Modélisation par impédance d'une pile à combustible PEM pour utilisation en électronique de puissance, Impedance modelling of a proton exchange membrane fuel cell for power electronics applications

Idris Sadli

Description

Sous la direction de Bernard Davat
Thèse soutenue le 07 décembre 2006: INPL
Cette thèse s’intéresse à la modélisation dynamique d’une pile à combustible (PàC) PEM en vue de son utilisation en électronique de puissance. Un modèle statique basé sur une expression de la tension en fonction du courant débité est tout d’abord présenté. Le modèle dynamique est élaboré ensuite. Il est montré que l’impédance électrochimique de diffusion-convection (Zd) s’apparente à une ligne de transmission de type RC. Une discrétisation en un nombre fini d’éléments a été effectuée. Afin d’obtenir un modèle simple, deux branches RC différentes sont considérées pour l’impédance Zd auxquelles sont ajoutées la capacité de double couche, les résistances de transfert et de la membrane. Ce modèle est validé sur deux PàC de 500 W et 5 kW sur une gamme de fréquence 5 mHz à 2 kHz, lors d’échelons de courant et lors du débit sur un hacheur élévateur. Il est montré que l’utilisation du découpage haute fréquence du convertisseur permet un diagnostic de l’état d’humidification de la membrane
-Pile à combustible à membrane échangeuse de protons
-Spectroscopie d'impédance
-Impédance faradique
-Modèle dynamique
-Convertisseur statique
This thesis deals with dynamic modelling of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a view to integrate it into power electronics environment. Firstly a static model based on an expression that links current and voltage is presented. The dynamic model is then obtained. It is shown that the electrochemical diffusion-convection impedance (Zd) is similar to a RC transmission line. A discretization on a short number of elements is carried out. In order to obtain a simple model, two different RC branches for Zd impedance, a double layer capacitor, a transfer resistance, and a membrane resistance are considered. This modelling is validated on two 500 W and 5 kW PEMFC, for frequencies varying from 5 mHz to 2 kHz. The model is validated for both fuel cells during current step responses and operation with a boost converter. In this case it is shown how the high frequency switching of the converter can be used to obtain a diagnostic on the humidification state of the membrane
-Protons exchange membrane fuel cell
-Impedance spectroscopy
-Faradic impedance
-Dynamic model
-Static converter
Source: http://www.theses.fr/2006INPL091N/document

Sujets

• Pile à combustible à membrane d'échange de protons

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 375
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE


Ecole Doctorale : Informatique –Automatique – Electrotechnique – Electronique – Mathématiques
Département de Formation Doctorale : Electrotechnique– Electronique




THESE


Présentée à

L’Institut National Polytechnique de Lorraine
En vue d'obtention du titre de

DOCTORAT de l’INPL

Spécialité : Génie Electrique

par
Idris SADLI

Ingénieur de l’université de Béjaia, Algérie


MODELISATION PAR IMPEDANCE D’UNE PILE A
COMBUSTIBLE PEM POUR UTILISATION EN
ELECTRONIQUE DE PUISSANCE


Directeurs de thèse

B. DAVAT
S. RAËL

Soutenue le 07 décembre 2006 devant la commission d’examen

Membres du Jury :

Président : J-M. KAUFFMANN
Rapporteurs : S. BACHA
S. ASTIER
Examinateurs : B. DAVAT
S. RAËL Avant Propos


Ce travail a été effectué au sein du Groupe de Recherche en
Electronique et Electrotechnique de Nancy, sous la direction de
Monsieur le Professeur Bernard Davat que je tiens à remercier de
m’avoir accueilli au sein de son équipe de recherche, c’est un grand
honneur pour moi d’avoir travaillé à ses côtés. Je tiens à le remercier
pour la confiance qu’il m’a accordée tout au long de cette thèse.

Je remercie chaleureusement M. Stéphane Raël, maître de conférence,
HDR, à l’ENSEM, d’avoir co-encadré cette thèse, pour son enthousiasme
et tous les précieux conseils qu'il m’a apportés.

J’exprime mes sincères remerciements à M. Jean-Marie Kauffmann,
professeur à l'université de Franche-Comté, pour avoir accepté de juger
ce travail et pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury.

Je remercie M. Stéphan Astier, professeur à l’INPT, ainsi que M.
Seddik Bacha, professeur à l’INPG, d’avoir accepté de rapporter sur ce
travail.

Je remercie M. Stéphane Le Doz, ingénieur dans la société GDF, de
m’avoir aidé à faire fonctionner la pile de Gaz de France.

Je remercie le Professeur Abderrezak Rezzoug, directeur du GREEN
pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire.

