La problématique développée dans cette thèse est le diagnostic des piles à combustible (PAC) de type « Proton Exchange Membrane » (PEM). Nous avons choisi d’axer ces travaux sur différentes méthodes de diagnostic, séparées en deux grandes thématiques, relativement différentes et donc indépendantes, qui forment les deux parties de cette thèse. Dans la première partie, intitulée « Méthodes de diagnostic des fuites internes », nous nous focaliserons sur un type de dégradation des PAC, celle de la membrane, et de sa conséquence principale, l’augmentation des fuites internes. Après avoir fait l’inventaire des différentes techniques de diagnostic possibles, nous avons eu l’opportunité d’en tester certaines sur un stack (empilement de cellules élémentaires) dégradé dont nous disposions. La voltammétrie cyclique semble la plus intéressante en terme de précision. Cependant, pour le diagnostic complet d’un stack, le niveau de fuite de chaque cellule doit être évalué. Il apparaît que cette opération est extrêmement chronophage ; nous avons donc dû mettre au point des méthodes alternatives à celles rencontrées fréquemment dans la littérature. Nous avons d’une part appliqué la voltammétrie cyclique directement aux bornes du stack et parallèlement nous avons mis au point une technique nouvelle de diagnostic des fuites internes d’une PAC. Ces méthodes seront testées sur trois stacks comportant chacun un nombre différent de cellules. La deuxième partie de ce manuscrit est intitulée « Méthodes de diagnostic en gaz actifs ». Nous aborderons dans un premier temps une méthode bien connue, la Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE). L’utilisation de cette technique soulève deux problématiques : le choix d’un modèle approprié pour décrire des phénomènes physico-chimiques variés puis la difficulté de converger vers un jeu unique de paramètres une fois le modèle établi. Partant de ce constat, nous avons développé une technique originale d’exploitation des SIE, basée sur un modèle électrique sans a priori, dont la construction va se faire automatiquement étape par étape. Cet algorithme sera validé de manière théorique sur des simulations, puis nous confirmerons son potentiel sur des données expérimentales issues d’essais de vieillissement de monocellules. Parallèlement, nous avons développé une technique alternative à la spectroscopie d’impédance, basée sur l’exploitation d’échelons de courant. Cette méthode permet d’extraire un spectre de constantes de temps sans passer par de l’identification paramétrique. Après une première validation théorique grâce à des simulations, nous avons éprouvé cette technique avec d’une part les données de vieillissement mentionnées précédemment ainsi qu’avec des données issues d’un essai d’engorgement d’une monocellule. Nous confirmerons que cette technique est bien adaptée pour effectuer du diagnostic en cours de fonctionnement. / This thesis deals with Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) diagnosis. Several methods will be treated, that have been divided into two main issues. These issues are quite independent and constitute the two parts of the manuscript. The first part, entitled “internal leakage detection methods”, concerns a major fault in PEMFC: membrane permeation. The consequence is the increase of internal leakage, or crossover. First, several diagnosis techniques are listed, and some of them are tested on a faulty stack. Cyclic voltammetry seems to be a good choice, but needs a lot of time to be performed on a large scale stack. Indeed, to achieve a satisfying level of diagnosis, the crossover of every cell in the stack has to be evaluated. New diagnosis techniques are needed to shorten the test phase. Cyclic voltammetry is performed directly at the stack level, while concurrently a new method is investigated to measure all cell crossovers simultaneously. Validation is done by experiments on three different stacks with different numbers of cells. The second part is entitled “diagnosis methods with active gases”. In a first time the well-known Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) technique has been used as a characterization tool. But two issues arise from the EIS use: the choice of an appropriate model that describes all the electrochemical phenomena and the difficulty to obtain a unique set of parameters after the fitting stage. To solve these issues, an algorithm has been developed. It is based on an electrical circuit model built automatically step by step, which does not require the knowledge of every phenomenon of the studied system. The algorithm is validated theoretically by numerical simulations and then by experimental data collected from ageing tests with single cells. Secondly, a method alternative to EIS has been investigated, based on the fuel cell voltage response to current steps. A time-constant spectrum can be extracted from this response without the need of parameter identification process. After a first validation thanks to numerical simulations, this algorithm has been tested with the ageing data previously mentioned and also with a flooding experiment performed on a single cell. The time-constant spectrum seems to be an appropriate tool for fuel cell online diagnosis.

