillance du système PAC complet. Évidemment, différentes causes peuvent amener à la dégradation d’une cellule. Nous dressons à présent la liste des composants d’une cellule et les dégradations pouvant y siéger [JOU 15a].

 

– Dégradation des plaques bipolaires :

  - la corrosion impacte la durabilité de la membrane et des couches catalytiques ;

  - apparition d’une couche de surface résistive conduisant à une augmentation de la résistance ohmique ;

  - déformation ou fissure des plaques due à des densités de courant trop élevées ou encore des cycles thermiques inadaptés.

 

– Dégradation des couches de diffusion (GDL, Gas Diffusion Layer) :

  - perte d’hydrophobicité ;

  - changement de la structure des couches de diffusion dû à la corrosion du carbone et des contraintes mécaniques ;

  - perte de porosité.

 

– Dégradation des joints d’étanchéité suite à des perturbations mécaniques ou thermiques entraînant notamment des fuites.

 

– Dégradation des électrodes :

  - perte de surface active de l’électrode due à une dégradation de la couche catalytique ou du support carbone ;

  - dégradation du platine lorsque la PAC travaille à des potentiels de tension élevée proches de l’OCV ;

  - accélération du processus de corrosion du carbone lorsque la PAC est soumise à des arrêts/démarrages ;

  - dégradations dues aux dynamiques de courant ;

  - sensibilisation du platine à l’empoisonnement au CO, SO2, H2S, NO2, NO et NH3 qui occupent les sites actifs et empêchent les réactions.

 

– Dégradation de la membrane :

  - chimique, créée par des contaminants qui dégradent le polymère ;

  - mécanique, qui peut engendrer un déchirement de la membrane ;

  - court-circuit : passage d’électrons à travers la membrane.

 

Toutes ces dégradations peuvent également être regroupées en fonction de l’origine, qu’elle soit mécanique, chimique ou encore thermique.

 

3. Dégradations en fonction de l’origine

 

Origine mécanique

 

Les dégradations mécaniques interviennent notamment au niveau des membranes. Un mauvais processus de fabrication, la présence de particules étrangères ou des conditions de fonctionnement inadaptées amènent à des perforations, des déchirures ou des trous microscopiques au niveau de la membrane. Ces défaillances sont souvent considérées comme la cause principale de défaillances prématurées [YUA 12].

 

Néanmoins, les dégradations mécaniques apparaissent également suite à une mauvaise gestion hydrique ou thermique de la PAC. En effet, une augmentation de l’humidité relative peut produire une pression de gonflement dans la membrane, ce qui peut conduire à la propagation de microfissures [MEN 11, WAN 11a].

 

Il est à noter que parmi les processus mécaniques qui produisent une dégradation importante dans la PEMFC, les cycles d’humidification ou d’assèchement jouent un rôle décisif, pouvant provoquer la dilatation ou le rétrécissement de la membrane. Cela conduit à une contrainte mécanique de la membrane et des joints d’étanchéité.

 

Origine chimique

 

Les dégradations chimiques sont essentiellement dues aux contaminants présents dans l’air ambiant ou dans le carburant. Ainsi, nous pouvons citer les polluants atmosphériques tels que les NOx, SOx, CO et CO2. Ils agissent directement sur le processus de corrosion des composants (plaques bipolaires et support carboné dans le catalyseur). Ces derniers entraînent généralement une dégradation réversible.

 

A contrario, la contamination du carburant par certains contaminants atmosphériques tels que H2S et SOx peuvent causer des pertes de performance irréversibles. Cette contamination affecte la cinétique des électrodes, la conductivité et les transferts de masse qui sont des éléments essentiels à la performance des PAC [COL 06, KEL 05].

 

Origine thermique

 

Le fonctionnement d’une PEMFC à des températures supérieures à la température optimale provoque l’assèchement de la membrane. Elle tend ainsi à devenir plus résistive électriquement, tandis qu’un fonctionnement à des températures inférieures à la température optimale peut entraîner une accumulation d’eau dans les cellules, résultant en une perte de performances due à une augmentation des effets de transport de matière (noyage).

 

Il est également possible d’avoir des points chauds locaux dus à différents phénomènes (appauvrissement hydrogène, court-circuit, accumulation azote, etc.). Ces surchauffes locales peuvent entraîner une rupture de la membrane.

 

4. Les défaillances du système PAC

 

Les paragraphes précédents ont permis de classer les différentes dégradations que peut subir le cœur de PAC. Dans un système PAC, le stack est l’élément central et une défaillance d’un ou des actionneurs environnants engendre une dégradation des performances du système complet. La figure 4.1 permet de localiser les défauts d’un système PAC. Nous listons ensuite les conséquences possibles dues à ces défaillances [SAN 15].

