Brevet FR3088440A1 — publié le 20200515

DD18830 MR 1 Procédé de diagnostic d'une pile à combustible Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de diagnostic d'une pile à combustible. L'invention concerne également un système de diagnostic d'une pile à combustible. Etat de la technique Une pile à combustible est un générateur dans lequel la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple dihydrogène), couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que le dioxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air (ceci s'expliquant notamment par l'abondance des ressources en hydrogène sur Terre et la facilité de production du dihydrogène). La pile à combustible la plus couramment utilisée et étudiée est la pile dite PEMFC pour "Polymer Exchange Membrane Fuel Cells'', fonctionnant avec de l'hydrogène et caractérisée par une basse température de fonctionnement. Elle transforme l'énergie chimique, libérée par la réaction entre de l'hydrogène et de l'oxygène, en énergie électrique, formant ainsi des molécules d'eau. Pour que cette pile fonctionne, la membrane qui compose l'électrolyte doit conduire les protons hydrogène sans conduire les électrons. Afin d'augmenter les rendements électriques elle doit également limiter les pertes en flux de protons. La membrane est le coeur de la pile à combustible et il est nécessaire de la préserver pour permettre le bon fonctionnement de la pile. Ainsi pour augmenter la conductivité ionique de la membrane, il est nécessaire de contrôler plusieurs paramètres, la température de fonctionnement de la pile, la pression des gaz ainsi que l'hydratation de la membrane. Actuellement, de nombreuses études sont menées pour essayer de déterminer l'état d'une pile à combustible, notamment les piles de type PEMFC, et de caractériser son vieillissement. C'est le cas par exemple dans la demande de brevet référencée W02016/071801A1. La solution décrite dans cette demande de brevet se base sur la spectroscopie d'impédance électrochimique et l'identification de paramètres d'un circuit équivalent. Les principales étapes du procédé décrit dans cette demande sont les suivantes : DD18830 MR 2 L'obtention des paramètres d'un circuit équivalent en fonction des conditions opératoires en l'absence de défaut puis l'obtention de l'impédance de ce circuit équivalent, - La mesure de l'impédance sur une large bande de fréquence (des hautes aux 5 basses fréquences), - Quantification de l'écart entre l'impédance réelle et celle du circuit équivalent, - Dans le cas où l'écart dépasse le seuil, identification d'un circuit équivalent plus complexe identifié sur l'impédance mesuré, - Résidu entre les éléments du nouveau circuit équivalent et de celui en l'absence 10 de défauts, - Création d'une matrice de défaut par comparaison pour chaque résidu avec un seuil, - Détermination du défaut basé sur la matrice de défaut. 15 Cette méthode n'est cependant pas satisfaisante car elle ne permet pas de tenir compte de la dynamique de fonctionnement lors des conditions opératoires, ni des changements de comportement liés au vieillissement de la pile. De plus, elle se sert de la mesure d'impédance sur toute la bande de fréquence (notamment à basse fréquence, ce qui rend la mesure en temps réel impossible). 20 Le but de l'invention est de proposer un procédé de diagnostic d'une pile à combustible qui soit fiable, rapide, grâce à des temps de traitement réduits, et tenant compte des conditions particulières de fonctionnement en dynamique de la pile à combustible et de son vieillissement. 25 Cette méthode sera mise en oeuvre à l'aide d'un programme d'ordinateur destiné à être exécuté sur une unité de trairement, en coopération avec des moyens de mesure particuliers appliqués à la pile à combustible. Ce programme d'ordinateur sera préférentiellement stocké sur un support de stockage lisible par l'unité de traitement. 30 Exposé de l'invention Ce but est atteint par un procédé de diagnostic d'une pile à combustible qui comporte les étapes suivantes : - Mesure du courant électrique produit par la pile à combustible à un premier instant, 35 - Mesure de la tension aux bornes de la pile à combustible et de l'impédance de la pile à combustible audit premier instant, DD18830 MR 3 - Estimation dans des conditions normales de fonctionnement, à partir dudit courant mesuré injecté dans un premier modèle simplifié reliant la variation de la tension en fonction du courant et la variation de l'impédance électrique en fonction du courant, d'une tension théorique aux bornes de la pile audit 5 premier instant et de l'impédance électrique théorique de la pile audit premier instant, - Détermination d'un premier résidu entre ladite tension mesurée et ladite tension théorique déterminée, - Détermination d'un deuxième résidu entre ladite impédance mesurée et 10 ladite impédance électrique théorique déterminée, - Comparaison du premier résidu obtenu avec une première valeur seuil et comparaison du deuxième résidu obtenu avec une deuxième valeur seuil, - Détermination d'au moins un type de défaut à partir d'un deuxième modèle simplifié configuré pour relier les valeurs prises par les deux résidus à un 15 type de défaut, - Le premier modèle simplifié et ledit deuxième modèle simplifié étant générés chacun à partir d'un modèle physique de la pile à combustible intégrant un module de dégradation de la pile à combustible tenant compte du courant et de la tension appliqués à ladite pile à combustible au cours 20 d'une période antérieure audit premier instant, - Ledit premier modèle simplifié étant obtenu en appliquant en entrée dudit modèle physique de la pile à combustible, dans des conditions opératoires nominales, plusieurs points de fonctionnement en courant distincts, - Ledit deuxième modèle simplifié étant obtenu en appliquant en entrée dudit 25 modèle physique de la pile à combustible, dans des conditions de défaut, plusieurs points de fonctionnement en courant distincts. Selon une particularité, l'impédance électrique mesurée et l'impédance théorique correspondent à la l'impédance haute fréquence. 