Un accident d’insertion de réactivité (RIA) dans un cœur nucléaire pourrait provoquer la rupture d’une gaine et l’éjection d’une fine poudre de combustible chaud dans le caloporteur. La réponse du fluide peut être violente. L’étude de cette interaction (Fuel/Coolant Interaction FCI) est importante pour la sûreté nucléaire. Plusieurs études et expériences ont été menées avec de l’eau ou du sodium ou sont prévues dans le cadre des essais intégraux du programme international dans le réacteur CABRI. Cependant, les conditions complexes ne permettent pas la mesure des grandeurs locales nécessaires à l’étude de la dynamique de vaporisation. En effet, effectuer des expériences de vaporisation violente avec de l’eau requiert beaucoup d’énergie et des équipements résistant aux hautes pressions, notamment pour reproduire les conditions de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type REP. Il est ainsi intéressant d’utiliser un autre fluide, tel que le dioxyde de carbone, dont les propriétés thermodynamiques (pression critique, enthalpie de vaporisation...) réduisent ces contraintes. Néanmoins, afin de pouvoir comparer et utiliser les observations de l’expérience, il est indispensable d’établir et de vérifier des lois de similitudes entre les deux fluides. L’étude de ces similarités entre l’eau et le dioxyde de carbone a établi qu’en conservant la pression réduite ainsi que le titre thermodynamique, on obtient des rendements similaires pour la conversion de l’énergie thermique en travail avec des énergies mises en jeu divisées par cinq. Ceci a permis d’envisager la conception et la réalisation d’un banc d’essais pour provoquer l’interaction thermique violente au sein d’un fluide. Afin de reproduire la cinétique de l’interaction, la géométrie du système a été adaptée. L’impulsion d’énergie au sein du fluide est générée à l’aide d’un filament de tungstène subissant la décharge d’une batterie de condensateurs à l’extrémité basse d’un cylindre. Au-dessus de ce cylindre, un réservoir de grand volume offre une source de compressibilité. L’enceinte contenant le CO2 liquide aux conditions thermodynamiques adaptables est instrumentée à l’aide de capteurs de pression le long du tube et des sondes optiques pour repérer la phase vapeur. Ce banc expérimental a permis d’acquérir des observations locales de la réaction telle que la montée en pression du liquide. Un pic de pression franc a été observé pour des impulsions d’énergie relativement faible, de l’ordre de 0,2 kJ. Plusieurs études sur les paramètres d’influences ont été menées. Notamment, l’influence de l’énergie, du diamètre du fil et du sous-refroidissement. / During a reactivity insertion accident, the temperature and the pressure rapidly increase inside the rod and can lead to the rupture of the clad and the ejection of fuel toward the coolant. Since the fuel could be finely fragmented, the thermal interaction between fuel and coolant (FCI) could create a pressure wave as well as a large vapor volume. Safety-related consequences of the FCI may be related to both phenomena. Past experimental studies concerning such a RIA related FCI are in-pile experiments in thermal hydraulics conditions that differ from PWR conditions. Therefore validation of a simulation tool from these data and extrapolation to reactors conditions is subject to uncertainties. This experimental study is devoted to the violent thermal interaction between a hot material and a fluid. An experimental bench has been designed. It is mainly a cylindrical tube, where the interaction takes place, connected to a larger vessel as a compressibility tank. To reduce the required level of energy as well as temperature and pressure conditions, liquid carbon dioxide has been chosen to simulate water in PWR conditions. Respect of thermodynamics similarity criteria allows to lower pressure by a factor 3 and energy per unit mass fluid by a factor 5. To produce the energy pulse, a tungsten wire is heated by Joule effect from the discharge of a 27 mF capacity. Design of the tank allows for a relatively long mechanical relaxation of the coolant with regards to the heat transfer kinetics. The pressure wave is recorded thanks to four dynamic pressure sensors along the tube. Two dual tip fiber optical probes allow characterizing the kinetics of vapor formation near the wire. The data acquisition system operates with a required frequency of the MHz range. This test bench allows to record the local behavior of the fluid such as the pressurization of the liquid. A very clear pressure wave have been recorded just after weak energy pulse around 0.2 kJ. The influence of some major parameters on these quantities have been studied. For example, the liquid level in the tank is increased between two tests up to be totally fu ll, so, the influence of the compressibility is highlighted. Also, three different wire diameters have been used to modify the heat transfer kinetics. Finally, several intensities of the energy pulse have been considered. All these studies help to improve the understanding on the thermal interaction potentially involved in the nuclear reactor safety context.

