Sujet de Thèse
Titre :
Estimation de la teneur en eau de la membrane d'une pile à combustible PEMFC
Dates :
2026/03/27 - 2029/03/26
Etudiant :
Encadrant(s) :
Autre(s) encadrant(s) :
AIT ZIANE Meziane (meziane.ait-ziane@univ-lorraine.fr)
Description :
Introduction et contexte :
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) constituent une technologie privilégiée pour la décarbonation du secteur des
transports. Toutefois, leur coût élevé et leur durée de vie, actuellement limitée à environ 20 000 h pour les applications de transport, freinent encore
leur déploiement à grande échelle. Afin de limiter et d'anticiper les phénomènes de dégradation du système, il est essentiel de faire fonctionner la pile
à combustible (PàC) dans des conditions opératoires adéquates. Cela implique notamment le contrôle de l'alimentation en réactifs (air et hydrogène),
une gestion adéquate de l'eau au niveau de la membrane, tout en tenant compte de l'état thermodynamique du système (pression, température,
humidité, \ldots).
La gestion de l'eau dans la membrane est essentielle afin d'éviter la dégradation des performances, voire même l'apparition de défauts irréversibles
[YHMC11]. Une membrane insuffisamment hydratée entraîne une augmentation de sa résistance ohmique et l'apparition du défaut d'assèchement,
tandis qu'un excès d'eau conduit au défaut de noyage au niveau de la cathode [AJB+23], lequel limite la diffusion des réactifs au niveau de la couche
catalytique.
Le système PàC est généralement équipé de capteurs situés au niveau de l'alimentation en réactifs, du circuit de refroidissement et de la partie
électrique, qui sont essentiels pour le contrôle du système. Cependant, certains états internes de la PàC, pourtant déterminants pour l'élaboration de
stratégies de contrôle, ne sont pas directement accessibles en raison de limitations techniques, voire de l'impossibilité de les mesurer. C'est
notamment le cas de la teneur en eau de la membrane [WMGH21]. Il est donc nécessaire d'estimer cet état afin de garantir un fonctionnement
approprié de la PàC.
Dans la littérature, deux approches principales sont généralement utilisées pour l'estimation de la teneur en eau de la membrane : les méthodes basées
sur le modèle et les méthodes basées sur les données. Les approches basées sur les données s'appuient généralement sur des techniques d'intelligence
artificielle, telles que les réseaux de neurones. Cependant, ces techniques nécessitent un volume important de données et leur implémentation en
temps réel pour des applications de transport demeure difficile. En revanche, les méthodes basées sur le modèle, ne requièrent pas un coût de calcul
élevé et conviennent aux applications embarquées en temps réel [CCJ24]. Néanmoins, la qualité de l'estimation dépend fortement de la qualité du
modèle de la PàC, qui est fortement non linéaire, ainsi que de la conception de l'observateur [LLS24].
Objectifs de la thèse :
Cette thèse a pour objectif de développer un observateur non linéaire basé modèle afin d'estimer la teneur en eau de la membrane en temps réel pour
une application de transport. Plus précisément, le travail de doctorat comprendra les tâches suivantes :
- Etablir un modèle non linéaire orienté contrôle de la PàC, ce modèle doit reproduire un comportement acceptable du fonctionnement de la pile à
combustible étudiée. Par conséquent, une étape de validation de ce modèle est nécessaire.
- Développer et synthétiser un observateur non linéaire.
- L'observateur sera validé en temps réel sur un banc d'essai. Les résultats obtenus seront confirmés par des tests d'EIS, en mesurant la résistance de
la membrane.
- Une fois l'observateur validé, une stratégie de gestion de l'eau de la membrane sera développée afin d'assurer de meilleures performances du
système.
Les essais expérimentaux seront réalisés chez GreenGT.
Le sujet traité dans ce projet est de nature multidisciplinaire, englobant à la fois le génie électrique et l'automatique.
Références :
[AJB+23] M. Ait Ziane, C. Join, M. Benne, C. Damour, N. Yousfi Steiner, and M.C. Péra. A new concept of water management diagnosis for a PEM
fuel cell system. Energy Conversion and Management, 285:ID 116986, 2023.
[CCJ24] X. Chi, F. Chen, and J. Jiao. Model-based observer for vehicle proton exchange membrane fuel cell humidity based on adaptive sliding
mode estimation technique. Int. J. of Hydrogen Energy, 52:750-766, 2024.
[LLS24] G. Lance, T. Leroy, and J. Sery. Adaptive extended Kalman filter for PEMFC membrane water content estimation. Int. J. of Hydrogen
Energy, 71:1164-1173, 2024.
[WMGH21] H.Wang, S.Morando, A.Gaillard, andD.Hissel. Sensordevelopmentandoptimization for a proton exchange membrane fuel cell system in
automotive applications. J. of Power Sources, 487:ID 229415, 2021.
[YHMC11] N. Yousfi-Steiner, D. Hissel, P. Moçotéguy, and D. Cantusso. Diagnosis of polymer electrolyte fuel cells failure modes (flooding &
dryingout) by neural networks modeling. Int. J. of Hydrogen Energy, 36:3067-3075, 2011.
