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Diagnostic d’un stack de piles à combustible par mesure non invasive de champs magnétiques – Identification du mode de fonctionnement

ABG-105270 Thesis topic
2022-05-03 Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
Laboratoire de génie électrique de Grenoble
Grenoble - Auvergne-Rhône-Alpes - France
Diagnostic d’un stack de piles à combustible par mesure non invasive de champs magnétiques – Identification du mode de fonctionnement
  • Engineering sciences
  • Digital
  • Physics
PEMFC, Stack, Diagnostic, Champ Magnétique, Mesure non-invasive

Topic description

Résumé Sujet de Thèse / Contexte
Reposant sur l’utilisation de l’hydrogène, le développement et le déploiement de la technologie pile à combustible (PAC) est aujourd’hui primordial pour disposer d’une énergie non carbonée. Dans ce contexte, il est nécessaire d’améliorer la fiabilité, la disponibilité et la durée de vie des piles à combustible en cherchant à optimiser leur fonctionnement et leur conception. Une solution passe par la détection et l’identification préventive des éventuelles défaillances susceptibles de se produire.

Cette connaissance de l’état de santé d’une pile à combustible passe par le développement de méthodes et d’outils de diagnostic qui soient les moins invasifs possible. Ces méthodes et outils de diagnostic doivent permettre, soit pendant les phases de fonctionnement, soit en phase de maintenance, de détecter et d’identifier de manière rapide et pertinente les différents modes de défaillance d’une pile à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell).

Les travaux précédemment réalisés ont montré la faisabilité d’intégrer aux systèmes PAC un ensemble de capteurs magnétiques non intrusifs (ne modifiant pas le fonctionnement du stack) permettant l’identification, la reconstruction des distributions internes de densité de courant et donc d’identifier de manière locale les dysfonctionnements susceptibles d’apparaître afin de diagnostiquer un défaut de mode de fonctionnement du système.

La mesure de champ magnétique externe est une technique relativement nouvelle et originale, qui consiste, en plaçant des capteurs magnétiques autour du stack, à mesurer le champ magnétique généré par les courants le traversant. Avec des mesures suffisamment pertinentes (nombre, position et précision), il est possible, en résolvant un problème inverse, de retrouver une image locale des courants à partir du champ magnétique et donc de réaliser un diagnostic.

Cette thèse propose de contribuer au développement d’une méthodologie originale d'estimation de l'état de santé d'une pile afin d’atteindre des cibles de performances, de fiabilité, de robustesse des piles à combustible. Elle s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre trois laboratoires Grenoblois (LEPMI, CEA/LITEN & G2ELab).

 

Développement du sujet de thèse
Il s’agira de développer un outil et une méthodologie innovante et non invasive permettant de déterminer avec précision l’état de santé d’une pile de technologie PEMFC par la mesure du champ magnétique externe. Le travail de thèse devra permettre de traiter cette problématique à différents niveaux :

  • Développement de méthodologies permettant la reconstruction de grandeurs électriques et physicochimiques internes à la pile à partir de mesures magnétiques externes,
  • Analyses des données issues de campagnes de mesure réalisées de 2021 et 2022.
  • Optimisation du système de capteurs en prévision du transfert industriel.

Développement de méthodologies permettant la reconstruction de grandeurs électriques et physicochimiques internes à la pile à partir de mesures magnétiques externes

  • Mise au point d’une méthode de reconstruction de la distribution de densité de courant par mesure de champ magnétique externe sur Stack PEMFC. Le but de cette étape consiste au développement d’une méthode de résolution du problème inverse qui à partir de ces mesures de champs magnétiques externes permet de calculer une carte de distribution des densités de courant représentative du fonctionnement du stack. Cette démarche a permis de dégager des résultats très intéressants en régime statique. Il faut désormais étudier le régime fréquentiel pour extraire d’autres caractéristiques plus proches de celles recherchées par les électrochimistes.
  • Intégration de la spectrométrie d’impédance  : L’idée est d’intégrer une approche comparable à la spectrométrie d’impédance électrochimique couramment utilisée pour la caractérisation des systèmes électrochimiques. Cela consistera à superposer un régime alternatif au régime Statique et identifier la réponse de la pile (les distributions de courant) en alternatif. Disposant ainsi sur chaque cellule de la mesure de tension, une impédance équivalente pourra ainsi être déterminée.

