OMNISCIENTS. Présentation du projet et de son état d avancement

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1 OMNISCIENTS Outils de Maintenance conditionnelle Non Invasifs pour Système pile à Combustible Industriel en ENvironnement Transport et Stationnaire Sébastien ROSINI CEA LITEN Franck MASSET PSA Peugeot Citroën (coordinateur) Présentation du projet et de son état d avancement

2 Coordinateur : PSA Peugeot Citroën Organismes de recherche : CEA, LEPMI, G2ELAB Entreprises : HELION, EPA (Groupe MISTRAS) Projet labélisé par le(s) pôles(s) de compétitivité : Tennerdis, Véhicule du Futur Budget (M ) Aide (M ) Nombre de personnes.ans 2,133 0,767 9,1 Date de démarrage : 01/01/2010 Date de fin : 31/12/2012

3 Contexte et objectifs Le projet OMNISCIENTS se propose de développer, d expérimenter et de valider des outils et méthodes innovants et non invasifs qui permettront d estimer l état de santé d une pile de technologie PEMFC. Le projet OMNISCIENTS, en proposant le développement d'une méthodologie d'estimation de l'état de santé d'une pile PEM, permet ainsi de contribuer à l atteinte des cibles de performances, de fiabilité, de robustesse et de coût des systèmes pile à combustible.

4 Défis scientifiques et techniques Défis scientifiques : Développement de méthodologies permettant la reconstruction de grandeurs électriques et physico-chimiques internes à la pile : à partir de mesures acoustiques, À partir de mesures magnétiques externes, Reconstruction de la cartographie des densités de courant à partir de l inversion de la mesure du champ magnétique périphérique L identification de signatures acoustiques caractéristiques de l état de fonctionnement (noyage, assèchement) de la pile dans les domaines sonores et ultra-sonores Défis techniques : Implantation de l instrumentation requise sur des piles «industrielles» (design existant) Validation expérimentale des méthodologies sur de petits assemblages testés sous profils d exploitation stationnaire et transport en environnement laboratoire (robustesse des méthodologies à l architecture de pile et au type de sollicitation), Application à des systèmes de puissance industriels exploités dans des conditions représentatives de la réalité (perturbations possibles générées par l environnement système).

5 Résultats majeurs escomptés Développement et validation de 2 méthodologies de diagnostic de «l état de santé» d une pile à combustible à partir de mesures non intrusives : Mesures acoustiques, Mesures de champ magnétique externe. Utilisation de ces mesures de «diagnostic pile» pour améliorer le pilotage d un système pile : Réduire l occurrence de conditions dans lesquelles les performances sont réduites améliorer le rendement des systèmes pile Réduire et/ou éviter l apparition de situations de vie dégradantes pour la pile améliorer la durée de vie de la pile. Exploitation : Définir les opérations de maintenance conditionnelle et prédictive d une pile de type PEMFC. Augmenter la durée de vie et le rendement de systèmes pile à combustible, et réduire leur coût d exploitation par la mise en place d une stratégie de maintenance conditionnelle.

6 Programme de travail et jalons Tâche 1 : 100% Tâche 2 : 100% Jalon J1 : passé le 07/10/2011 Tâche 3 : 30% Tâche 4 : 0% Tâche 5 : 0%

7 Tâche 1 : Objets expérimentaux Avancement : 100% Définition des protocoles d essais Sous contrainte stationnaire Sous contrainte transport Dimensionnement et assemblage des piles pour l ensemble du projet. Pile instrumentée d une carte de mesure des densités de courant Pile instrumentée pour la mesure d acousto-ultrasons Cycles de sollicitations automobiles

8 Tâche 2 : développement des méthodologies Principe de la méthodologie magnétique Difficultés Du fait de la géométrie des plaques bipolaires ou de l apparition de défaillances, la distribution de la densité de courant sur la surface active n est pas homogène. Cette hétérogénéité se retrouve dans le champ magnétique rayonné par la pile. A partir de la mesure du champ périphérique et par inversion d un modèle électromagnétique, il est possible de reconstruire la cartographie des densités de courant. S il est mal posé, le problème d inversion aboutit à des résultats aberrants. L amplitude des hétérogénéités que l on cherche à mesurer est faible (qq %) par rapport au courant moyen. Avancement : 100% Redistribution de la densité de courant dans le cas d un assèchement (à gauche) et d une baisse de stoechiométrie (à droite) Simulation d un stack de 3 cellules