Localisation des défauts d'un système PAC

Figure 4.1. Localisation des défauts d'un système PAC

 

Circuits anodique et cathodique

Les défauts liés à ces deux circuits concernent souvent l’alimentation en comburant et carburant des compartiments cathodique et anodique. Si un groupe moto-compresseur (GMC) est utilisé pour l’alimentation en air de la cathode, alors des dysfonctionnements liés à la variation de vitesse du GMC peuvent apparaître. Dans ce cas, la PAC sera sous-alimentée (nous parlons d’air starvation). Des problèmes de 
contrôle-commande, une mauvaise génération de la consigne de débit d’air ou d’hydrogène, un retard sur la génération de cette consigne et/ou sur la valeur réelle du débit, peuvent également être à l’origine d’une mauvaise alimentation. Dans une PEMFC, lorsque les cellules sont sous-alimentées en réactifs, leurs tensions individuelles diminuent par rapport à celles des autres et la dispersion entre les tensions des cellules s’en trouve augmentée. Lors d’une « faible » sous-alimentation en réactifs, les tensions des cellules sous-alimentées, bien que plus basses que les autres, demeurent positives. En revanche, dans le cas où les débits des réactifs ne sont pas suffisants pour maintenir le niveau de courant demandé, certaines cellules voient leur tension chuter jusqu’à atteindre des valeurs négatives, en raison de leur fonctionnement en mode « électrolyse ». L’inversion de cellule est responsable de la dissolution et de l’agglomération du platine, mais aussi de la corrosion du carbone conduisant à une perte de surface catalytique [LIU 06, TAN 08, YOU 09c].

Les débits des gaz ont aussi une grande influence sur l’humidité dans la pile. Ils jouent un rôle important dans l’évacuation de l’eau au sein des canaux et des couches de diffusion. Dans des conditions d’eau en excès, la vapeur d’eau dans les cellules peut se condenser et bloquer le transport de gaz dans les électrodes, les couches de diffusion et les canaux de gaz [YOU 09c]. Des pertes par transport de matière se produisent quand il y a un écart entre les taux des réactifs qui sont fournis et la vitesse à laquelle elles sont consommées. Cette disparité peut être provoquée par une sous-stœchiométrie ou une sur-stœchiométrie.

Dans le premier cas, la distribution des gaz réactifs dans les cellules de la PAC n’est pas suffisamment homogène pour chacune des cellules de la pile. Des gouttelettes d’eau liquide risquent d’obstruer les canaux d’écoulement ou les couches de diffusion, ce qui conduit à des variations dans les tensions de cellules.

Dans le second cas, une sur-stœchiométrie en air, couplée à des gaz réactifs insuffisamment humidifiés, peut assécher le cœur de pile et entraîner une augmentation des pertes ohmiques, limitant la migration des protons à l’intérieur de la membrane électrolytique. Un débit d’air élevé amène une meilleure répartition des gaz réactifs dans les canaux de distribution, induisant également une augmentation de la concentration en oxygène dans la couche catalytique qui permet d’améliorer les performances de la PAC. Il est à noter qu’une variation importante et brutale du débit peut entraîner le déchirement de la membrane électrolytique, dû à une variation de pression dans le compartiment cathodique.

Circuit de refroidissement

Le circuit de refroidissement est essentiel dans le fonctionnement des PEMFC. En effet, une diminution du débit d’eau de refroidissement peut conduire à une répartition non uniforme de flux au travers des canaux, provoquant une surchauffe locale. L’augmentation de la température de la PAC pendant une durée réduite peut entraîner l’érosion de la surface active et créer des points chauds. La génération excessive de chaleur peut aussi provoquer le déchirement de la membrane, voire son inflammation [KUN 12, LAG 13, MAT 13].

À haute température, les matériaux de la membrane dans la couche catalytique peuvent ne pas être totalement hydratés. La conductivité de la membrane et la surface active du catalyseur diminuent en raison de la réduction de l’humidité relative des gaz de réaction et de celle de la teneur en eau de la membrane. Lorsque la température augmente, il y aura un plus grand taux d’évaporation de l’eau. Lorsque la température atteint une valeur critique où la quantité d’eau évaporée est supérieure à la quantité d’eau produite, la membrane commence à s’assécher.

Le ralentissement de la pompe du circuit de refroidissement, un problème au niveau des échangeurs primaire ou secondaire, ou encore un problème de contrôle/ commande sont à l’origine de tels dysfonctionnements.

