Commande et diagnostic d\'un système énergétique à pile à combustible PEMFC pour application résidentielles

Abstract

Ce mémoire vise à étudier et analyser les performances des piles à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), en mettant l’accent sur la modélisation, la simulation et le diagnostic intelligent des défauts à l’aide des techniques d’intelligence artificielle, notamment la logique floue (Fuzzy Logic). Dans un premier temps, un cadre théorique des piles à combustible est présenté, comprenant l’explication de leurs principes de fonctionnement, de leurs composants principaux ainsi que des mécanismes de conversion électrochimique de l’énergie. Les modèles mathématiques utilisés pour décrire le comportement de la pile sont également abordés, en intégrant les différentes pertes (pertes d’activation, ohmiques et de transport de masse). Par la suite, un modèle de simulation a été développé afin d’étudier les performances du système sous différentes conditions de fonctionnement. L’influence des paramètres opératoires tels que la température, la pression, le taux d’humidité et la concentration des gaz sur la tension et le courant produits a été analysée. Les résultats obtenus montrent que les performances de la pile sont fortement influencées par les conditions environnementales et opérationnelles, ce qui nécessite l’adoption de stratégies de contrôle précises. Dans la partie appliquée, un système de diagnostic intelligent basé sur la logique floue a été conçu pour détecter les principaux défauts pouvant affecter la pile, tels que la sécheresse de la membrane, l’inondation de la cathode, le manque d’hydrogène et la surchauffe. Ce système repose sur l’analyse des signaux mesurés (tension, pression, humidité et température) et sur l’extraction d’indicateurs de diagnostic (résidus), suivie de l’application de règles floues pour la prise de décision. Les résultats de simulation montrent que le système proposé est capable d’assurer une détection précoce et précise des défauts, contribuant ainsi à améliorer la fiabilité du système et à réduire les coûts de maintenance. Par ailleurs, l’étude met en évidence l’écart entre les performances théoriques et réelles des piles à combustible, en soulignant l’impact de facteurs réels tels que la dégradation des matériaux, les hétérogénéités des réactions et les conditions de fonctionnement non idéales. Enfin, des perspectives d’application de cette technologie en Algérie ont été proposées, notamment dans les régions à fort potentiel énergétique, à travers l’intégration des piles à combustible avec les sources d’énergies renouvelables pour la production d’hydrogène vert, contribuant ainsi à la transition énergétique et au développement durable.

تهدف هذه المذكرة إلى دراسة وتحليل أداء خلايا الوقود من نوع غشاء التبادل لبروتوني، مع التركيز على النمذجة، المحاكاة، والتشخيص الذكي للأعطال باستخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي، وخاصة المنطق الضبابي (Fuzzy Logic). في البداية، تم تقديم الإطار النظري لخلايا الوقود، مع شرح مبادئ عملها، مكوناتها الأساسية، وآليات التحويل الكهروكيميائي للطاقة. كما تم التطرق إلى النماذج الرياضية المعتمدة لوصف سلوك الخلية، بما في ذلك الخسائر المختلفة (الخسائر التنشيطية، الأومية، وخسائر النقل الكتلي(بعد ذلك، تم تطوير نموذج محاكاة لدراسة أداء النظام تحت ظروف تشغيل مختلفة، مع تحليل تأثير المتغيرات التشغيلية مثل درجة الحرارة، الضغط، نسبة الرطوبة، وتركيز الغازات على الجهد والتيار الناتج. أظهرت النتائج أن أداء الخلية يتأثر بشكل كبير بالظروف البيئية والتشغيلية، مما يستدعي اعتماد استراتيجيات تحكم دقيقة.في الجزء التطبيقي، تم تصميم نظام تشخيص ذكي يعتمد على المنطق الضبابي للكشف عن الأعطال الرئيسية التي قد تصيب الخلية، مثل جفاف الغشاء، فيضان الكاثود، نقص الهيدروجين، وارتفاع درجة الحرارة. يعتمد هذا النظام على تحليل الإشارات المقاسة (الجهد، الضغط، الرطوبة، ودرجة الحرارة) واستخراج مؤشرات تشخيصية، ثم تطبيق قواعد ضبابية لاتخاذ قرار التشخيص.أظهرت نتائج المحاكاة أن النظام المقترح قادر على الكشف المبكر والدقيق للأعطال، مما يساهم في تحسين موثوقية النظام وتقليل تكاليف الصيانة.كما تناولت الدراسة الفرق بين الأداء النظري والفعلي لخلايا الوقود، حيث تم إبراز تأثير العوامل الواقعية مثل تدهور المواد، وعدم تجانس التفاعلات، والظروف التشغيلية غير المثالية.وفي إطار التطبيقي، تم اقتراح آفاق لتطبيق هذه التكنولوجيا في الجزائر، خاصة في المناطق ذات الإمكانيات الطاقوية العالية، من خلال دمج خلايا الوقود مع مصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين الأخضر، مما يساهم في دعم الانتقال الطاقوي وتحقيق التنمية المستدامة.