Analyses des données issues des campagnes de mesure de 2021 et 2022

  • A ce jour, le projet ANR LOCALI, qui se termine en juin 2022 a permis de réaliser 2 campagnes de mesure sur une PAC. La première campagne a permis de définir une configuration de référence sur une pile saine "sans défaut" alors que la 2ième campagne de mesure a porté sur l’étude de cette pile avec un défaut connu sur une zone déterminée. Pour chacune des expérimentations, des mesures statiques mais aussi alternatives ont été réalisées. Ces jeux de mesures seront utilisés pour valider les outils développés dans la première étape.

Optimisation du nombre de capteurs.
La démarche actuelle de reconstruction des distributions de densité de courant s’appuie sur un ensemble de plusieurs capteurs dont les positions ont été déterminées empiriquement. Le but de cette étape consiste à réduire ce nombre de capteurs tout en maintenant une bonne qualité de reconstruction. Plusieurs axes pourront ainsi être explorés :

  • L’exploitation des mesures réalisées avec les points de mesure actuels mais en réduisant le nombre de capteurs utilisés.
  • La mise en œuvre de méthodes d’optimisation afin de trouver des localisations optimales. Cette approche pourra donner lieu à de nouvelles campagnes de mesures.

Conditions d’accompagnement et collaborations
Le doctorant sera accueilli au G2Elab au sein de l’équipe MAGE. Il bénéficiera ainsi des compétences de l’équipe en modélisation électromagnétique mais aussi du savoir-faire en métrologie magnétique de l’ERT Champ magnétique faible. Le G2Elab dispose actuellement de tout l’équipement informatique et métrologique nécessaire pour mener à bien le travail. La thèse sera également co-encadrée par des chercheurs du LEPMI qui apporteront leurs compétences sur les stacks de piles à combustible. Des synergies avec le laboratoire Liten du CEA Grenoble seront également possibles dans le cadre de campagnes expérimentales réalisées sur des stacks industriels.

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

bourse Ecole doctorale

Presentation of host institution and host laboratory

Laboratoire de génie électrique de Grenoble

Le Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2Elab, Univ. Grenoble Alpes, CNRS) est un acteur
important dans le domaine de la recherche en Génie Électrique au niveau français et international.
Avec plus de 100 personnels permanents, 100 doctorants et 50 masters, ses recherches couvrent
l'ensemble du spectre d'applications du Génie Electrique, des matériaux aux systèmes, des actionneurs
aux procédés, des micro systèmes aux grands réseaux d'énergie.
L’équipe MAGE (Modèles, Méthodes et Méthodologies Appliqués au Génie Electrique) développe
des travaux de recherche autour de la modélisation, de l’optimisation et plus largement de la
conception des composants et des systèmes du génie électrique. L’équipe est à l’origine de logiciel
FLUX dédié au calcul de champs électromagnétiques « basse fréquence ». Elle héberge également
l’Equipe de Recherche Technologique « champs magnétiques faibles » (ERT-CMF) qui vise à étudier les
champs magnétiques de faibles niveaux, continus et basses fréquences, dans un contexte de
caractérisation des sources avec des enjeux de réduction, de contrôle ou d'exploitation des signatures

 

 

PhD title

spécialité Génie électrique

Country where you obtained your PhD

France

Institution awarding doctoral degree

UNIVERSITE GRENOBLE ALPES

Graduate school

61-63 EEATS (Electrical Engineering),

Candidate's profile

  • EEA - Génie Electrique - Génie des Procédés
  • Bon sens Physique
  • Modélisation en électromagnétisme
  • Mesures magnétiques
  • Méthodes numériques
  • Analyses de données
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