Circuit électrique

La pile à combustible est un générateur fort courant, à basse tension. Il est donc nécessaire de développer des convertisseurs de puissance spécifiques afin de réguler la tension au niveau imposé par la charge.

En effet, la tension est dépendante du courant demandé, mais aussi de la température, des pressions partielles des gaz réactifs, de l’hygrométrie, des stœchiométries et de l’état de vieillissement de la pile. Une PAC peut subir de fortes contraintes lors d’une utilisation dans des applications transports. Si elle n’est pas hybridée, elle fonctionne toujours à un état de charge fortement variable, la puissance demandée suit celle requise au niveau de la chaîne de traction électrique. Si une hybridation existe, la demande de puissance au niveau de la pile à combustible ne sera pas directement corrélée à celle de la chaîne de traction, mais n’en demeurera pas moins variable.

Les défauts du convertisseur peuvent être liés au contrôle-commande mais également à la défaillance d’un composant physique du convertisseur. En effet, plusieurs travaux [BRY 11, CHA 10, KUL 10, WAN 13a, WAN 13b, WAN 14, YAO 13] montrent que les condensateurs électrolytiques et les dispositifs semi-conducteurs du convertisseur se dégradent plus rapidement que les autres composants. La dégradation dans ces composants exerce une influence considérable sur l’efficacité opérationnelle des convertisseurs DC/DC. Elle provoque une diminution de la tension en sortie du convertisseur vers une valeur en dessous des spécifications, et peut éventuellement conduire à une panne ou à une défaillance sur le système entier. La situation la plus défavorable est le court-circuit. Dans ce cas, une élévation de température excessive au sein du cœur de pile amènerait des dégradations irréversibles en quelques secondes [SAN 14a].

Circuit de commande

Un facteur important à prendre en compte dans la dynamique du contrôle est la diversité des constantes de temps qui s’appliquent à la PEMFC (constantes de temps fluidique, thermique et électrochimique différentes). Le temps de réponse de la pile est limité par les contraintes sur le débit des gaz, la pression anodique et cathodique, la température et la gestion hydrique. Le superviseur doit s’assurer en permanence que les conditions opératoires de ces paramètres soient optimales. Le contrôle commande du système doit pouvoir être fiable et robuste (les auxiliaires créent beaucoup de perturbations lors des phases transitoires et de défauts) et doit s’adapter à l’état de dégradation du cœur de pile. De plus, il est préférable de faire appel à des capteurs non intrusifs afin de limiter les perturbations dans le cœur de PAC, notamment au niveau des écoulements fluidiques.

Des méthodes non intrusives de diagnostic doivent donc être intégrées pour avoir un contrôle commande évolutif.

La figure 4.2 présente une synthèse des facteurs opérationnels influençant la fiabilité dans une PEMFC [KUN 06]. Il convient de noter que même si les dégradations considérées ont des causes différentes et impliquent différents éléments, les conséquences sont toujours une perte de puissance, une instabilité et une diminution de la durée de vie dans la pile.


Représentation des modes de défaillance dans une PEMFC

Figure 4.2. Représentation des modes de défaillance dans une PEMFC

 

1.2 Diagnostic

 

Nous avons listé de manière non exhaustive les dégradations et défaillances pouvant être mises en jeu sur un cœur de PAC ou un système PAC. Le but principal du diagnostic est d’identifier la cause probable de la, voire des défaillances, à l’aide d’un raisonnement logique fondé sur un ensemble d’informations provenant d’une inspection, d’un contrôle ou d’un test de maintenance [AFN 88].

 

De manière générale, l’apparition d’une faute sur un équipement du système peut générer une défaillance, c’est-à-dire une perte de fonction du système, qui n’est alors plus dans son fonctionnement normal. Afin de déterminer si un système remplit correctement ses objectifs, il est nécessaire de surveiller de manière précise son fonctionnement à l’aide de capteurs positionnés stratégiquement ou à l’aide d’indicateurs. Cette surveillance permet de détecter le passage du système en fonctionnement anormal [RIB 09]. Pour un système PAC, les grandeurs mesurables sont nombreuses : débits, pressions, températures, hygrométries, tensions individuelles, courant, et même les paramètres internes de la PAC. Il est évident que l’utilisation de l’ensemble de ces capteurs permettrait d’établir un diagnostic performant. Néanmoins, nous souhaitons développer des solutions techniquement et économiquement viables et éviter tant que faire se peut l’introduction de capteurs intrusifs qui pourraient perturber le fonctionnement de la PAC. Dans [HIS 06], une classification des grandeurs mesurables sur un générateur PAC est proposée (tableau 4.1). Pour le développement d’outils de diagnostic, nous utiliserons soit la mesure de la tension de la PAC, soit les mesures des tensions cellules, soit les résultats obtenus lors des caractérisations dynamiques du stack (spectroscopie d’impédance).