La pile à combustible (PàC) est une source d’énergie qui produit de l’électricité à partir de l’hydrogène et de l’oxygène.Elles sont très prometteuses pour la production d'énergie électrique. Néanmoins, la PàC souffre encore d’imperfections limitant ainsi sa commercialisation à grande échelle, tout particulièrement pour les applications de transport.C’est pourquoi, l’hybridation des différentes sources d’énergies est devenue une réalité pour les applications non-stationnaires telles que les véhicules tout électriques.Cependant ces applications nécessitent des solutions de gestion de l’énergie fiables prenant en compte toutes les contraintes du système électrique hybride.Par conséquent, le développement de plateforme de validation est nécessaire.Dans ce contexte, le Hardware In the Loop (HIL) est une technique très prometteuse, où une partie d’un système réel peut être remplacée par un système virtuel tout en respectant la communication entre ces sous-systèmes physiques et virtuels.Ce mémoire détaille des modèles dynamiques d'une pile à combustible échangeuse de proton (PEMFC) hybridée à des supercondensateurs.Par ailleurs, on détaille la gestion d’énergie entre ces deux sources, ainsi que le pronostic de la pile basé d’une part d’un filtre de Kalman étendu (EKF) pour l’estimation de l’état de santé (SoH) réel de la pile, et d’autre part, de la méthode Inverse First Order Reliability Method (IFORM) en vue d’estimer la durée de vie utile restante de la pile, tout cela dans une approche Hardware-In-The-Loop (HIL). / The fuel cell is a source of energy that generates electricity from hydrogen and oxygen.They are very promising candidates for the production of electric power.Nevertheless, the fuel cell still suffers from imperfections limiting its commercialization on a full scale, in particular for transport applications.This is the reason why, hybridization of different energy sources has become a reality for non-stationary applications such as all-electric vehicles.However, these applications require reliable energy management solutions that take into account all the constraints of the hybrid electrical system.Therefore, the development of validation platform is necessary.In this context, the Hardware In the Loop (HIL) is a very promising technique, where part of a real system can be replaced by a virtual system while respecting the communication between these physical and virtual subsystems.This document details the dynamic models of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) associated with supercapacitors.Furthermore, the energy management between these two sources and the prognostic of the fuel cell composed of a extenced Kalman Filter filter (EKF) for the estimation of the real state of health (SoH) of the stack and, on the other hand, of the Inverse First Order Reliability Method (IFORM) in order to estimate the remaining useful life of the stack, all implemented in an FPGA control board in a Hardware-In-The-Loop (HIL) context.

L'hydrogène à travers de l'utilisation des piles à combustible (PAC), est de plus en plus considéré comme une option énergétique possible au secteur des transports grâce à ces caractéristiques fonctionnelles. Cependant, la technologie liée à la mise en œuvre de véhicules alimentés par une pile à combustible n'a pas encore atteint le niveau de maturité requis. Ainsi, ce travail propose de traiter certaines de ces limitations qui existent encore. Plus précisément, trois thèmes représentent les objectifs de ce travail : Le dimensionnement optimal des éléments présents dans un véhicule hybride à pile à combustible. La gestion d'énergie optimale pour les applications en temps réel et intégrant les contraintes dynamiques du système PAC. Inclusion de la durabilité de la pile à combustible dans la gestion d'énergie du véhicule. Le premier thème est abordé à travers l'élaboration d'une méthodologie de dimensionnement adapté à un véhicule hybride à la pile à combustible. Dans une approche systématique, le dimensionnement proposé combine les exigences de performance présente dans les spécifications techniques du véhicule, les algorithmes d'optimisation, l'analyse de la mobilité de la population et la viabilité économique de la conception. Le deuxième objectif établi a été développé à l'aide d'une approche d'optimisation de la répartition de puissance entre la batterie et le système PAC. Par l'adoption d'une méthode d'optimisation globale combinée à une stratégie de commande prédictive et l'inclusion de la dynamique du système PAC, un algorithme de gestion d'énergie pour des applications de temps réel a été conçu. Enfin, la durabilité de la pile à combustible a été incluse dans ce travail par l'intégration de sa dynamique de dégradation dans le problème d'optimisation lié à la gestion d'énergie. Cette dynamique représente une contrainte à