30 Selon une autre particularité, le procédé comporte une première étape intermédiaire de comparaison du premier résidu obtenu avec une première valeur seuil et une deuxième étape intermédiaire de comparaison du deuxième résidu obtenu avec une deuxième valeur seuil. Selon une autre particularité, chaque modèle simplifié employé est mis à jour 35 hors ligne. DD18830 MR 4 Selon une autre particularité, chaque modèle simplifié mis en ligne à un instant Tj et en ce qu'il est calculé préalablement pendant une période allant d'un instant T cal_j à Tj, chaque modèle simplifié étant généré en se basant sur des données de mesure de tension et de courant de la pile à combustible sur une période allant d'un instant de 5 référence TO à l'instant T cal_j, lesdites données acquises étant injectées dans ledit modèle physique de la pile à combustible. Selon une autre particularité, le deuxième modèle simplifié est généré par un classifieur configuré pour classer les couples de résidu obtenus en fonction du type de défaut et pour générer des frontières délimitant plusieurs zones de défaut. 10 Selon une autre particularité, le classifieur comporte un algorithme de type k NN. Selon une autre particularité, le procédé comporte une étape de génération d'une action corrective tenant compte du type de défaut détecté. 15 L'invention concerne également un système de diagnostic d'une pile à combustible, comprenant : - Des moyens de mesure du courant électrique produit par la pile à combustible à un premier instant, - Des moyens de mesure de la tension aux bornes de la pile à combustible 20 et de l'impédance de la pile à combustible audit premier instant, - Un module d'estimation dans des conditions normales de fonctionnement, à partir dudit courant mesuré injecté dans un premier modèle simplifié reliant la variation de la tension en fonction du courant et la variation de la l'impédance en fonction du courant, d'une tension théorique aux bornes de 25 la pile audit premier instant et d'une impédance théorique de la pile audit premier instant, - Un module de détermination d'un premier résidu entre ladite tension mesurée et ladite tension théorique déterminée, - Un module de détermination d'un deuxième résidu entre ladite impédance 30 mesurée et ladite impédance théorique déterminée, - Un module de comparaison du premier résidu obtenu avec une première valeur seuil et comparaison du deuxième résidu obtenu avec une deuxième valeur seuil, - Un module de détermination d'au moins un type de défaut à partir d'un 35 deuxième modèle simplifié (M2_j) configuré pour relier les valeurs prises par les deux résidus à un type de défaut, DD18830 MR 5 Le premier modèle simplifié et ledit deuxième modèle simplifié étant générés chacun à partir d'un modèle physique de la pile à combustible intégrant un module de dégradation de la pile à combustible tenant compte du courant et de la tension appliqués à ladite pile à combustible au cours 5 d'une période antérieure audit premier instant, - Ledit premier modèle simplifié étant obtenu en appliquant en entrée dudit modèle physique de la pile à combustible, dans des conditions opératoires nominales, plusieurs points de fonctionnement en courant distincts, - Ledit deuxième modèle simplifié étant obtenu en appliquant en entrée dudit 10 modèle physique de la pile à combustible, dans des conditions de défaut, plusieurs points de fonctionnement en courant distincts. Selon une particularité, l'impédance électrique mesurée et l'impédance théorique correspondent à l'impédance haute fréquence. 15 Selon une autre particularité, le système comporte un premier module de comparaison du premier résidu obtenu avec une première valeur seuil et un deuxième module de comparaison du deuxième résidu obtenu avec une deuxième valeur seuil. Selon une autre particularité, le système comporte des moyens de mise à jour hors ligne de chaque modèle simplifié employé. 20 Selon une autre particularité, le système comporte : - Des moyens de mise en ligne de chaque modèle simplifié à un instant Tj, - Un module de calcul de chaque module simplifié exécuté pendant une période allant d'un instant T cal _j à Tj, - Un module d'acquisition des données de mesure de tension et de courant 25 de la pile à combustible sur une période allant d'un instant de référence TO à l'instant T cal_j, lesdites données acquises étant injectées dans ledit modèle physique de la pile à combustible. Selon une autre particularité, le système comporte un classifieur configuré pour générer le deuxième modèle simplifié, ledit classifieur étant configuré pour classer les 30 couples de résidu obtenus en fonction du type de défaut et pour générer des frontières délimitant plusieurs zones de défaut. Selon une autre particularité, le classifieur comporte un algorithme de type k NN. Selon une autre particularité, le système comporte un module de détermination 35 d'une action corrective tenant compte du type de défaut détecté et un module de commande de ladite action corrective déterminée. DD18830 MR 6 L'invention concerne également un programme d'ordinateur comprenant des modules logiciels destinés à être exécutés sur un ordinateur pour mettre en oeuvre le procédé tel que défini ci-dessus. L'invention concerne également un support de stockage lisible par un ordinateur 5 comportant le programme d'ordinateur défini ci-dessus. