Caractérisation de l’état de fonctionnement d’une pile à combustible PEM par spectroscopie d’impédance électrochimique : application a la surveillance en temps réel du contenu en eau de l’assemblage membrane électrode

par Nicolas Fouquet

Thèse de doctorat en Informatique industrielle et automatique

Soutenue en 2006

à l'Ecole Centrale de Lille .


  • Résumé

    L’objectif de ces travaux est de développer une méthode de diagnostic non invasive capable de donner en temps réel une estimation de l’état de fonctionnement d’une pile à combustible PEM. La méthode proposée se base sur la combinaison d’une approche modèle et de l’exploitation de mesures électriques en régime dynamique. Dans un premier temps, des mesures de spectroscopie d’impédance électrochimique sont réalisées afin de valider un modèle de pile, sous forme de circuit électrique équivalent. Cette étude permet de mettre en évidence la sensibilité des différents paramètres de ce modèle vis-à-vis des deux principales défaillances que l’on cherche à surveiller : noyade et assèchement. Trois facteurs susceptibles de perturber le diagnostic de ces défaillances sont ensuite pris en compte : le vieillissement de la pile, la dilution de l’hydrogène par de l’azote et l’empoisonnement de la cathode par les dioxydes d’azote et de soufre. Au-delà de la simple détection de la noyade et de l’assèchement, cette méthode se montre douée d’une bonne capacité d’isolation des défaillances. L’objectif est ensuite de montrer que cette méthode peut s’accommoder de contraintes automobiles telles l’impossibilité de disposer d’un générateur de signaux sinusoïdaux, couramment utilisé en spectroscopie d’impédance électrochimique, et la nécessité de travailler en temps réel. L’approche consiste à reconstruire une partie du spectre d’impédance de la pile à partir d’une fenêtre temporelle suffisamment étroite pour que le diagnostic ne soit pas significativement retardé. L’identification des paramètres peut alors se faire dans le domaine fréquentiel, suivant un algorithme de Levenberg-Marquardt.

  • Titre traduit

    PEM fuel cell state-of-health monitoring via electrochemical impedance spectroscopy measurements. Application to the real time monitoring of the membrane electrode assembly water content


  • Résumé

    The aim of this work is to develop a method allowing for non intrusive real time state-of-health monitoring of a proton exchange membrane fuel cell. To do so, a model based approach is coupled with voltage and current dynamic measurements. The model used in this study is inspired by the Randles equivalent electrical circuit. It was found that monitoring the evolution of the three resistances of this modified Randles model was an efficient and robust way of monitoring the state-of-health of the fuel cell stack, as far as flooding and drying out is concerned. Three perturbations which could potentially cause false alarm are then investigated : fuel cell aging, cathode poisoning by nitrogen and sulfur dioxyde and hydrogen dilution by nitrogen. The aim is then to show that this method is still operational in an on-board environment, in which pure sinusoidal excitation of the fuel cell is unavailable and real time performance mandatory. The impedance spectrum is thus derived from time resolved EIS measurements on a square signal. Parameters estimation is done in the frequency domain, using a Levenberg-Marquardt algorithm.

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Informations

  • Détails : 1 vol. ( 138 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au 22-06-2011
  • Annexes : Bibliogr. 65 réf.

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