prendre en considération lors de la répartition de puissance entre le système PAC et la batterie. / The hydrogen, through the use of fuel cell stacks (FC), has been increasily considered as an energy possible option for the transport sector. Nevertheless, the technology related to its implementation in fuel cell vehicles has not reached the required maturity level. Therefore, this work intends to deal some of these existing limitations. More precisely, three topics represent the objectives of this work: The optimal sizing of the element present in the fuel cell hybrid vehicle. The development of an optimal energy management strategy oriented for real time applications and including the dynamic constraints of the FC system. The inclusion of the fuel cell durability in the vehicle energy management strategy. The first topic is tackled by the development of a sizing methodology adapted to the fuel cell hybrid vehicle application. Using a systematic approach, the proposed sizing method combine the performance requirements present in the vehicle's technical specifications, optimization algorithms, population mobility behavior and the economic viability of the design. The second assigned objective was developed using an optimization approach for the power split between the battery and the FC system. Through the adoption of a global optimization method allied with a predictive control strategy and the inclusion of the FC system dynamics, it was created an energy management algorithm oriented for real time applications. Finally, the fuel cell durability was included in this work by the integration of its degradation dynamics in the optimization problem, which is related to the vehicle's energy management. Such dynamic represents a constraint that should be taken into account in the power sharing between the FC system and battery

L’accident de Fukushima-Daiichi du 11 Mars 2011 a fortement marqué l'industrie nucléaire en mettant en évidence plusieurs faiblesses dans le contrôle des systèmes critiques qui assurent la sécurité des centrales nucléaires, en particulier, lors de conditions accidentelles. Cette thèse a été réalisée en collaboration avec AREVA, groupe industriel français actif dans le domaine de l'énergie, avec l’objectif de réaliser des capteurs à fibres optiques résistants aux contraintes sévères d'une centrale nucléaire et, en particulier, de surveiller la température et le niveau de l'eau à l'intérieur d’une piscine de stockage de combustible. La thèse est composée de deux parties organisées en 7 chapitres. Dans la première partie, le chapitre 1 traite des phénomènes contribuant à l'atténuation de la lumière au cours de sa propagation dans la fibre et donne un aperçu des effets des radiations sur les fibres optiques. Pour identifier la technique la plus prometteuse adaptée aux applications visées par AREVA, le chapitre 2 propose un état de l’art sur les capteurs distribués à fibres optiques existants avec une attention particulière à leur emploi dans des environnements radiatifs. La dernière partie de ce chapitre est consacrée à la description détaillée de l’OFDR qui est la technique retenue pour cette application. La deuxième partie est consacrée à la présentation des résultats obtenus et leur analyse. Le chapitre 3 présente le détail des irradiations et des traitements thermiques, les échantillons retenus et les bancs de mesure utilisés. Afin de déterminer la meilleure combinaison fibre/technique par rapport à l’application visée, une étude systématique des capteurs distribués de température et de contrainte a été réalisée. Les effets permanents des rayonnements (niveaux de dose du MGy) sont étudiés dans le chapitre 4. Le chapitre 5 illustre des mesures in situ sur les fibres résistantes aux radiations pour comprendre les effets combinés de la température et des radiations (rayons X), effets représentatifs des conditions nominales et accidentelles des piscines de stockage. Enfin, nous avons développé un prototype de capteur de niveau d’eau pour les piscines de combustible qui est décrit dans le chapitre 6. Ensuite, les principales conclusions et les perspectives de ce travail de thèse sont discutées / Fukushima-Daiichi event on March 11th, 2011, signed a turning point in nuclear industry by highlighting several weaknesses in the control of critical systems that ensure the safety in nuclear power plant (NPP) operating, particularly, in accidentals conditions. This PhD thesis has been carried out in collaboration with AREVA, the French industrial group active in the energy domain, with the aim of realizing optical fiber sensors resistant to the harsh environment constraints of a NPP and, in particular, to monitor temperature and water level several parameters inside the spent fuel pools (SFPs). It consists of two parts organized in 7 chapters. In the first part, chapter 