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) constituent une technologie privilégiée pour la décarbonation du secteur des
transports. Toutefois, leur coût élevé et leur durée de vie, actuellement limitée à environ 20 000 h pour les applications de transport, freinent encore
leur déploiement à grande échelle. Afin de limiter et d'anticiper les phénomènes de dégradation du système, il est essentiel de faire fonctionner la pile
à combustible (PàC) dans des conditions opératoires adéquates. Cela implique notamment le contrôle de l'alimentation en réactifs (air et hydrogène),
une gestion adéquate de l'eau au niveau de la membrane, tout en tenant compte de l'état thermodynamique du système (pression, température,
humidité, \ldots).
La gestion de l'eau dans la membrane est essentielle afin d'éviter la dégradation des performances, voire même l'apparition de défauts irréversibles
[YHMC11]. Une membrane insuffisamment hydratée entraîne une augmentation de sa résistance ohmique et l'apparition du défaut d'assèchement,
tandis qu'un excès d'eau conduit au défaut de noyage au niveau de la cathode [AJB+23], lequel limite la diffusion des réactifs au niveau de la couche
catalytique.
Le système PàC est généralement équipé de capteurs situés au niveau de l'alimentation en réactifs, du circuit de refroidissement et de la partie
électrique, qui sont essentiels pour le contrôle du système. Cependant, certains états internes de la PàC, pourtant déterminants pour l'élaboration de
stratégies de contrôle, ne sont pas directement accessibles en raison de limitations techniques, voire de l'impossibilité de les mesurer. C'est
notamment le cas de la teneur en eau de la membrane [WMGH21]. Il est donc nécessaire d'estimer cet état afin de garantir un fonctionnement
approprié de la PàC.
Dans la littérature, deux approches principales sont généralement utilisées pour l'estimation de la teneur en eau de la membrane : les méthodes basées
sur le modèle et les méthodes basées sur les données. Les approches basées sur les données s'appuient généralement sur des techniques d'intelligence
artificielle, telles que les réseaux de neurones. Cependant, ces techniques nécessitent un volume important de données et leur implémentation en
temps réel pour des applications de transport demeure difficile. En revanche, les méthodes basées sur le modèle, ne requièrent pas un coût de calcul
élevé et conviennent aux applications embarquées en temps réel [CCJ24]. Néanmoins, la qualité de l'estimation dépend fortement de la qualité du
modèle de la PàC, qui est fortement non linéaire, ainsi que de la conception de l'observateur [LLS24].
Objectifs de la thèse :
Cette thèse a pour objectif de développer un observateur non linéaire basé modèle afin d'estimer la teneur en eau de la membrane en temps réel pour
une application de transport. Plus précisément, le travail de doctorat comprendra les tâches suivantes :
- Etablir un modèle non linéaire orienté contrôle de la PàC, ce modèle doit reproduire un comportement acceptable du fonctionnement de la pile à
combustible étudiée. Par conséquent, une étape de validation de ce modèle est nécessaire.
- Développer et synthétiser un observateur non linéaire.
- L'observateur sera validé en temps réel sur un banc d'essai. Les résultats obtenus seront confirmés par des tests d'EIS, en mesurant la résistance de
la membrane.
- Une fois l'observateur validé, une stratégie de gestion de l'eau de la membrane sera développée afin d'assurer de meilleures performances du
système.
Les essais expérimentaux seront réalisés chez GreenGT.
Le sujet traité dans ce projet est de nature multidisciplinaire, englobant à la fois le génie électrique et l'automatique.
Références :
[AJB+23] M. Ait Ziane, C. Join, M. Benne, C. Damour, N. Yousfi Steiner, and M.C. Péra. A new concept of water management diagnosis for a PEM
fuel cell system. Energy Conversion and Management, 285:ID 116986, 2023.
[CCJ24] X. Chi, F. Chen, and J. Jiao. Model-based observer for vehicle proton exchange membrane fuel cell humidity based on adaptive sliding
mode estimation technique. Int. J. of Hydrogen Energy, 52:750-766, 2024.
[LLS24] G. Lance, T. Leroy, and J. Sery. Adaptive extended Kalman filter for PEMFC membrane water content estimation. Int. J. of Hydrogen
Energy, 71:1164-1173, 2024.
[WMGH21] H.Wang, S.Morando, A.Gaillard, andD.Hissel. Sensordevelopmentandoptimization for a proton exchange membrane fuel cell system in
automotive applications. J. of Power Sources, 487:ID 229415, 2021.
[YHMC11] N. Yousfi-Steiner, D. Hissel, P. Moçotéguy, and D. Cantusso. Diagnosis of polymer electrolyte fuel cells failure modes (flooding &
dryingout) by neural networks modeling. Int. J. of Hydrogen Energy, 36:3067-3075, 2011.
Mots clés :
Pile à combustible PEMFC, Observateurs, Teneur en eau de la membrane
Département(s) :
| Contrôle Identification Diagnostic |