Merci à Phatiphat Thounthong qui m’a aidé à la réalisation des mesures
avec le convertisseur.

Un grand merci pour Jean-phillipe Martin et Isabelle Schwenker pour
leurs interventions sur la pile.

Merci à mes professeurs et à mes collègues qui m’ont accompagnés et
aidés avec leurs savoir et leurs conseils dans mon parcours. Tout
particulièrement à M. Farid Meibody Tabar, M. Serge Pierfédéricci et
M. Rachid Ibtiouen.

Je voudrais aussi remercier :

- tous les docteurs et les futurs docteurs avec qui j’ai partagé un
café, un repas, pendant toutes ces années dans une ambiance
sympathique. Avant Propos


- l’ensemble du personnel du Laboratoire pour sa gentillesse et pour
la gaîté de l’ambiance qui régnée.
- Je n’oublierais pas celles et ceux qui ont contribué, de près ou de
loin, à l’achèvement de ce travail.

Je voudrais remercier tout particulièrement mes parents ainsi que tous
les membres de ma famille de leur soutien et leurs encouragements tout
au long de mon cursus.
Sommaire


Introduction ........................................................................................................................... 5
Chapitre 1 .............................................................................................................................. 9
Généralités et exemple de système PAC dans un site réel................................................ 9
1.1. Introduction ............................................................................................................ 9
1.2. Généralités sur les piles à combustible .................................................................. 9
1.2.1. Réactions de base ............................................................................................ 9
1.2.1.1. Différents types de piles à combustible.................................................. 11
1.2.1.2. Pile à membrane échangeuse de protons 12
1.2.1.3. Domaines d’applications des piles PEM................................................ 13
1.2.2. Architecture du stack PEM ........................................................................... 14
1.2.2.1. Eléments de base d’une cellule élémentaire de pile PEM...................... 14
1.2.2.1.1. Plaques bipolaires............................................................................ 14
1.2.2.1.2. Couches de diffusion....................................................................... 15
1.2.2.1.3. Assemblage Membrane - Electrodes............................................... 15
1.2.2.2. Aspect dimensionnement et construction d’un stack ............................. 15
1.2.3. Système pile à combustible PEM.................................................................. 16
1.2.3.1. Auxiliaires d’une pile à combustible PEM ............................................ 16
1.2.3.2. Alimentation en combustible ................................................................. 17
1.3. Exemple de système pile à combustible en mode stationnaire ............................ 18
1.3.1. Caractéristiques techniques........................................................................... 19
1.3.2. Architecture générale du système 20
1.3.3. Cœur de pile .................................................................................................. 20
1.3.4. Production du combustible, hydrogène......................................................... 21
1.3.5. Architecture électrique .................................................................................. 23
1.3.5.1. Schéma électrique de l’installation ........................................................ 25
1.3.5.2. Schéma des convertisseurs statiques ...................................................... 26
1.3.6. Procédure de démarrage du système ............................................................. 30
1.3.7. Modes de fonctionnement ............................................................................. 30
1.3.8. Evaluation des pertes..................................................................................... 32
1.4. Conclusion............................................................................................................ 33
Chapitre 2 ............................................................................................................................ 35
Modélisation par impédance d’une pile à combustible PEM.......................................... 35
2.1. Généralités 35
2.2. Etat de l’art dans la littérature .............................................................................. 36
2.2.1. Modélisation à l'échelle macroscopique........................................................ 36
2.2.2. Modélisation à l'icroscopique 37
2.2.3. Modélisation par impédance ......................................................................... 38
2.3. Tension aux bornes d’une pile à combustible PEM............................................. 38
2.3.1. Tension à vide, équation de Nernst ............................................................... 38
2.3.2. Tension en charge.......................................................................................... 41
2.4. Modélisation par impédance d’une pile à combustible PEM............................... 48
2.4.1. Introduction ....................................................................................................... 48
2.4.2. Principe de la spectroscopie d'impédance ..................................................... 49
2.4.2.1. Représentation graphique de l’impédance ............................................. 51
2.4.2.2. Impédance d’un circuit électrique .......................................................... 53
2.4.2.2.1. Impédance équivalente d’éléments en série .................................... 53
1Sommaire


2.4.2.2.2 Impédance équivalente d’éléments en parallèle............................... 53
2.4.2.3. Impédance de composants électriques et électrochimiques ....................... 54
2.4.2.3.1 Elément résistif R ............................................................................. 54
2.4.2.3.2. Elément capacitif C ......................................................................... 54
2.4.2.3.3. Elément inductif L........................................................................... 55
2.4.2.3.4.