1 deals with the phenomena contributing to the light attenuation during its propagation along the fiber and gives an overview on the radiation effects on optical fibers. To identify the most promising technique suitable for AREVA needs, in chapter 2 is reported the state-of-the-art on the distributed OFSs with particular attention to their employment in radiation environments. The last part of this chapter is devoted to the detailed description of the OFDR that is the selected sensor technique for this application. The second part is devoted to present and discuss the obtained results. Chapter 3 gives the experimental details on radiation and thermal treatments, investigated samples and used setups. In order to determine the best fiber/setup combination, a systematic study on temperature and strain distributed sensors was carried out in relation to the harsh constraints demanded from the application. The permanent radiation (MGy dose levels) effects on different fiber classes are investigated in Chapter 4. Chapter 5 illustrates in situ measurements on radiation resistant fibers to understand the combined temperature and radiation (X-rays) effects representative of the SFP nominal and accidental conditions. Simultaneously, we have developed the OFS design for its integration at SFP facility. The prototype is described and its performance is evaluated in chapter 6. Then, the main conclusion and perspective are discussed / L'incidente di Fukushima-Daiichi dell’11 marzo 2011 ha segnato un punto di svolta per l’industria nucleare, mettendo in evidenza diversi punti deboli nel controllo di sistemi critici che garantiscono la sicurezza nelle centrali, in particolare in condizioni di incidente. Questa tesi è stata condotta in collaborazione con AREVA, il gruppo industriale francese attivo nel settore dell'energia, con l'obiettivo di produrre sensori a fibra ottica resistenti alle condizioni estreme di una centrale nucleare e, in particolare, per controllare diversi parametri all'interno di una piscina di stoccaggio di combustibile nucleare, quali la temperatura e il livello dell'acqua. La tesi si compone di due parti organizzate in 7 capitoli. Nella prima parte, il capitolo 1 riguarda i fenomeni che contribuiscono all'attenuazione della luce durante la sua propagazione nella fibra e permette di comprendere gli effetti della radiazione sulle fibre ottiche. Per identificare la tecnologia più promettente per le esigenze di AREVA, nel capitolo 2 é discusso lo stato dell’arte sui sensori distribuiti con particolare attenzione alle loro performance in ambienti radiativi. L'ultima parte di questo capitolo è dedicato ad una descrizione dettagliata della tecnica OFDR che è la tecnologia scelta per questa applicazione. La seconda parte è dedicata a presentare e discutere i risultati. Il capitolo 3 fornisce i dettagli sui campioni studiati e i trattamenti effettuati su di essi e descrive il setup utilizzato. Per determinare la migliore combinazione fibra/tecnica per l’applicazione prevista, è stato eseguito uno studio sistematico sulla risposta alla radiazione dei sensori distribuiti di temperatura e strain. Glieffetti permanenti della radiazione (dosi dell’ordine del MGy) su diverse classi di fibre, resistenti e sensibili alle radiazioni, sono discussi nel capitolo 4. Il capitolo 5 riporta le misure in situ sulle fibre resistenti alla radiazione per investigare gli effetti combinati di temperatura e radiazioni (raggi X) rappresentativi delle condizioni operative e accidentali nelle piscine di stoccaggio. Infine, abbiamo sviluppato un prototipo di sensore del livello dell’acqua nelle piscine di stoccaggio che è descritto nel capitolo 6. In seguito, le principali conclusioni e le prospettive sono discusse

Cette thèse porte sur la modélisation des piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC), en vue de leur surveillance et de leur diagnostic par spectroscopie d'impédance. La première partie du document présente le principe de fonctionnement de ces piles, ainsi que l'état de l'art de la modélisation et des méthodes de surveillance et diagnostic. Le modèle physique multi échelle particulièrement détaillé publié en 2005 par A.A. Franco sert de point de départ. Il est simplifié de façon à aboutir à un système d'équations aux dérivées partielles en une unique dimension spatiale. L'objectif principal de la seconde partie est l'analyse harmonique du fonctionnement de la pile. En s'inspirant de travaux classiques sur l'analyse géométrique de réseaux de réactions électrochimiques, un modèle réduit compatible avec la thermodynamique est obtenu. Cette classe de systèmes dynamiques permet de déterminer, pour un tel réseau, une formule analytique de l'impédance de l'anode et de la cathode d'une pile PEMFC. Un modèle complet de la pile est obtenu en connectant ces éléments à des éléments