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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
No d'ordre : 2248 Annee 2005 THESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Specialite : Genie Electrique par Guillaume Fontes DEA Genie Electrique de l'INPT Modelisation et caracterisation de la pile PEM pour l'etude des interactions avec les convertisseurs statiques soutenue le 16 septembre 2005 devant le jury compose de : M. Yann Bultel Rapporteur M. Jean-Paul Ferrieux Rapporteur M. Jean-Marie Kauffmann Examinateur M. Thierry Meynard Examinateur, directeur de these M. Christophe Turpin Examinateur, codirecteur de these M. Ewen Raugel Examinateur, societe Helion These preparee au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT UMR CNRS No 5828

  • electronique de puissance

  • maillon essentiel de la chaıne d'exploitation de l'hy- drogene

  • power electronics

  • essais experimentaux originaux

  • harmoniques de courant generes


Publié le : mardi 19 juin 2012
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Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 219
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oN d’ordre : 2248 Ann´ee 2005
`THESE
pr´esent´ee
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
´Sp´ecialit´e : G´enie Electrique
par
Guillaume Font`es
´DEA G´enie Electrique de l’INPT
Mod´elisation et caract´erisation de la
pile PEM pour l’´etude des interactions
avec les convertisseurs statiques
soutenue le 16 septembre 2005 devant le jury compos´e de :
M. Yann Bultel Rapporteur
M. Jean-Paul Ferrieux Rapporteur
M. Jean-Marie Kauffmann Examinateur
M. Thierry Meynard Examinateur, directeur de th`ese
M. Christophe Turpin Examinateur, codirecteur de th`ese
M. Ewen Raugel Examinateur, soci´et´e H´elion
´ ´Th`ese pr´epar´ee au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT
oUMR CNRS N 5828R´esum´e
Face aux enjeux ´energ´etiques et environnementaux, l’hydrog`ene suscite beaucoup
d’espoir. Dans divers domaines de la physique, de tr`es nombreux travaux ont ainsi ´et´e
entrepris sur la pile `a combustible, maillon essentiel de la chaˆıne d’exploitation de
l’hydrog`ene.
1En´electronique de puissance, beaucoup d’´etudes ont´et´e men´ees sur la mise en uvre
2
d’une production d´ecentralis´ee ou sur des convertisseurs statiques d´edi´es. Cependant,
tr`es peu de travaux ont port´e sur les interactions entre les piles `a combustible et les
convertisseurs.
Cette th`ese propose des mod`eles ´electriques (type circuit) dynamiques et forts
signaux de pile `a combustible PEM aliment´ee en hydrog`ene et oxyg`ene purs. Ces
mod`eles prennent en compte les diff´erents ph´enom`enes physico-chimiques au sein d’une
pile `a combustible. Des m´ethodes bas´ees sur un nombre limit´e d’essais exp´erimentaux
originaux (balayages en courant `a basses fr´equences de fortes amplitudes) permettent de
param´etrer ces mod`eles. Ces mod`eles sont ensuite utilis´es pour l’´etude des interactions
entre les piles a` combustible PEM et les convertisseurs statiques les plus usit´es : hacheur
abaisseur, hacheur ´el´evateur, onduleurs de tension monophas´e et triphas´e. Le rˆole
fondamental des ph´enom`enes de double couche dans ces interactions est d´emontr´e : ils
interviennent avantageusement pour permettre `a une pile `a combustible de tol´erer les
harmoniques de courant g´en´er´es intrins`equement par les convertisseurs statiques. Des
tendances pour le choix des ´el´ements de filtrage `a mettre en œuvre en sont d´eduites.
Mots cl´es
• Electronique de puissance
• Convertisseurs
• Pile `a combustible
• Mod´elisation
• Caract´erisation
• Interactions
• Harmoniques de courant
• M´ethodes d’identification de param`etres
3Abstract
The climatic and energy challenges were now clearly stated. The use of hydrogen is