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description 10 détaillée qui suit, faite en liaison des figures annexées et listées ci-dessous : La figure 1 illustre de manière schématique et simplifiée le principe de fonctionnement d'une cellule employée dans un assemblage en stack d'une pile à combustible La figure 2 représente de manière schématique l'architecture du système 15 de diagnostic de l'invention ; La figure 3 représente un diagramme illustrant les étapes du procédé de diagnostic de l'invention ; La figure 4 représente un diagramme illustrant de manière graphique un exemple de classification des défauts pouvant apparaître dans une pile à 20 combustible en fonctionnement ; La figure 5 représente un diagramme temporel (tps) illustrant le principe de génération de chaque modèle simplifié employé dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; 25 Description détaillée d'au moins un mode de réalisation En référence à la figure 1, de manière connue, une cellule employée dans un assemblage en stack d'une pile à combustible comporte classiquement : Des plaques bipolaires (non représentées sur la figure 1) : Elles ont pour 30 objectif de permettre l'acheminement des réactifs vers les couches de diffusion (voir ci-dessous). Il est donc nécessaire qu'elles soient imperméables pour éviter toute fuite des gaz vers l'extérieur et vers les compartiments adjacents. Elles doivent également assurer le rôle de collecteur de courant vers le circuit extérieur ou vers la cellule voisine dans 35 le cas d'un "stack" et permettre l'évacuation de la chaleur générée par la réaction. Enfin, c'est également elles qui assurent le maintien mécanique DD18830 MR 7 de la cellule. Elles sont, la plupart du temps, fabriquées en graphite, matériaux composites ou en métal (type acier inoxydable, aluminium, titane ou nickel). Les couches de diffusion 10a, 10b : Elles sont appelées GDL en anglais 5 pour "Gas Diffusion Layer". Elles ont plusieurs objectifs à remplir : elles doivent être perméables aux gaz et donc poreuses afin d'amener les réactifs depuis les canaux jusqu'aux électrodes, elles assurent également la conduction des électrons et de la chaleur. Elles sont généralement constituées de fibres sous forme de papier ou alors tissées entre elles. 10 L'Assemblage Membrane Électrode (AME), ou MEA en anglais pour "Membrane Electrode Assembly" : Cet assemblage comporte une première couche active appelée l'anode A, qui permet la dissociation de la molécule de dihydrogène H2 en électrons et en protons. Les électrons générés partent ensuite vers la couche de diffusion 10a tandis que les protons 15 traversent la membrane 11 pour rejoindre l'oxygène 02 et d'autres électrons venant du circuit extérieur. Ces trois éléments se combinent au niveau de la deuxième couche active, la cathode C, pour former de l'eau H2O. Ainsi, l'AME a pour rôle de catalyser des réactions chimiques au niveau des électrodes et d'être un bon conducteur ionique au niveau de la membrane. 20 Les principaux matériaux utilisés dans la conception des AME sont tout d'abord les polymères perfluorées sulfonée, tel que le Nafion (marque déposée), qui forment la membrane sur une fine épaisseur allant de 10 à 100 lm d'épaisseur selon les applications. Les électrodes sont composées principalement de Platine pour le catalyseur de carbone servant comme 25 support pour le catalyseur et d'un polymère facilitant la percolation protonique au sein de l'électrode. En référence à la figure 2, le système de diagnostic de l'invention est décrit ci- dessous. 30 L'invention concerne un procédé mis en oeuvre pour diagnostiquer une pile à combustible, référencée PAC, et connaître son état de fonctionnement afin de détecter la présence d'éventuels défauts de fonctionnement. Il est réalisé grâce à un programme informatique exécuté par une unité de traitement et mémorisé dans ladite unité de traitement sur un support mémoire lisible. Tous les types de supports, intégrés à la pile 35 à combustible surveillée ou dans une unité de traitement distincte, amovibles ou DD18830 MR 8 accessibles à travers un réseau de communication, et classiquement utilisés pour mémoriser un programme informatique, pourront être envisagés. Le procédé de diagnostic comporte une partie qui est exécutée en ligne, c'est-à-dire en interaction directe avec la pile à combustible PAC pour diagnostiquer son état 5 réel, et une partie qui est exécutée hors ligne et destinée à être en interaction avec la partie en ligne pour permettre le diagnostic de la pile à combustible PAC. En référence à la figure 2, le système de diagnostic employé pour mettre en oeuvre le procédé comporte : - Une unité de traitement UC comportant des moyens de calculs tels qu'un 10 microprocesseur et des moyens de mémorisation, employés pour exécuter les différentes étapes du procédé de diagnostic conforme à l'invention ; On verra ci-après