représentant la membrane, les couches diffuses et les couches de diffusion des gaz. Les modèles précédents supposent la pile représentée par une cellule unique et homogène. Afin de permettre d'en décrire les hétérogénéités spatiales, nous proposons finalement un résultat de modélisation réduite d'un réseau de cellules représentées par leur impédance. Ce modèle approxime l'impédance globale du réseau par une "cellule moyenne", connectée à deux cellules "série" et "parallèle" représentatives d'écart par rapport à la moyenne. / This PhD thesis focuses on reduced modeling of PEM fuel cell for supervision and diagnosis by impedance spectroscopy. The first part of the document presents the principle of the PEM fuel cell, as well as the state of the art of modeling and of the methods for supervision and diagnosis. The multiscale dynamic model published in 2005 by A.A. Franco is particularly detailed and serves as a starting point. It is simplified, in order to obtain a system of partial differential equations in a single spatial dimension. The second part is devoted to harmonic analysis of the PEM Fuel cell. Inspired by classical work on the geometric analysis of electrochemical reactions networks, a model compatible with thermodynamics is obtained. This class of dynamic systems allows establishing, for such a network, an analytical formula of the impedance of the anode and the cathode of the PEM fuel cell. A complete model of the cell is obtained by connecting these elements to the membrane, diffuse layers and gas diffusion layer. The previous models assumed the PEM Fuel cell represented by a single, homogeneous, cell. In order to describe the possible spatial heterogeneities, we finally propose a result of reduced modeling for the impedance of a cell network. This model approximates the overall impedance of the network by a "mean cell", connected to two cells, put in "serial" and "parallel", and representative of the deviations from the average.

Memoria (licenciado en ciencias jurídicas y sociales) / Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento

Os transformadores de potência são alguns dos elementos mais importantes dos sistemas elétricos. A confiabilidade e o bom funcionamento destes equipamentos são vitais para que as companhias de energia forneçam eletricidade com qualidade e segurança. Um dos principais parâmetros que envolvem a normalidade da operação dos transformadores é o estado da isolação interna formada pelo óleo mineral e o papel que cobre as bobinas. Danos nessa isolação resultam na degradação destes dielétricos e, por conseqüência, na diminuição da vida útil dos transformadores. Essa degradação, que advém de processos elétricos, térmicos, ou mesmo mecânicos, geram gases combustíveis cujas quantidades individuais podem indicar o tipo de falha e a gravidade do problema. Desta forma, é importante detectar os principais gases envolvidos. O objetivo deste trabalho é realizar análises e estudos quantitativos da presença de gases inflamáveis dissolvidos no óleo, surgidos através da degradação deste líquido isolante. O cerne deste trabalho está em elaborar ensaios de formação de arco no óleo e, posteriormente, aquecer o fluido para medir a quantidade dos gases combustíveis antes dissolvidos nele. Este estudo visa à melhoria na confiabilidade dos equipamentos projetados para detectar e monitorar o surgimento de gases inflamáveis no interior de transformadores de potência existentes em subestações de companhias de eletricidade. / Power transformers are some of the most important elements of electrical systems. The trustworthiness and the good functioning of this equipment permit power utilities to supply electricity with quality and security. One of the main parameters for transformer\'s operation normality is the state of the internal insulation formed by the mineral oil and the paper that covers the bobbins. Damages in this insulation cause its dielectric degradation and, consequently, the reduction of the equipment useful life. This degradation which originates from electrical, thermal, or even mechanical processes generates chemical products such as gases whose individual amounts may indicate the type of imperfection and gravity of the problem. That\'s why the detection of the main involved gases is important. This work intends to elaborate analyses and studies of the presence of inflammable gases dissolved in oil through the degradation of the insulating liquid. The principal topic of this work is the arc formation elaboration in the oil and later the heating of the oil to measure the amount of gases previously dissolved in it. This study also aims to improve the trustworthiness of the projected equipments in order to detect and monitor the sprouting of existing inflammable gases in the interior of power transformers in substations of power utilities.