one of the best ways which gives many hopes. Fuel cells are an essential link in the chain
oftheuseofhydrogen.Thus,alotofstudieshavebeenundertakenthroughouttheworld
on fuel cells in many fields of physics.
Concerning the field of power electronics, a lot of work on distributed generation
technologiesusingfuelcellshasbeenrealisedtooandagreatnumberofpowerconverters
dedicatedtofuelcellshavebeenstudied.However,veryfewstudieshavebeenundertaken
on the interactions between fuel cells and power converters.
The goals of this work are to study interactions between fuel cells and power
converters. Some requirements for the power electronic engineer can follow from this work.
This work proposes high signal dynamic models of a H /O PEM fuel cell. These2 2
models include the different physical and chemical phenomena. Specific methods based
on a limited number of original experiments (low frequency current sweeps) allow to
extract the model parameters. These models are used to study the interactions between
fuel cells and power converters which are the most used : buck chooper, boost chopper,
inverters. The important part of the double layer capacitors has thus been underlined :
they can filter the current harmonics created by the power converters. Finally, some
choices of filtering elements to be connected to the fuel cell are proposed.
Keywords
• Power Electronics
• Power Converters
• Fuel cell
• Modelling
• Interactions
• Current harmonics
• Parameter Identification
5Remerciements
Les travaux de recherche pr´esent´es dans ce m´emoire ont ´et´e men´es au Laboratoire
d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle au sein du groupe Convertisseurs. Ces
travaux ont ´et´e financ´es par une allocation du Minist`ere de l’Education Nationale, de la
Recherche et de la Technologie.
Mes premiers remerciements iront `a M. Yvon CHERON, directeur du LEEI, de
m’avoir accueilli dans son laboratoire, et M. Philippe LADOUX de m’avoir accept´e dans
son ´equipe.
Je tiens ensuite `a remercier les membres du jury de th`ese :
M. Jean-Marie KAUFFMANN, Professeur et Directeur du L2ES `a Belfort, pour
m’avoir fait l’honneur d’accepter de pr´esider le jury.
M. Yann BULTEL, Maˆıtre de Conf´erences `a l’ENSEEG, Habilit´e `a Diriger des
Recherches au Laboratoire d’Electrochimie et Physico-chimie des Mat´eriaux et des
Interfaces,
ainsi que M. Jean-Paul FERRIEUX, Professeur `a l’ENSIEG et chercheur au
Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble,
pour avoir accept´e d’ˆetre les rapporteurs du m´emoire et pour l’int´erˆet qu’ils y ont
port´e, et pour les diff´erentes remarques constructives dont ils ont fait preuve dans leur
rapport.
M. Ewen Raugel, Docteur-Ing´enieur de l’entreprise H´elion `a Aix-en-Provence, pour
avoir aimablement accept´e de prendre part au jury, et d’avoir apport´e une vision
industrielle sur mes travaux.
M. Thierry Meynard, Directeur de Recherche au CNRS, pour avoir accept´e d’ˆetre
mon directeur de th`ese. La pertinence de ses remarques, de ses conseils, des ´echanges
que nous avons pu avoir, a ´eclair´e mon chemin durant ces trois ann´ees de th`ese. Je le
remercie ´egalement pour ses grandes qualit´es humaines.
M. Christophe Turpin, Charg´e de Recherche au CNRS, pour avoir encadr´e ce
travail de th`ese. Ces quelques lignes ne suffiront pas `a exprimer toute ma gratitude...
Entre autres, je le remercie pour toute la rigueur qu’il a apport´e, pour le temps et les
conseils qu’il n’a pas compt´es, pour l’enthousiasme insatiable dont il fait preuve pour la
recherche. Qualit´es que j’aimerais timidement imiter.
7Je tiens `a t´emoigner particuli`erement de la reconnnaissance que je porte :
`a M. St´ephan ASTIER, Professeur au LEEI, pour les conseils qu’il a ´egalement