que l'unité de traitement UC comporte plusieurs modules logiciels exécutés pour la mise en oeuvre des différentes étapes du procédé de l'invention ; 15 - Une unité de mesure du courant électrique U M I produit par la pile à combustible ; Il peut s'agir de simples capteurs de courant ; - Une unité de mesure de la tension électrique U M U aux bornes de la pile à combustible ; Il peut s'agir de capteurs de tension ; - Une unité de mesure de la résistance/impédance électrique U M ZHE de la 20 pile à combustible ; L'impédance de la pile à combustible peut être déterminée par spectroscopie d'impédance électrochimique ; Pour obtenir un diagnostic en temps réel, seule l'impédance haute fréquence est mesurée ; 25 La figure 3 représente un diagramme permettant d'illustrer les différentes étapes et blocs mis en oeuvre pour réaliser un diagnostic sur l'état d'une pile à combustible. Dans la partie en ligne, la pile à combustible PAC est caractérisée par un état réel référencé STpile r (B1). Le diagnostic sur l'état de la pile est réalisé à un instant T. 30 Les différentes unités de mesure citées ci-dessus mesurent le courant, la tension et l'impédance haute fréquence, de manière à obtenir une valeur de courant l_m mesuré à l'instant T, une valeur de tension U m mesurée à l'instant T et une valeur d'impédance haute fréquence ZHF m mesurée à l'instant T (B2). DD18830 MR 9 La valeur de courant l_m mesuré à l'instant T est injectée dans un premier modèle simplifié Mtj de la pile à combustible PAC (B3). Ce premier modèle simplifié Mij sera explicité ci-dessous. Ce premier modèle simplifié M-l_j permet de déterminer une valeur de tension 5 théorique U th 1 à l'instant T (B4) et une valeur d'impédance haute fréquence théorique ZIF th 1 à l'instant T (B5). Un module de calcul détermine une première différence entre la valeur de tension U m mesurée à l'instant T et la valeur de tension théorique U th 1 obtenue et une deuxième différence entre la valeur d'impédance haute fréquence ZHF m mesurée 10 à l'instant T et la valeur d'impédance théorique ZHF_th_1 à l'instant T. Il en ressort respectivement un premier résidu R1 (B6) et un deuxième résidu R2 (B7), représentant chacun un écart entre la valeur réelle (mesurée) et la valeur théorique calculée pour l'instant T. Un module de comparaison est chargé de comparer chacun des deux résidus 15 R1, R2 avec une valeur seuil V1, V2 distincte (B8, B9). Le niveau de chaque valeur seuil pourra dépendre du niveau de tolérance qu'il est possible d'octroyer au système. Le seuil de détection est choisi pour éviter les fausses alarmes si le résidu est faible. Le bruit de mesure et l'emploi du modèle simplifié vont en effet nécessairement générer un résidu faible, même si la pile ne présente aucun défaut. Il est bien entendu possible d'ajuster 20 chaque valeur de seuil pour maximiser la détection de défaut et minimiser la quantité de fausses alarmes. Cette quatrième étape est optionnelle et permet simplement de détecter la présence ou l'absence de défaut. Sa mise en oeuvre permet de ne pas procéder systématiquement à la cinquième étape décrite ci-dessous, liée à la détermination du type de défaut. 25 Lorsqu'une valeur seuil est dépassée par l'un et/ou l'autre des deux résidus calculés, il s'agit ensuite de déterminer le type de défaut dont la présence a été détectée. Dans ce cas, les deux résidus R1, R2 obtenus sont injectés dans un deuxième modèle simplifié M2_j (B10) qui classe les différents types de défauts en fonction des couples de valeurs des deux résidus. La valeur obtenue pour le premier résidu R1 à 30 l'instant T et la valeur obtenue pour le deuxième résidu R2 à l'instant T permettent de déduire le type de défaut F r (B11). La figure 4 représente un graphique illustrant une classification des défauts. De manière non limitative, les défauts sont ainsi classés en cinq types F1 à F5 listés ci-dessous : DD18830 MR 10 N° du Défaut Nom du défaut F1 Faute de température F2 Noyage F3 Assèchement F4 Baisse de la pression partielle F5 Augmentation de la pression partielle Sur la figure 4, sont représentées des limites ou frontières définissant cinq zones, correspondant chacune à un type de défaut F1 à F5. La partie centrale du 5 graphique, référencée N, correspond à une zone sans défaut, c'est-à-dire aux conditions nominales de fonctionnement de la pile. Les frontières sont calculées par le modèle simplifié (ci-après appelé classifieur) à partir de simulations réalisées sur un modèle physique de la pile à combustible dans des conditions de défaut. Sur cette figure 4, le premier résidu R1 est en ordonnées et le deuxième résidu R2 est en abscisses. Selon 10 la zone où se trouve le couple de résidus R1, R2 déterminé, il est ainsi possible d'en déduire directement le type de défaut F_r. On verra ci-après le principe de génération de ce deuxième modèle simplifié M2j. Dans la partie hors ligne du procédé schématisé sur la figure 3, il s'agit de 15 générer les deux modèles simplifiés qui sont employés dans la partie en ligne. Les deux modèles simplifiés M1 _j, M2_j sont générés à partir d'un modèle physique B100, B200 de la pile à combustible PAC. Ce modèle physique est par exemple connu sous le nom de MePHYSTO-FC. Il s'agit d'un modèle multi-physique et mulfi-échelles, décrit dans la publication référencée ci-dessous : 20 C. Robin, M. Gerard, J. d'Arbigny, P. Schott, L. Jabbour, Y Bultel, Development and experimental validation of a PEM fuel cell 2D-model to study heterogeneities effects along large-area oeil surface, International Journal of Hydrogen Energy,Volume 40, Issue 32,2015, Pages 10211- 10230,ISSN 0360-3199 https://doi.orq/10.1016/i-iihydene.2015.05.178. 