 

Grandeurs mesurables sur un générateur PAC [HIS 06]

 

Tableau 4.1. Grandeurs mesurables sur un générateur PAC [HIS 06]

 

Nous nous focalisons sur les données issues de la PAC qui peut être vue comme un capteur elle-même. En effet, un défaut survenant sur un ou plusieurs composants auxiliaires a des répercussions sur le fonctionnement du cœur de PAC. Les dégradations, fautes ou défaillances peuvent être détectées à l’aide du stack [CAD 14].

Dans ce contexte, nous menons depuis de nombreuses années des travaux de recherche relatifs au sujet du diagnostic. Ces activités s’appuient notamment sur le projet ANR DIAPASON2 et la thèse d’Élodie Pahon [PAH 15a]. L’objectif principal de la thèse était de capitaliser les approches de diagnostic de PAC considérées depuis 2005 au sein de notre équipe. Dans le même cadre, le projet ANR DIAPASON2 a permis d’ouvrir la voie à la réalisation de systèmes embarqués de diagnostic.

Nous allons proposer, dans une première partie, un aperçu des méthodes de diagnostic appliquées aux PAC avant de présenter en un deuxième temps les méthodes développées dans le cadre de la thèse d’Élodie Pahon [PAH 15b] et le projet ANR DIAPASON2. La dernière partie sera consacrée aux résultats obtenus avec ces méthodes.

1. Méthodes de diagnostic applicables aux piles à combustible

Notre objectif n’est pas de proposer un état de l’art mais plutôt de présenter les nombreuses méthodes de diagnostic applicables aux PAC. Elles reposent surtout sur la connaissance du système et se basent sur les données ou signaux issus du système PAC. Pour ces techniques, il est important de mener de nombreuses campagnes expérimentales permettant d’obtenir des références en fonctionnement normal de la PAC (comportement nominal) et/ou en fonctionnement anormal (comportement en présence de fautes). Cette référence est représentée soit par un historique ou une expérience, soit par un modèle connu ou estimé du comportement du système [RIB 09]. Une classification de ces méthodes est proposée à la figure 4.3. Nous ne développerons pas les méthodes basées sur la connaissance (systèmes à base de règles, AMDEC, arbres de défaillances, etc.) car elles sont peu ou pas utilisées pour les PAC.

Deux voies se sont développées pour le diagnostic de piles à combustible : celle basée sur un modèle et celle basée signal ou sur la reconnaissance de formes. La première compare les valeurs de variables mesurées à celles prévues par un modèle physique, comportemental (boîte noire) ou hybride (boîte grise). Les modèles physiques prennent en compte explicitement les phénomènes régissant le système, simplifiant le processus de diagnostic, mais ils nécessitent la connaissance des valeurs de paramètres internes dont la mesure est difficile et/ou requiert des capteurs dédiés. Or, ces capteurs complexifient le stack et le système, augmentant son coût et diminuant sa fiabilité. Les modèles boîte noire n’ont, quant à eux, besoin ni d’une connaissance des relations physiques régissant les processus à modéliser ni d’une identification de paramètres internes à la pile. Mais, l’absence de causalité explicite complexifie la localisation des défauts. Les méthodes basées signal, quant à elles, se passent de tout modèle et ne se basent que sur une connaissance a priori et un retour d’expérience. Elles se limitent à une analyse de signaux (tension, courant, etc.).

 

Classification des méthodes de diagnostic

Figure 4.3. Classification des méthodes de diagnostic

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The rights of the authors of this work have been asserted by them in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988.

 

Pour aller plus loin sur le sujet

 

Hybridation, diagnostic

et pronostic de piles à combustible

 

durabilité et fiabilité

Samir Jemeï, Université de Bourgogne Franche-Comté

 

Parmi les différents types de PAC (piles à combustible), l'ouvrage étudie la technologie PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) qui offre des perspectives remarquables pour les applications transports et stationnaires. Néanmoins, de nombreux verrous technologiques et scientifiques restent à lever pour atteindre un niveau industriel de développement.

 

L'ouvrage présente ces verrous et examine les solutions qui permettraient de rendre

cette technologie plus fiable à court terme. 

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Written by Editorial ISTE — February 07, 2019