Diagnostic d’une pile à combustible PEMFC par mesure non invasive de champs magnétiques Vers la Identification du mode de fonctionnement Helen BARBOZA DA SILVA CSI – 13 Septembre 2019 Encadrants M. Gilles CAUFFET M. Yann BULTEL M. Olivier CHADEBEC M. Sébastien ROSINI Directeur de thèse Co- directeur de thèse Co- directeur de thèse Co-encadrant •1 Plan I – Contexte II - Contexte théorique Modélisation du problème direct Modélisation du problème inverse III - Objectifs et méthodes de recherche Etude Expérimentale – Fil infini Etude Expérimentale – Simulateur de pile à combustible Approche Initiale Par la Spectroscopie d’Impédance VI - Conclusions et perspectives •2 Plan I – Contexte II - Contexte théorique Modélisation du problème direct Modélisation du problème inverse III - Objectifs et méthodes de recherche Etude Expérimentale – Fil infini Etude Expérimentale – Simulateur de pile à combustible Approche Initiale Par la Spectroscopie d’Impédance VI - Conclusions et perspectives •3 Les Piles à combustible Les stacks sont sujets à plusieurs défauts Défauts réversibles : Généralement globaux 2D • Noyage et Assèchement. Défauts irréversibles : Généralement locaux 3D • Corrosion du carbone; • Dégradation locale de la membrane. Besoin de nouveaux outils de diagnostic Donner des informations locales; Sans interférer dans la pile à combustible; Paramétrisation du champ magnétique et de la densité de courant Méthodes de diagnostic par la mesure directe ou indirecte de la densité du courant Invasives - Carte S++; Non invasives - Mesure du champ magnétique externe. •4 Les applications des piles à combustible Stationnaires Applications Portables Marché automobile Association avec les énergies intermittentes Portables Embarquées 1W 10W 100W 1kW 10kW 100kW •5 Plan I – Contexte II - Contexte théorique Modélisation du problème direct Modélisation du problème inverse III - Objectifs et méthodes de recherche Etude Expérimentale – Fil infini Etude Expérimentale – Simulateur de pile à combustible Approche Initiale Par la Spectroscopie d’Impédance VI - Conclusions et perspectives •6 Outil de diagnostic basé sur l'analyse du champ magnétique externe La densité de courant interne crée un champ magnétique externe Modèle magnétique direct Modèle électrocinétique direct Propriétés électriques et Conditions de fonctionnement Champ magnétique Densité de courant Modèle magnétique inverse Avantages Informations locales sur la densité du courant. Aucune pertubation sur le fonctionement du stack •7 [1] M. L. Ny, 2012, “Diagnostic non invasif de piles à combustible par mesure du champ magnétique proche,” phd thesis, UGA. [2] Lyes Ifrek 2018, “Identification des defaults d’une pile à combustible par la mesure du champ magnétique externe: vers la determination de defaults locaux”,Thése UGA. Plan I – Contexte II - Contexte théorique Modélisation du problème direct Modélisation du problème inverse III - Objectifs et méthodes de recherche Etude Expérimentale – Fil infini Etude Expérimentale – Simulateur de pile à combustible Approche Initiale Par la Spectroscopie d’Impédance VI - Conclusions et perspectives •8 Etude Expérimentale – Fil Infini Bloc de graphite + plaques terminales Vrai pile Fil + Plan de capteurs Coulissant Simulateur de pile •9 Modèle Direct - Validation experimentale Résultats d’identification de la signature magnétique Fil Infini Laboratoire/Fil_Dec Simulation/Fil_Dec 1,50E-06 1,50E-06 1,00E-06 1,00E-06 5,00E-07 5,00E-07 0,00E+00 0,00E+00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 -5,00E-07 -5,00E-07 -1,00E-06 -1,00E-06 -1,50E-06 -1,50E-06 Bu_1A_M Bu_1A_S Simulation et Manip Bu 1,50E-06 1,00E-06 5,00E-07 0,00E+00 -5,00E-07 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 -1,00E-06 -1,50E-06 Bu_1A_S Bu_1A_M • 10 Formulation du problème inverse - fil infini Problème inverse avec différents courants SIMULATION - Bu SIMULATION - Buw Courant - Méthode Inv. Courant - Méthode Inv. I_1A 1A I_1A 1A I_2A 2A I_2A 2A I_5A 5A I_5A 5A Laboratoire - Bu Laboratoire - Buw Courant - Méthode Inv. Courant - Méthode Inv. I_1A 0.9753A I_1A 0.9753A I_2A 1,9473A I_2A 1,9473A I_5A 4,8888A I_5A 4,8888A • 11 Bilan sur cette etape Étude de la théorie de l'électromagnétisme et problème inverse Etude expérimentale Prise en main des outils Compréhension de l’environnement magnétique • 12 Simulateur de pile en trois configurations Bloc de graphite