25 Ce modèle physique est basé sur des lois physiques de diffusion des gaz, de transfert de matière et de chaleur, et sur des lois électrochimiques de production de DD18830 MR 11 l'électricité. Il prend en compte la diffusion des gaz, un flux diphasique liquide-gaz, le transfert de chaleur et la réaction électrochimique. Le modèle calcule les conditions locales et la distribution de courant sur la surface de la cellule en réponse aux conditions opératoires dynamiques. Ce modèle physique contient ainsi des lois qui permettent de 5 modéliser le vieillissement du stack. Il est ainsi possible d'estimer le fonctionnement nominal de la pile à différents niveaux de puissance et pendant toute sa durée de vie. Ce modèle physique étant couteux en temps de calcul, il est ainsi simplifié de manière à obtenir le premier modèle simplifié M1_j, présentant l'avantage de pouvoir fonctionner en temps réel. De manière non limitative, le premier modèle simplifié M-l_j 10 peut simplement être une base de données qui lie, en fonction du courant et de l'état de vieillissement (défini comme la variation de surface active de catalyseur), la tension et l'impédance haute fréquence de la pile à combustible. Il faut noter qu'il existe plusieurs type de réduction de modèle, des méthodes de type construction d'une base donnée, mais aussi des méthodes de réduction de modèle plus formalisée (POD,...). 15 Le modèle physique de la pile intègre en effet un module de dégradation de la pile, défini sur la figure 3 par un paramètre référencé STpile th. Ce module de dégradation permet de tenir compte du vieillissement de la pile à combustible généré par sa dynamique de fonctionnement. Pour mieux comprendre son principe, ce module 20 de dégradation peut s'exprimer par la fonction D suivante : STpile th=D(Um(0 à Tcalj), lm(0 à Tcalj)) Dans laquelle : - U m correspond à la tension mesurée aux bornes de la pile sur une période de temps antérieure à la génération du modèle simplifié ; 25 - I m correspond au courant mesuré sur la pile sur la même période de temps antérieure à la génération du modèle simplifié ; La figure 5 représente un diagramme temporel permettant d'illustrer la génération de chaque modèle simplifié (référencé Mj) de la pile à combustible. 30 Sur la figure 5, on a ainsi les particularités suivantes : - L'instant TO correspond avantageusement au début de vie de la pile à combustible. Chaque modèle simplifié est ainsi généré directement en considérant un vieillissement nul ou quasi nul. DD18830 MR 12 Sur la période comprise entre TO et T1, le modèle simplifié MO est employé dans le système. Entre T1 et T2, il s'agit du modèle Ml. Ainsi entre Tj-1 et Tj, il s'agit du modèle Mj-1. Pour générer chaque modèle simplifié à partir du modèle physique de la 5 pile, une période de calcul est forcément nécessaire. Pour chaque modèle simplifié à générer, cette période démarre avant l'exploitation du modèle. Pour chaque modèle simplifié, cette période démarre à un instant désigné T cal_j. Pour le modèle M1, la période de calcul débute ainsi à l'instant T_cal_1, alors que le modèle MO est encore en exploitation et va durer 10 jusqu'à l'instant T1 correspondant à la mise en exploitation du modèle Ml. De manière générale, pour le nouveau modèle Mj, la période de calcul démarrera ainsi à l'instant T cal_j pendant l'exploitation du modèle Mj-1 et se terminera à l'instant Tj auquel le modèle Mj sera alors mis en exploitation. De manière générale, lorsque le calcul d'un nouveau modèle Mj démarre à 15 l'instant T_cal_j, celui-ci se base sur au moins un échantillon de données de mesure disponibles jusqu'à cet instant T cal_j. Il s'agit donc des données de mesure de courant M I et des données de mesure de tension M U. Ces données sont en effet le reflet des sollicitations de la pile à combustible PAC depuis son début de vie. Pour le modèle Mj, il s'agit donc des données de 20 mesure disponibles entre TO et T_cal_j. Selon un aspect particulier de l'invention, chaque modèle simplifié M1_j, M2_j est ainsi mis à jour régulièrement pour tenir compte de la dynamique de fonctionnement de la pile à combustible en cours d'utilisation. Bien entendu, la période de calcul choisie peut ne pas être fixe pour chaque génération de modèle. On peut en effet penser que 25 celle-ci pourrait aller en augmentant au fur et à mesure du vieillissement de la pile à combustible. Bien entendu, pour des questions de cohérence, les deux modèles simplifiés M1 _j, M2_j employés en ligne devront être calculés sur les mêmes données d'entrée, obtenues sur une même période de temps (c'est-à-dire sur la période allant de TO à 30 T cal_j). En reprenant la figure 3, le premier modèle simplifié M1j est ainsi obtenu en appliquant en entrée du modèle physique de la pile plusieurs points de fonctionnement en courant I k (B101), en tenant compte du vieillissement de la pile exprimé sur la figure 5 par le paramètre STpile th (B102). Un point de fonctionnement en courant I k DD18830 MR 13 correspond à une valeur discrète de courant. Il s'agira ainsi de faire varier le courant appliqué en entrée du modèle physique de la pile, pour lui faire prendre plusieurs valeurs prédéfinies successives. De manière non limitative, chaque