’intérêt porté au déploiement sur le marché de la technologie PàC connaît actuellement une croissance notable qui se poursuivra sûrement dans les années à venir. De nombreuses équipes de recherche et développement voient déjà la PàC comme substitut du moteur thermique dans les prochaines décennies. Pour preuve, un grand nombre d’industriels dans les secteurs de l’automobile (PSA par exemple), de la production de l’énergie électrique (comme EDF ou AREVA) investissent dans le développement de cette technologie, se proposant ainsi de participer à la recherche de solutions aux problèmes de consommation d’énergie et de pollution par les énergies fossiles.
Cependant, avant de pouvoir commercialiser à grande échelle les PàC, il est nécessaire de connaître parfaitement les relations qui lient performances, durée de vie, dégradations et apparitions de défauts. Les phénomènes physiques en rapport sont souvent complexes et nécessitent des moyens de mesure ou de diagnostic particuliers afin de mettre en lumière la (ou les) cause(s) de défaillance(s) ainsi que son (ou ses) impact(s). Les informations recueillies doivent permettre une meilleure compréhension des phénomènes physiques et se traduire à terme par un contrôle/ commande plus simple ou tolérant aux fautes ainsi que par la conception d’éléments plus performants.
Dans la première partie de ce chapitre, nous introduirons les besoins d’un système de diagnostic pour une application PàC. Pour cela, nous détaillerons les différentes dégradations et défaillances qui peuvent subvenir au cours de la durée de vie du générateur électrique. L’origine des dégradations est divisible en deux types : les premières sont liées à une mauvaise utilisation du système, par exemple à une température de fonctionnement trop importante. La seconde cause découle du vieillissement naturel du système et de ses composants, comme par exemple la corrosion du carbone induite par l’environnement acide et humide à l’intérieur de l’assemblage.
La seconde partie sera consacrée aux stratégies de diagnostic. Nous ne détaillerons pas toutes les stratégies de diagnostic mais seulement celles pouvant être transposées à l’application PàC. Nous donnerons au travers d’exemples simples les atouts et inconvénients des approches retenues. Enfin, le choix d’une des stratégies sera proposé et constituera la base pour les travaux de diagnostic de cette thèse.
La stratégie de diagnostic choisie, il faudra ensuite retenir l’outil (la méthode expérimentale) qui permettra d’extraire le maximum d’informations tout en minimisant l’instrumentation, les perturbations sur le comportement de la PàC, le coût ainsi que la complexité de mesure. Dans la troisième partie, un large panel des moyens expérimentaux appliqué à la PàC est ainsi proposé. Nous examinerons plus en détails chacune des méthodes et comparerons leurs intérêts respectifs pour le diagnostic de PàC.
Finalement, l’action de diagnostic se complète par le traitement du signal de mesure et de l’information contenue. Encore une fois, plusieurs solutions sont envisageables. Il y a tout d’abord les approches par modèles (analytique, semi-empirique ou boîte noire) ou par traitement de l’information (statistique, logique, probabiliste, mesure(s) idoine(s)). Ici, nous nous attarderons sur plusieurs travaux de recherches qui s’articulent autour des thématiques citées ci-dessus. La comparaison des diverses approches doit nous permettre de choisir, en fonction de la stratégie et de l’outil de diagnostic, une technique de traitement de la mesure.
1- Intérêt d’un système de diagnostic pour une application
PàC.
Au-delà des difficultés technologiques (rendements énergétiques, puissance et énergie spécifiques et stockage de l’hydrogène) et économiques (coût de fabrication, coût des auxiliaires…) qui sont les plus considérées habituellement au niveau des systèmes PàC à membranes échangeuses de protons, la dégradation des différents constituants au cours du temps en relation avec les sollicitations de différentes origines imposées au système constitue un handicap par rapport aux convertisseurs d’énergie plus traditionnels connus à ce jour. Afin d’être viable économiquement, la durée de vie d'une PàC dans le cadre d’une application automobile est évaluée à 6000 heures, tandis que la plupart des prototypes actuels aux niveaux de puissance significatifs ont une espérance de vie expérimentale comprise entre quelques centaines d’heures et 2500 heures [Wah07],[Har05].
Les défaillances les plus importantes intervenant sur un empilement de cellules de type PEM se situent principalement au niveau de la membrane. Avec des propriétés matérielles antagonistes (utilisation de matériaux poreux devant être imperméables au gaz réactif), le micro polymère perfluorosulfoné constituant la membrane ne permet pas l’étanchéité parfaite entre les compartiments. Le passage de dihydrogène et de dioxygène à travers la membrane rend possible la réaction directe entre ces deux gaz. Le dégagement de chaleur provoqué par
la réaction d’inflammation de l’hydrogène avec l’oxygène crée des points chauds qui détruisent physiquement les micropores de la membrane et augmentent la perméation des gaz réactifs à travers la membrane [Mit06]. L’accroissement du passage de molécules de gaz à travers la membrane induit des dégâts plus prononcés, qui à leur tour permettent un passage des gaz réactifs plus important à travers la membrane, et ainsi de suite. Cet effet « boule de neige » conduit petit à petit à une rupture de la membrane (impliquant son remplacement)
[Sch08].
Cependant les dégradations de la membrane ne sont pas dues exclusivement au passage de gaz réactif à travers la membrane. Les conditions opératoires jouent un rôle capital dans la vitesse de dégradation et donc dans la réduction de la durée vie de la membrane et des composants de la PàC en général. L’amélioration de la gestion du système PàC via la détection et l’isolation des conditions dégradantes pourrait permettre de contourner, du moins en partie, la contrainte sur la durée de vie. La mise en place de mesures expérimentales idoines couplées à une analyse fine des résultats joue un rôle critique dans la détection et l’isolation de ces défauts.
2- Synthèse des conditions dégradantes pour les différents
constituants de la PàC.
Les causes dégradantes sont de natures diverses et provoquées principalement par les conditions opératoires. L’impact de chaque paramètre sur l’amplitude de la dégradation du composant n’est pas équivalent. Il est intéressant de considérer les différentes sources de dégradations et leurs impacts sur les matériaux. On distinguera deux types de dégradations possibles. D’abord, les dégradations réversibles qui n’impactent pas la durée de vie des composants. Généralement, une modification des conditions opératoires s’avère suffisante pour retrouver les performances électriques initiales. Par opposition à la première catégorie de dégradations, les dégradations irréversibles sont souvent accompagnées d’une modification physique et structurelle définitive des matériaux. Ce type de dégradation affecte directement la durée de vie des éléments. Tous les défauts susceptibles d’affecter la PàC ont pour même conséquence d’abaisser le potentiel des électrodes et donc le rendement énergétique du système PàC. Toutefois, la chute de tension constatée ne permet pas de déterminer l’origine du défaut. Des mesures supplémentaires doivent être effectuées pour isoler la cause du défaut.