complet Bloc avec défaut 76% du bloc complet Bloc avec défaut 97% du bloc complet + • 13 Diagnostic par la mesure du champ magnétique Les points forts de la technique Non invasive : Car les capteurs sont autour de la pile Permet l’identification des défauts locaux et globaux Positions des plans de capteurs Numérotation des capteurs • 14 Modèle Direct - Validation experimentale Résultats d’identification de la signature magnétique Défaut 3D- Petit Iout Iin • 15 Modèle Inverse - Validation expérimentale Résultats d’identification à partir du champ mésure – J Différentiel Courant obtenu avec le modèle direct Courant reconstruit à parti de la mésure du champ magnétique • 16 Approche Initiale Par la Spectroscopie d’Impédance Déphasage entre la perturbation électrique en potentiel d'entrée et signal de sortie en courant. Données de domaine temporel pour le domaine fréquentiel - FFT • 17 Approche Initiale Par la Spectroscopie d’Impédance Stratégies pour la Mesure du Signal Sinusoïdal Fréquence d'échantillonnage Variable et Nombre de Points Constant Fréquence d'échantillonnage Constante et Nombre de Points Variable Schéma Structurel pour la Construction FFT • 18 FFT du Champ Magnétique Cap 11 I = 1A ;fréquence (0.01Hz – 10Hz) fs = 0.01Hz fs = 1Hz fs = 0.1Hz fs = 7Hz fs = 10Hz I = 1A (+/- 0,5A); 1024 points par période ; 8 Périodes • 19 Modèle Inverse - Validation expérimentale Résultats d’identification à partir de la FFT à 20Hz– J Différentiel Mesures mode Alternatif Courant obtenu avec le modèle direct Courant reconstruit à partir de la mesure du champ magnétique • 20 Plan I – Contexte II - Contexte théorique Modélisation du problème direct Modélisation du problème inverse III - Objectifs et méthodes de recherche Etude Expérimentale – Fil infini Etude Expérimentale – Simulateur de pile à combustible Approche Initiale Par la Spectroscopie d’Impédance VI - Conclusions et perspectives • 21 Conclusions Sur la méthode de diagnostic par la mesure du champ magnétique externe Apprentissage des concepts importants pour mettre en routes les outils utilisés Modélisation sur Mipse du modèle direct et inverse Mise en ouvre du modèle direct et inverse sur fil et après sur la fausse pile Formalisation des concepts scientifiques d’électromagnétisme et modelés mathématiques mise en ouvre Validation sur un simulateur de pile à combustible Définition d’un protocole expérimentale Identification de défaut 2D et des défauts 3D Spectroscopie d’Impédance Définition des paramètres pour le calcul de la FFT • 22 Perspectives Couplage de la méthode avec la spectroscopie d’impédance Information sur la nature du défaut local Champ magnétique temporel et fréquentiel Filtrage du bruit Validation sur la vraie pile Adaptation de la méthode sur la vraie pile Sensibilité et robustesse par rapport au bruit Optimisation du système de mesure Nombre de capteurs Nombre de plans de capteurs Positions des capteurs dans le cas embarqué Faire plus de manip avec d’autres défaults Quels défaults pouraient être crees ? • 23 Merci de votre attention • 24 Formulation du problème inverse Choix de la base des courants qui défini n’importe quel courant Projection du champ magnétique sur les axes des capteurs Une relation linéaire directe Résolue par la décomposition en valeurs singulières Ceci est défini aussi comme le caractère mal posé des problèmes inverses se traduisant par Non unicité de la solution Instabilité de la solution par rapport au bruit • 25 Définitions: Mode commun et Modes différentiels Plaques terminales (haute conductivité) Zone Active Boucle de Courant (Mode Différentiel) Courant Pile Défaut (Mode Défaut) Courant Pile Saine (Mode Commun) Caractéristiques Mode commun Mode différentiel Fonctionnement Sain Défaut Caractéristiques du courant Homogène Hétérogène (Boucles internes) Champ magnétique externe Champ fort Champ faible • 26 Détermination de la Valeur de Référence en DC Champ Magnétique obtenu pour un courant de 1A Câble décalé de 6 cm Méthode de mesure +I; -I Le signal du cap 11 sera pris comme paramètre Composante(Br-Bu) Capteur Champ Magnétique (+I;-I) 1 -3,93E-08 2 1,80E-08 3 7,10E-08 4 1,10E-07 5 2,41E-07 6 4,03E-07 7 5,03E-07 8 5,72E-07 9 5,68E-07 10 3,91E-07 11 6,02E-07 12 5,69E-07 13 -1,05E-07 14 -5,77E-07 15 -5,21E-07 16 -3,13E-07 17 -4,49E-07 18 -4,55E-07 19 -4,27E-07 20 -3,68E-07 21 -2,57E-07 22 -1,62E-07 23 -1,39E-07 24 -7,36E-08 • 27