valeur de courant peut être choisie comprise entre 0 et 1A/cm2. Pour chaque valeur de courant appliquée en entrée, 5 l'unité de traitement UC mémorise la valeur théorique de tension U th 1 obtenue (B103) et la valeur théorique de l'impédance haute fréquence ZHF_th_1 obtenue (B104), après application du modèle physique de la pile (qui intègre le module de dégradation évoqué ci-dessus). Selon un aspect particulier de l'invention, le premier modèle simplifié M1 _j est 10 généré en tenant compte de paramètres de fonctionnement nominaux de la pile à combustible, c'est-à-dire en considérant que la pile à combustible PAC est sans défaut de fonctionnement. Ces paramètres nominaux sont par exemple les suivants : Température : T=80° C, Humidité relative : HR=50%, 15 Pression : P=1.5 bar, Stoechiométrie St. = 1.5, St. = 2 Bien entendu, ils dépendent du type de pile employé et ces paramètres nominaux ne sont pas à considérer de manière limitative. 20 Pour ce premier modèle simplifié M1_j, on obtient ainsi, en sortie du modèle physique de la pile, les données pouvant s'exprimer par les deux fonctions suivantes : U th 14(1 k, paramètres nominaux) ZHF th 1=g(I k, paramètres nominaux) Dans lesquelles : 25 U th 1 représente une valeur théorique de tension obtenue pour chaque point de fonctionnement en courant I k, dans des conditions nominales de fonctionnement de la pile ; ZHF_th_1 représente une valeur théorique de l'impédance haute fréquence obtenue pour chaque point de fonctionnement l_k dans des conditions 30 nominales de fonctionnement de la pile ; I k représente chaque point de fonctionnement en courant ; DD18830 MR 14 Le premier modèle simplifié IV11_j qui est utilisé en ligne regroupe ainsi toutes les valeurs obtenues pour U th 1 et ZHF th 1. Celui-ci est mis à jour régulièrement de la manière décrite ci-dessus en liaison avec la figure 5, pour tenir compte du vieillissement de la pile à combustible PAC. 5 Le deuxième modèle simplifié M2j est pour sa part généré en modifiant les conditions nominales de manière à simuler des défauts de fonctionnement de la pile à combustible PAC. Pour simuler chaque défaut Fi (défauts F1 à F5 (B205)) déjà défini ci-dessus, les paramètres correspondants au défaut à simuler sont modifiés pour s'écarter 10 des conditions nominales. Pour chaque défaut F1 à F5, on agit ainsi de la manière décrite dans le tableau ci-dessous : N° du Défaut Nom du défaut Conditions modifiées F1 Faute de température T=75°C à 60°C F2 Noyage RH=55% à 80% F3 Assèchement RH=45% à 20% F4 Baisse de la pression partielle P=1.2 bar et Sta 1.5 à 1.2, Stc 2 à 1.5 F5 Augmentation de la pression partielle P=2.5 bar et Sta 1.5 à 2, Stc 2 à 2.5 Par ailleurs, comme pour le modèle simplifié précédent, on applique en entrée du modèle physique de la pile plusieurs points de fonctionnement en courant I k (B201), 15 en tenant compte du vieillissement de la pile exprimée sur la figure 4 par le paramètre STpile_th (B202) Pour ce deuxième modèle simplifié M2_j, on obtient ainsi en sortie du modèle physique (B200) les données pouvant s'exprimer par les deux fonctions suivantes (B203, B204) : 20 Uth_24(1_k, paramètres défauts) ZHF_th_2=g(l_k, paramètres défauts) Dans lesquelles : DD18830 MR 15 - U_th_2 représente une valeur théorique de tension obtenue pour chaque point de fonctionnement en courant I k, en appliquant des paramètres de défaut de fonctionnement de la pile ; ZHF th 2 représente une valeur théorique de l'impédance haute fréquence 5 obtenue pour chaque point de fonctionnement I k en appliquant des paramètres de défaut de fonctionnement de la pile ; I k représente chaque point de fonctionnement en courant ; Les valeurs théoriques de tension U_th_2 et de l'impédance haute fréquence ZHF th 2 qui sont obtenues en sortie du modèle physique (B200) pour chaque point de 10 fonctionnement en courant I k, en appliquant des paramètres de défaut, sont comparées (B206, B207) respectivement avec les valeurs théoriques de tension U th 1 et de l'impédance haute fréquence ZEF th -1 obtenues pour le même point de fonctionnement en courant l_k, en appliquant les paramètres de fonctionnement nominaux. Pour chaque point de fonctionnement en courant l_k, on obtient ainsi : 15 - Un premier résidu R1_th_k (B208) correspondant à la différence entre la valeur théorique de tension U th 2 dans les conditions de défaut et la valeur théorique de tension U th 1 dans les conditions normales de fonctionnement ; - Un deuxième résidu R2 th _k (B209) correspondant à la différence entre la 20 valeur théorique de l'impédance haute fréquence ZHF th 2 dans les conditions de défaut et la valeur théorique de l'impédance haute fréquence ZEF th-1 dans les conditions normales de fonctionnement ; Pour chaque point de fonctionnement I k, le couple de résidus R1 th k, R2_th_k obtenu est injecté dans un classifieur CF, destiné à générer le deuxième 25 modèle simplifié M2j. Ce classifieur CF est un outil mathématique permettant de classer les défauts en fonction de la valeur prise par chaque résidu R1_th_k, R2_th_k dans chaque couple de résidus. Autrement dit, ce classifieur classe les couples de résidus obtenus en fonction du défaut qui a été simulé (B210). Comme illustré par la figure 4, le classifieur CF est par ailleurs capable de définir les frontières entre les différentes zones 30 de défauts afin de pouvoir extrapoler les résultats de simulation obtenus à tout le domaine de fonctionnement. Cette