Ce travail s’oriente vers la valorisation du traitement d’eaux usées à partir de piles à combustibles microbiennes (PCM) benthiques pour la production d’électricité. Cette technologie permet la production d’électricité à partir de micro-organismes électro-actifs (EA) et d’un substrat carboné qui peut être de l’eau usée.Quatre types d’eaux usées issues de l’activité anthropique sont sélectionnés. La présence de micro-organismes EA est mise en évidence par 2 méthodes électrochimiques. En condition réelle, le milieu lagunaire présente les meilleures performances électriques (6,6 mW/m²). Celui-ci propose l’environnement le plus favorable à l’installation dePCM benthiques in-situ. Les résultats montrent une forte influence des micro-algues sur l’activité des biofilms EA. Avec un cycle jour/nuit, cette production varie en suivant les cycles d’éclairage. Les micro-algues apportent l’oxygène nécessaire aux réactions cathodiques. Les PCM améliorent également la consommation de polluants du milieu cathodique.L’alimentation de petits dispositifs tels que des capteurs passe obligatoirement par une augmentation de la tension délivrée par les biopiles. Différentes techniques d’élévation de la tension (mise en série et en parallèle de plusieurs piles, convertisseurs DC/DC) sont analysées. Un capteur de température et d’humidité a fonctionné durant plus de 15 h directement alimenté par une de nos biopiles benthiques avec une puissance de 328 µW. Sa tension de sortie est augmentée par un convertisseur de type Flyback, passant de 560 mV à plus de 5,5 V. L’utilisation de PCM in-situ dans la lagune peut constituer une alternative à la production électrique et au traitement des eaux usées. / The work described in this document is oriented to enhancing the treatment of wastewater from benthic microbial fuel cell (BMFC) for electricity production. This technology allows the production of electricity from electro-active (EA) microorganisms and carbonated substrate which may be the wastewater.Four types of wastewater from human activity are selected. The presence of EA microorganisms is highlighted by two electrochemical methods. In real conditions, the lagoon environment has the best electrical performance (6.6 mW/m²).The lagoon environment offers the most favorable environment for installation BMFC in-situ. The results show a strong influence of microalgae on the EA biofilms activities and thus on the production of electricity. In lagoon conditions, with a day/night cycle, this production varies according to the lighting cycles. Microalgae bring oxygen necessary for cathode reactions at lower cost. BMFC also improve the consumption of pollutants including organics.Electrical supply by small devices such as sensors necessarily requires an increase of the voltage delivered by BMFC. The different voltage boosting techniques such as series and parallel connections of several units or the use of DC/DC converters are performed and analyzed. A temperature and humidity sensor worked for more than fifteen hours directly powered by a BMFC with a power of 328 µW. Its output voltage is increased by a flyback type DC/DC converter, from 560 mV to more than 5.5 V. The use of PCM in-situ in the lagoon can be an alternative to the power generation and the treatment of wastewater.

Le développement des Piles à Combustible (PàC) est en plein essor dans le contexte de transition énergétique mondial. La production d'énergie électrique par les PàCs possède l'atout majeur de ne rejeter que de l'eau et de la chaleur, sans émission de gaz à effet de serre. Pour un développement et une commercialisation plus large des PàCs comme générateurs d'énergie, leur fiabilité et leur durée de vie. Cette thèse est dédiée au Contrôle Tolérant aux Fautes appliquée à la gestion de l'eau dans les Piles à Combustibles de type PEM. Une gestion appropriée de l'état d'hydratation de la PEMFC contribue à éviter les dégradations irréversibles de ses composants et ses performances, et par conséquent à un allongement de sa durée de vie et une augmentation de sa fiabilité. La stratégie de Contrôle Tolérant aux Fautes Actif proposée est constituée d'une méthode de diagnostic basée modèle pour la détection et l'isolation des fautes et d'un contrôleur PID auto-adaptatif régulant la surstoechiométrie en oxygène. Il est à noter que cette stratégie a été validée en ligne sur un système PàC réel. / Fuel Cell (FC) development is expending due to global energy transition. Power generation using FC results in water and heat as by-products, without emission of greenhouse gases. To continue developing and expanding its use as power generators, FC lifetime and reliability have to be enhanced. This thesis work is dedicated to Fault Tolerant Control System (FTCS) applied to water management in PEM Fuel Cells. An appropriate water management of FC allow to avoid irreversible degradations of FC components and performance that lead to an improvement of FC reliability and lifetime.The proposed FTCS is composed of a model-based diagnosis method applied to fault detection and isolation, and a self-tuning PID strategy for oxygen excess ratio control. This strategy is tested and validated on-line on a real FC system.