pu me fournir durant ces trois (et bientotˆ quatre) ann´ees au laboratoire. Sa foi et
son investissement pour lancer les nombreux projets sur les nouvelles technologies de
l’´energie m’ont profond´ement marqu´e.
`a M. Xavier ROBOAM, Directeur de Recherche au CNRS, pour son soutien et sa
bonne humeur.
`a M. Maurice COMTAT, Professeur au Laboratoire de G´enie Chimique de Toulouse
(LGC),
et M. Bernard LAFAGE, Maˆıtre de Conf´erences au Laboratoire de G´enie Chimique
de Toulouse (LGC), pour ses conseils et ses ´eclaircissements dans le domaine de
l’´electrochimie et de la thermodynamique.
a` M. Fr´ed´eric RICHARDEAU, Charg´e de Recherche au CNRS, pour les conseils
pertinents dont il a pu faire part. Je souhaite ´egalement le remercier pour ses qualit´es
p´edagogiques.
a` M. Guillaume GATEAU, Maˆıtre de Conf´erences au LEEI, pour la bonne humeur
et l’ambiance `a laquelle il contribue ´enorm´ement dans l’´equipe de moniteurs charg´es des
TP circuits, et pour avoir relanc´e le projet «WebTP».
Je souhaiterais ´egalement adresser mes remerciements aux enseignants qui m’ont
sp´ecialement marqu´e au cours de mon cursus universitaire :
Monsieur Bernard MULTON, professeur `a l’ENS Cachan - Antenne de Bretagne,
qui m’a donn´e une autre vision de l’enseignement en g´enie ´electrique.
Monsieur Henri FOCH, qui a sa part de responsabilit´e si je suis venu voir Christophe
au LEEI avec la ferme volont´e de faire une th`ese en Electronique de Puissance (mˆeme
si le sujet a «l´eg`erement» d´evi´e).
Monsieur Jacques LEQUIN, professeur agr´eg´e au Cycle Pr´eparatoire Polytechnique
de Toulouse, qui m’a sans doute le premier donn´e envie de faire de l’enseignement.
Je remercie encore l’ensemble du personnel du LEEI autre que chercheur et
enseignant-chercheur :
Messieurs Jacques BENAOUIN, Jean HECTOR et Philippe AZEMA, les
informaticiens, animant ainsi la vie du laboratoire...
Messieurs Didier GINIBRIERES, Jean-Marc BLAQUIERES et Jacque LUGA, pour
leur aide et leur bonne humeur.Mesdames Christine BODDEN, Raymonde ESCAIG, PIONNER, Val´erie
SCHWARTZ, et Fatima MEBREK, sans qui le LEEI ne pourrait fonctionner.
Merci ´egalement `a l’ensemble des th´esards, ex-th´esards et amis :
Laurent BLETZACKER, th´esard `a l’Institut de M´ecanique de Fluides de Toulouse,
pour l’aide pr´ecieuse qu’il a pu m’apporter concernant les ph´enom`enes de diffusion dans
la pile... Sans lui, je n’y serai jamais arriv´e.
Nicolas ROUX et R´emi SAISSET, que je ne souhaiterais absolument pas s´eparer
pour ces remerciements. Merci pour leur aide, leur bonne humeur pendant ces trois
ann´ees.
Alexis RENOTTE, «coll`egue» et coll`egue de bureau, entre autres... Je n’oublierai
pastonstyledemanierlasouris...Encequiconcernelescoll`eguesdebureau,jesouhaite
remercier aussi C´edric LIOT.
Les plus anciens, Gilbert MANOT, Laurent DELMAS, Laurent PEYRAS, R´egis
RUELLAND, Dominique ALEJO et J´er´emy REGNIER.
Mes homologues, entre autres, Christophe VIGUIER (Titou), Sylvain CANAT,
J´erˆome DUVAL (Pastis), Paul-Etienne VIDAL, Lauric GARBUIO.
¨Ceux qui vont tr`es bientˆot entamer la prose scientifique, Martin BLODT, GianLuca
POSTIGLIONE, Julien FONTCHASTAGNER.
Les nouveaux Fran¸cois et Fran¸cois, DEFAY et BONNET, membre de la nouvelle
«dreamteam» des TPs circuits...
Milles excuses et merci ´egalement `a ceux que j’ai pu oublier!
Merci encore `a mes amis hors labo, Denis, Laurent et
Nathalie.
Enfin,jesouhaiterais´egalementremerciertoutemafamille,mesparentsetmesgrandparents, qui m’ont toujours soutenu et encourag´e dans ces longues ´etudes. Mes derniers
mots iront `a mon amie qui m’a soutenu. Je sais que cela n’a pas ´et´e toujours facile,
surtout ces derniers mois... Je la remercie de tout mon cœur!

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