étape d'apprentissage est mise en oeuvre hors ligne pendant la période de calcul du modèle simplifié. Une fois le classifieur généré, celui-ci est mis en ligne à l'instant Tj comme précisé ci-dessus, en même temps que le premier modèle simplifié. Il correspond alors au deuxième modèle simplifié M2_j généré. A partir DD18830 MR 16 des deux résidus calculés R1(T) et R2(T) calculés en ligne pour l'instant T, le modèle M2_j (B10) permet de remonter au type de défaut F r (B11) présent dans la pile à combustible. Pour cela, il suffit d'identifier la zone dans laquelle le couple de résidu est situé pour en déduire le type de défaut rencontré par la pile à combustible à l'instant T. 5 En fonction du type de défaut identifié, une action corrective peut être menée pour rétablir des conditions de fonctionnement nominales. L'unité de traitement exécute un module de détermination de l'action corrective à mener en fonction du type de défaut détecté puis un module de commande destiné à commander un ou plusieurs actionneurs choisis pour la mise en place de l'action corrective. 10 Le tableau ci-dessous montre une matrice de confusion, caractéristique de la capacité du système de diagnostic de l'invention à correctement identifier les défauts de fonctionnement simulés. Un score global de 91% (calculé comme étant le ratio entre le nombre de défauts correctement identifié sur le nombre de mesures réalisées) est obtenu, ce qui montre que le système est capable de correctement identifier les défauts 15 de fonctionnement. Il existe cependant quelques défauts qui peuvent s'avérer moins bien identifiés que d'autres. C'est par exemple le cas du défaut température basse (H) qui peut être confondu avec un noyage dans certains cas (F2). Cette confusion provient du fait qu'une diminution de la température provoque une condensation de l'eau produite par la pile à combustible et donc un noyage partiel des électrodes. Une des solutions 20 pour évacuer l'eau produite par la pile étant d'augmenter la température de travail. Cependant, la confusion entre les deux défauts n'est pas rédhibitoire pour le système, car cela conduit à la même action corrective, c'est-à-dire à augmenter la température. Réel \ Estimé F1 F2 F3 F4 F5 F1 68 32 0 0 0 F2 0,7 99,3 0 0 0 F3 0 0 100 0 0 F4 17 0 0 83 0 F5 0 0,7 0 0 99,3 25 Selon un aspect particulier de l'invention, un classifieur de type k-NN ("k- Nearest Neighbors" ou méthode des plus proches voisins) a été utilisé mais tous les autres algorithmes de classification peuvent fonctionner (machine à vecteurs de support SVM, réseau de neurone NN, ...). Dans le cas d'un algorithme de type k-NN, il s'agit de calculer les distances avec toute la base d'apprentissage ce qui nécessite un temps de 30 calcul important. Un algorithme de type SVM permet pour sa part de n'embarquer que DD18830 MR 17 les frontières définissant les fautes, et un réseau de neurone permet de n'embarquer que la structure du réseau avec les poids associés à chaque neurone. Le procédé et le système de l'invention présentent de nombreux avantages, 5 parmi lesquels : - Une solution permettant de détecter les défauts de manière fiable ; - Une solution permettant un diagnostic quasi en temps réel grâce à des temps de calcul suffisamment courts ; - Une solution ne nécessitant l'emploi que de très peu de capteurs (courant, 10 tension principalement), ces capteurs étant la plupart du temps déjà présents ; REVENDICATIONS1. Procédé de diagnostic d'une pile à combustible (PAC) comprenant les étapes suivantes : Mesure du courant électrique (l_m) produit par la pile à combustible à un premier instant (T), Mesure de la tension (U_m) aux bornes de la pile à combustible et de l'impédance (ZHE_m) de la pile à combustible audit premier instant, Estimation dans des conditions normales de fonctionnement, à partir dudit courant mesuré injecté dans un premier modèle simplifié (M1 j) reliant la variation de la tension en fonction du courant et la variation de l'impé- dance électrique en fonction du courant, d'une tension théorique (U_th_1) aux bornes de la pile audit premier instant et de l'impédance électrique théorique (ZHF_th_1) de la pile audit premier instant, Détermination d'un premier résidu (R1) entre ladite tension mesurée (U_m) et ladite tension théorique (U_th_1) déterminée, Détermination d'un deuxième résidu (112) entre ladite impédance mesurée (ZHE_m) et ladite impédance électrique théorique (ZHF th_1) déterminée, Détermination d'au moins un type de défaut à partir d'un deuxième mo- dèle simplifié (M2 _j) configuré pour relier les valeurs prises par les deux résidus à un type de défaut, Caractérisé en ce que : Le premier modèle simplifié (M1 _j) et ledit deuxième modèle simplifié (M2 _j) sont générés chacun à partir d'un modèle physique de la pile à combustible intégrant un module de dégradation de la pile à combustible tenant compte du courant et de la tension appliqués à ladite pile à combustible au cours d'une période antérieure audit premier instant, Ledit premier modèle simplifié (M1_j) est obtenu en appliquant en entrée dudit modèle physique de la pile à combustible. dans des conditions opé- ratoires nominales, plusieurs points de fonctionnement en courant (l_k) distincts, 19 Ledit deuxième modèle simplifié (M2__j) est obtenu en appliquant en entrée dudit modèle physique de la pile à combustible, dans des conditions de défaut, plusieurs points de fonctionnement en courant (I_k) distincts. 