Contexte de l’étude : diagnostic appliqué à la gestion de l’eau

3.2.7.3/ Ultrasons

La technique de diagnostic par ultrasons est également une technique active. Elle utilise des ondes élastiques dont la fréquence dépasse 2MHz. La technique par ultrason est surtout axée sur la cartographie des défauts. Elle permet de calculer des temps de vol (temps de parcours entre l’émission et la réception du signal envoyé). Elle peut être utilisée soit avec un émetteur et un récepteur séparés soit avec un seul capteur en mode écho servant à la fois d’émetteur et de récepteur. Cette technique ne sera pas traitée dans cette thèse. L’exemple le plus courant de cette technique peut néanmoins être cité car il s’agit de l’échographie médicale.

4/ Contexte de l’étude : diagnostic appliqué à la gestion de l’eau

Les méthodes de diagnostic peuvent être séparées en deux familles distinctes. Il y a tout d’abord le diagnostic basé sur la connaissance experte de l’objet étudié et de la méthode de mesure. C’est le cas notamment des méthodes acoustiques utilisées dans le cadre du projet OMNISCIENTS. Il y a ensuite les méthodes basées sur le développement d’un modèle physique basé sur la connaissance précise des phénomènes physiques ayant lieu au sein de l’objet étudié.

Dans le cas de la gestion de l’eau dans les PEMFC, on cherche à savoir si la quantité d’eau présente dans l’empilement est optimale ou non. En effet, nous avons vu que l’eau, bien qu’étant un produit de réaction, est nécessaire au bon fonctionnement de la pile. Il faut donc veiller à ne pas assécher les membranes et éviter les pertes de conduction ionique des membranes, tout en veillant à ne pas accumuler d’eau dans les couches de diffusion et les canaux, ce qui conduit à un noyage. Il est cependant nécessaire de garder en tête le caractère industriel du développement des piles à combustible. Ces systèmes sont très sensibles et il est donc nécessaire de développer des outils et méthodes de diagnostic non invasives pour conserver les performances.

4.1/ Connaissance experte

Le diagnostic basé sur une connaissance experte consiste à développer une boite noire. En y injectant des données, on peut remonter à des phénomènes se déroulant au sein de la pile. Le développement peut être basé sur différentes approches : une approche statistique, une approche basé sur des réseaux de neurones ou une approche basé sur le traitement du signal⁸⁸. Dans le cas de la gestion de l’eau et des études dont l’objectif est d’augmenter la durée de vie

88 Z. Zheng et al., « A review on non-model based diagnosis methodologies for PEM fuel cell stacks and systems », International Journal of Hydrogen Energy 38, no 21 (2013): 8914‑8926.

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des PEMFC, Steiner et al ont montrés que l’étude d’arbres de défaillances⁸⁹ et de transformées en ondelette des signaux de courant et de tension⁹⁰ permet au cours du fonctionnement de détecter le noyage ou l’assèchement d’un empilement.

Le diagnostic basé sur les boites noires est fondé sur l’étude statistique de nombreuses expériences permettant par la suite de reconnaitre des schémas typique de certains défauts ou phénomènes. Parmi ces études statistiques, on retrouve en acoustique des analyses en composantes principales permettant de classifier les évènements d’émission en plusieurs familles. Ainsi Legros⁸⁵ a pu séparer les évènements d’EA générés par une monocellules en trois familles d’évènements : l’écoulement diphasique, l’écoulement dans les GDL et l’absorption et désorption d’eau dans la membrane.

Les études d’acousto-ultrason et d’émissions acoustiques réalisées durant le projet OMNISCIENTS et présentées dans le chapitre 4 relèvent de cette catégorie de méthodologie de diagnostic.

4.2/ Développement de modèles physique

Le diagnostic basé sur le développement de modèle physique est en règle générale, très précis. Cependant, cette méthode a l’inconvénient d’être complexe et nécessite des moyens informatiques important (temps de calculs très long). Parmi les méthodes de diagnostic développées dans cette famille, il y a notamment le diagnostic par spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE).

Merida et al⁹¹ ainsi que Le Canut et al⁹² ont utilisé la SIE pour discriminer le noyage ou l’assèchement d’assemblages membrane-électrodes (AME). Comparée au fonctionnement optimal, une augmentation de la taille du spectre d’impédance représenté dans le plan de Nyquist a été observée dans des conditions de noyage. Fouquet et al⁵⁹ ont proposé un modèle de mesures d’impédance AC pour contrôler l’état de santé des PEMFC en étudiant les variations des paramètres de circuits équivalent de type Randles comme étant fonction des

89 N.Y. Steiner et al., « Application of Fault Tree Analysis to Fuel Cell Diagnosis », Fuel Cells 12, no 2 (2012): 302– 309.

90 N.Y. Steiner et al., « Non intrusive diagnosis of polymer electrolyte fuel cells by wavelet packet transform », International Journal of Hydrogen Energy 36, no 1 (2011): 740‑746.

91 W. Merida et al., « Characterisation of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) failures via electrochemical impedance spectroscopy », Journal of Power Sources 161, no 1 (2006): 264‑274.

92 J.M. Le Canut, R.M. Abouatallah, et D.A. Harrington, « Detection of Membrane Drying, Fuel Cell Flooding, and Anode Catalyst Poisoning on PEMFC Stacks by Electrochemical Impedance Spectroscopy », Journal of The Electrochemical Society 153, no 5 (2006): A857.

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conditions de noyage ou d’assèchement. Rodat et al93

ont proposé différents circuits en considérant les deux électrodes pour diagnostiquer des PEMFC.

Les travaux réalisés sur la spectroscopie d’impédance dont les résultats seront présentés dans le chapitre 3 relèvent de cette catégorie de méthodologie de diagnostic.

93 S. Rodat et al., « EIS measurements in the diagnosis of the environment within a PEMFC stack », Journal of Applied Electrochemistry 40, no 5 (2009): 911‑920.

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