Les activités R&D dans le domaine d’aéronautique sont actuellement guidées par l’évolution actuelle vers des technologies plus efficaces et avec un impact bien moindre sur l'environnement. À cet égard, le développement d’avions plus électriques contribuerait à la réduction de la consommation de combustibles fossiles en intégrant des sources et des convertisseurs d’énergie alternatifs, tels que les piles à combustibles (PàC). Cependant, un système PàC devra se conformer à des contraintes de fiabilité et de sécurité particulières, d’autant plus que l’environnement aéronautique n’est guère clément : potentiellement cyclages en pression et en température, ainsi que des forces mécaniques, plus ou moins forts en termes d’amplitude et de fréquence, agissant dans les trois dimensions. Les vibrations et les chocs mécaniques peuvent notamment entraîner un desserrage brusque ou graduel de la PàC, dégradant ainsi ses performances et pouvant aller jusqu’à une fuite de gaz. Il semble donc important de pouvoir surveiller l’état de serrage mécanique d’une PàC au cours du temps, idéalement de manière non intrusive.
Les résultats présentés dans la littérature indiquent que la qualité du serrage mécanique d’une PàC peut être évaluée à travers sa résistance ohmique (Rohm), plus précisément par sa partie électronique (Re-, formée par les résistances des couches internes de la PàC et les résistances de contact). Dans les conditions nominales de fonctionnement, l’autre partie souvent considérée comme la plus importante de la Rohm – la résistance protonique (RH+, formée par la résistance de la membrane et du ionomère le cas échéant) – ne dépend pas de la force de serrage. Dans les approches classiques, l’imbrication de ces deux résistances de natures différentes empêche une extraction de la Re- sans l’utilisation de capteurs invasifs. Par conséquent, l’estimation de la qualité du serrage mécanique d’une PàC n’est pas aisée.
Au cours de cette thèse, une méthode de diagnostic préventif in situ capable de détecter la dégradation des conditions de serrage d’une PàC par la modélisation de sa résistance ohmique est proposée. Une étude théorique est d’abord réalisée afin de démontrer que les résistances RH+ et Re- peuvent être séparées de la résistante ohmique totale Rohm, à partir de leur dépendance à la température. La méthode de diagnostic est ensuite validée à l’aide de données expérimentales générées lors de la caractérisation de deux PàC à membrane échangeuse de protons : fonctionnant respectivement à basse et à haute température. Quelques différences entre les valeurs identifiées par l’algorithme et celles rapportées dans la littérature sont observées, néanmoins, elles représentent correctement l’état du serrage mécanique de la PàC. Dans l’ensemble, les résultats obtenus sont très encourageants dans le but d’estimer la qualité du serrage mécanique d’une PàC à travers l’évolution de ses RH+ et Re-. |
The aeronautical R&D activities are currently shaped by the issues associated with the pollutant-rich nature of the industry and the current evolution towards more effective and sustainable technologies. In this regard, the development of more electric aircraft would contribute to reducing fossil fuel consumption by incorporating alternative sources and converters of energy, such as Fuel Cells (FCs). However, a FC system would have to comply with particular reliability and safety constraints, especially as the aeronautical environment is not very indulgent: potentially abundant pressure and temperature cycling as well as mechanical forces, varying both in frequency and amplitude, in all three dimensions. Vibrations and shocks can in particular lead to a sudden or gradual loosening of the FC, thus degrading its performance, and possibly provoking a gas leak. It therefore seems important to be able to monitor the tightening state of a FC over time, ideally in a non-intrusive manner.
Results reported in the literature indicate that the quality of the mechanical tightening of a FC assembly might be assessed through its ohmic resistance (Rohm), more precisely through its electronic part (Re-, constituted by the bulk resistances of FC layers and the interfacial contact resistances). In nominal operating conditions, the second and usually considered as the more important part of Rohm – the protonic resistance (RH+, constituted by the membrane and ionomer resistances where appropriate) – does not depend on clamping pressure. In a classical approach, the imbrication of these two resistances (Re- et RH+) of different natures prevents an easy extraction of Re- without the use of invasive sensors and thus an estimation of the quality of the mechanical tightening of a FC assembly.
This thesis proposes an in situ preventive diagnosis method that is capable of detecting the degradation of clamping conditions of a FC through the modelling of its ohmic resistance. A theoretical study is performed and demonstrates that the RH+ and Re- resistances can be separated from the total Rohm, based on their temperature dependence. The proposed method is verified with experimental data generated during the characterization of low and high temperature Polymer Electrolyte Membrane single cells. Although some differences between the values identified by the algorithm and those reported in the literature are observed, they correctly describe the mechanical tightening of the FC. Overall, the obtained results are encouraging in the aim of monitoring the quality of mechanical tightening of a FC through the evolution of RH+ and Re-. |