5 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impédance électrique mesurée et l'impédance théorique correspondent à l'impédance haute fréquence. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape intermédiaire de comparaison du premier résidu obtenu avec 10 une première valeur seuil (V1) et une deuxième étape intermédiaire de compa- raison du deuxième résidu obtenu avec une deuxième valeur seuil (V2). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque modèle simplifié employé est mis à jour hors ligne. 5. Procédé selon l'une de revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 15 chaque modèle simplifié (M1 _j, M2 _j) est mis en ligne à un instant Tj et en ce qu'il est calculé préalablement pendant une période allant d'un instant T_calj j à Tj, chaque modèle simplifié étant généré en se basant sur des données de mesure de tension et de courant de la pile à combustible sur une période allant d'un instant de référence TO à l'instant T_cal_ j, lesdites données acquises étant injec- 20 tees dans ledit modèle physique de la pile à combustible. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le deuxième modèle simplifié est généré par un classifieur (CF) configuré pour classer les couples de résidu obtenus en fonction du type de défaut et pour générer des frontières délimitant plusieurs zones de défaut. 25 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le classifieur comporte un algorithme de type k_NN. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de génération d'une action corrective tenant compte du type de défaut détecté. 30 9. Système de diagnostic d'une pile à combustible (PAC), comprenant : Des moyens de mesure du courant électrique (lm) produit par la pile à combustible à un premier instant (T), Des moyens de mesure de la tension (U_m) aux bornes de la pile à combustible et de l'impédance (ZHF_m) de la pile à combustible audit premier instant, 20 Un module d'estimation dans des conditions normales de fonctionnement, à partir dudit courant mesuré injecté dans un premier modèle simplifié (M1 j) reliant la variation de la tension en fonction du courant et la variation de l'impédance en fonction du courant, d'une tension théorique 5 (U_th_1) aux bornes de la pile audit premier instant et d'une impédance théorique (ZHF_th_1) de la pile audit premier instant, - Un module de détermination d'un premier résidu (R1) entre ladite tension mesurée (U_m) et ladite tension théorique (U_th_1) déterminée, - Un module de détermination d'un deuxième résidu (R2) entre ladite im- 10 pédante mesurée (ZHF_m) et ladite impédance théorique (ZHF_th_1) dé- terminée, - Un module de détermination d'au moins un type de défaut à partir d'un deuxième modèle simplifié (M2 _j) configuré pour relier les valeurs prises par les deux résidus à un type de défaut, 15 Caractérisé en ce que : Le premier modèle simplifié (M1 _j) et ledit deuxième modèle simplifié (M2j) sont générés chacun à partir d'un modèle physique de la pile à combustible intégrant un module de dégradation de la pile à combustible tenant compte du courant et de la tension appliqués à ladite pile à com- 20 bustible au cours d'une période antérieure audit premier instant, Ledit premier modèle simplifié (WU) est obtenu en appliquant en entrée dudit modèle physique de la pile à combustible, dans des conditions opératoires nominales, plusieurs points de fonctionnement en courant (l_k) distincts, 25 Ledit deuxième modèle simplifié (M2 _j) est obtenu en appliquant en en- trée dudit modèle physique de la pile à combustible, dans des conditions de défaut, plusieurs points de fonctionnement en courant (l_k) distincts. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que I impédance 30 électrique mesurée et l'impédance théorique correspondent à l'impédance haute fréquence. 11. Système selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte un premier module de comparaison du premier résidu obtenu avec une première valeur seuil (V1) et un deuxième module de comparaison du deuxième résidu 35 obtenu avec une deuxième valeur seuil (V2). 21 12. Système selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise à jour hors ligne de chaque modèle simplifié employé. 13. Système selon l'une de revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il 5 comporte : Des moyens de mise en ligne de chaque modèle simplifié (M1J, M2 j) à un instant Tj, Un module de calcul de chaque module simplifié exécuté pendant une période allant d'un instant T_calj à Tj, 10 Un module d'acquisition des données de mesure de tension et de courant de la pile à combustible sur une période allant d'un instant de référence TO à l'instant T_cal_j, lesdites données acquises étant injectées dans ledit modèle physique de la pile à combustible. 14. Système selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'il 15 comporte un classifieur (CF) configuré pour générer le deuxième modèle simpli- fié, ledit classifieur (CF) étant configuré pour classer les couples de résidu obtenus en fonction du type de défaut et pour générer des frontières délimitant plusieurs zones de défaut. 15. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que le classifieur 20 comporte un algorithme de type k_NN. 16. Système selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte un module de détermination d'une action corrective tenant compte du type de défaut détecté et un module de commande de ladite action corrective déterminée. 25