Diagnostic d'une pile à combustible PEMFC par mesure non invasive de champs magnétiques – Identification du mode de fonctionnement

par Helen Barboza Da Silva

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Gilles Cauffet et de Olivier Chadebec.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de génie électrique (Grenoble) (laboratoire) et de Modèles, Méthodes et Méthodologies Appliqués au Génie Electrique (equipe de recherche) depuis le 03-09-2018 .


  • Résumé

    A ce jour, le diagnostic PEMFC par mesure électrique a largement prouvé son efficacité. Les techniques électrochimiques, telles que la courbe de polarisation, l'interruption de courant et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), ont été couramment utilisées pour le diagnostic des piles à combustible. Les méthodes expérimentales de routine basées sur ces différentes techniques consacrées à l'évaluation de l'état cellulaire sont certes puissantes mais restent insuffisantes pour traiter des aspects hétérogènes des phénomènes de vieillissement en jeu dans la cellule et plus encore au sein d'une pile. Par conséquent, les techniques permettant de mesurer localement les paramètres PEMFC au niveau de la cellule et de la pile présentent un intérêt majeur pour détecter les phénomènes de vieillissement localisés et comprendre les mécanismes de dégradation. Des méthodes non invasives basées sur des mesures du champ magnétique induit par la distribution du courant dans l'empilement ont été proposées pour le diagnostic des empilements PEMFC. La mesure du champ magnétique externe est une technique nouvelle et originale qui consiste à placer les capteurs magnétiques autour de la pile pour mesurer le champ magnétique généré par le courant traversant. Des travaux antérieurs [1] ont révélé une méthode inverse pour déterminer l'état interne d'une pile PEMFC à partir de mesures magnétiques non intrusives. Les résultats de ces travaux ont montré qu'un ensemble de capteurs magnétiques non intrusifs (sans modification du fonctionnement de la pile) peut être intégré aux systèmes PEMFC pour identifier les défauts locaux; cette détection de défaut résulte de l'identification de distributions de densité de courant interne (en utilisant un problème inverse). L'originalité de notre approche est qu'elle nécessite un très petit nombre de mesures de champs magnétiques. Le système de mesure est très facile à réaliser sur une PEMFC en fonctionnement sans encombrer l'environnement. L'avantage majeur est que l'état interne de la pile ne varie pas pendant le temps de mesure. Le faible nombre de capteurs est rendu possible grâce à des hypothèses sur la distribution actuelle et à un choix adéquat de positionnement et d'orientation en fonction des dimensions de la pile. Dans notre étude, les 30 capteurs magnétiques sont fixés sur un seul plan autour de la pile GENEPAC et permettent une mesure instantanée. Ce seul plan de capteurs est déplacé le long de la longueur de la pile pour effectuer des mesures sur les trois emplacements. Dans cette étude, une approche innovante de tomographie magnétique a été proposée afin de reconstituer des failles dans des piles PEMFC. Un réseau de capteurs a été développé et conçu pour être sensible uniquement aux hétérogénéités actuelles. La sensibilité de notre système a été démontrée pour la stœchiométrie de l'air ou les modifications de l'hygrométrie de l'air ainsi que pour les anomalies localisées. La figure 1 montre la distribution de densité de courant reconstruite dans le cas d'un défaut localisé dans le coin supérieur gauche de la pile. Ce défaut local (défaut 3D) a été identifié avec succès et la distribution de densité de courant associée a été calculée par le modèle magnétique inverse.

  • Titre traduit

    Diagnosis of a PEMFC fuel cell by non-invasive measurement of magnetic fields - Identification of the operating mode


  • Résumé

    Up to date, PEMFC diagnosis by electrical measurement has widely proven its efficiency. Electrochemical techniques, such as polarization curve, current interruption, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), have been popularly employed for fuel cells diagnosis. Routine experimental methods based on these different techniques devoted to the evaluation of cell state are certainly powerful, but remain insufficient when dealing with the heterogeneous aspects of the aging phenomena at stake in the cell and even more within a stack. Therefore, techniques allowing local measurement of PEMFC parameters at the cell and stack level, are of major interest to sense localized aging phenomena and understand degradation mechanisms. Non-invasive methods based on measurements of the magnetic field induced by current distribution within the stack have been proposed for PEMFC stack diagnosis. The external magnetic field measurement is a new and original technique, which consists in placing the magnetic sensors around the stack, to measure the magnetic field generated by the current flowing through. Previous work [1] has revealed an inverse method to determine the internal state of a PEMFC stack from a non-intrusive magnetic measurements. The results of this work have demonstrated that a set of non-intrusive magnetic sensors (without change in the stack operation) can be integrated onto the PEMFC systems to identify local default; this fault detection results from the identification of internal current density distributions (using inverse problem). The originality of our approach is that it requires a very small number of magnetic field measurements. The measurement system is very easy to perform on an operating PEMFC without cluttering the environment. The major advantage is that the internal state of the stack does not vary during the measurement time. The low number of sensors is made possible thanks to assumptions on the current distribution and to an adequate choice of positioning and orientation according to the stack dimensions. In our study, the 30 magnetic sensors are fixed on a single plane around the GENEPAC stack and enable an instantaneous measurement. This single plane of sensors is moved along the stack length to perform measurement on the three locations. In this study, an innovative magnetic tomography approach was proposed in order to reconstruct faults in PEMFC stacks. A sensor array was developed and designed to be sensitive only to current heterogeneities. The sensitivity of our system has been demonstrated for air stoichiometry or air hygrometry changes as well as for localized anomalies. The Figure 1 shows the reconstructed current density distribution in the case of a localized fault on the upper left corner of the stack. This local fault (3D fault) has been successfully identified and the associated current density distribution was calculated by the inverse magnetic model.