9 Tâche 2 : développement des méthodologies Avancement : 100% Principe de la méthodologie acoustique En fonction de l état et notamment du contenu en eau de l assemblage membrane électrodes, l impédance acoustique évolue. Il est donc possible d associer à chaque type de défaillance une signature acoustique qui permet de d identifier la cause du problème. Difficultés La pile étant un système très fortement couplé, de nombreux phénomènes ont une influence sur l impédance acoustique. Il est nécessaire de faire appel à des techniques de traitement du signal avancées afin de garantir une détection robuste et sans équivoque des défaillances pile. Instrumentation des piles étudiées dans le projet Signature acoustique sur différentes bandes de fréquences en fonction de l état de la pile

10 Tâche 3 : Validation et calibration Avancement : 30% Transfert et application des méthodologies acoustiques et magnétiques aux piles industrielles Pour les mesures acoustiques : Pile métallique de 4 cellules 220 cm² Pile composite de 5 cellules 130 cm² Pour les mesures magnétiques : Pile métallique de 40 cellules 220 cm² Pile composite de 10 cellules 130 cm² Essais en cours

11 Tâche 4 : Essais en environnement système Avancement : 0% Problématique Dans un environnement système, il existe potentiellement de nombreuses sources de perturbations magnétiques et acoustiques. L objectif de cette tâche est d identifier et de quantifier l impact de ces perturbations sur les méthodologies de diagnostic développées au cours des tâches 2 et 3. Système PSA Fisypac Système PSA «éclaté» pour développements labo Système Helion

12 Tâche 5 : Etude technico-économique Avancement : 0% En fin de projet, une étude sera réalisée afin d évaluer le potentiel technicoéconomique de chacune des technologies / méthodologies. Suivant les coûts estimés au cours de cette étude, plusieurs applications peuvent être envisagées pour les méthodologies développées dans le cadre du projet : Diagnostic débarqué servant à la maintenance préventive pour un système coûteux. Diagnostic embarqué pouvant être intégré au contrôle commande du système dans le cas d un système plus abordable.

13 Faits marquants Passage du jalon J1 du projet le 07/10/2011 Le potentiel des 2 méthodologies acoustiques et magnétiques est avéré. Les deux méthodologies seront appliquées aux piles Hélion et PSA/CEA afin de valider leurs pertinences et leur robustesse : Sur des architectures de pile différentes En réponse à des sollicitations différentes

14 Faits marquants Méthodologie magnétique Reconstruction des densités de courant par inversion du champ magnétique périphérique Résultats sur simulateur : Simulateur de pile permettant de piloter de façon indépendante le courant dans 25 barreaux Capacité démontrée à reconstruire une distribution de courant hétérogène Courant généré Courant reconstruit Perspectives : Validation sur technologies Helion et PSA/CEA Piles équipées d une carte de mesure des densités de courant pour valider les résultats de l inversion Résultats obtenus sur le simulateur de pile Pile instrumentée et cartographie de courant mesurée Système de positionnement des capteurs magnétiques

15 Faits marquants Méthodologie acoustique Validation de la sensibilité de la méthodologie sur pile monocellule aux conditions de fonctionnement pile à combustible À la zone d implantation des capteurs Simulation d un «noyage» pile Condensation d eau liquide Changement de bande fréquence du signal acoustique pour le récepteur positionné à l anode Disparition d une bande fréquence du signal acoustique pour le récepteur positionné à la cathode Apparition d une bande fréquence du signal acoustique pour les émetteurs/récepteurs positionnés en face à face

16 Conclusions Résultats acquis : Validation de l intérêt des 2 méthodologies (acoustique et magnétique) pour réaliser un diagnostic non intrusif de l état de fonctionnement d une pile Validation de faisabilité technique sur mono-cellule ou simulateur de pile pour les 2 méthodologies Validation de la sensibilité des mesures aux paramètres de fonctionnement d une pile à combustible Passage de Jalon J1 et engagement des travaux de validation/calibration des méthodologies sur piles industrielles (PSA et HELION) Perspectives d exploitation des résultats : Définir les opérations de maintenance conditionnelle et prédictive d une pile de type PEMFC. Augmenter la durée de vie et le rendement de systèmes pile à combustible, et réduire leur coût d exploitation par la mise en place d une stratégie de maintenance conditionnelle.

17 Merci pour votre attention

18 Impédance acoustiques change avec le taux d humidification de la membrane et la taux d eau dans les gaz en fonctionnement.

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