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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

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N° d'ordre : 2555 Année 2007 Thèse préparée au Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie UMR CNRS N° 5213 THÈSE Présentée pour obtenir le titre de DOCTORAT DE L'UNIVERSITE DE TOULOUSE Delivré par L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Marcos GARCIA ARREGUI Ingénieur de l'Universidad Pública de Navarra Theoretical study of a power generation unit based on the hybridization of a fuel cell stack and ultracapacitors. Application to the design of an aircraft emergency electrical network. Soutenue le 4 décembre 2007 devant le jury composé de : MM. HISSEL Daniel Président et rapporteur LE MOIGNE Philippe Rapporteur MARROYO Luis Examinateur LANGLOIS Olivier Examinateur SAVIN Olivier Examinateur ASTIER Stephan Directeur de thèse TURPIN Christophe Co-encadrant

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Langue Français
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N° d’ordre : 2555 Année 2007

THÈSE


Présentée pour obtenir le titre de

DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TOULOUSE
Delivré par
L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

Spécialité : Génie Electrique

par

Marcos GARCIA ARREGUI

Ingénieur de l’Universidad Pública de Navarra



Theoretical study of a power generation unit
based on the hybridization
of a fuel cell stack and ultracapacitors.

Application to the design of an aircraft emergency electrical network.



Soutenue le 4 décembre 2007 devant le jury composé de :

MM. HISSEL Daniel Président et rapporteur
LE MOIGNE Philippe Rapporteur
MARROYO Luis Examinateur
LANGLOIS Olivier Examinateur
SAVIN Olivier Examinateur
ASTIER Stephan Directeur de thèse
TURPIN Christophe Co-encadrant
Thèse préparée au Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie
UMR CNRS N° 5213

Remerciements
Au terme de ces trois années passées au sein du LAPLACE, je suis très heureux de pouvoir
exprimer mes remerciements à tous ceux qui ont contribué à l’aboutissement de ce travail de doctorat.
D’abord les membres du jury :
• Monsieur Daniel HISSEL, Professeur à l’université de Franche-Comté, pour m’avoir fait
l’honneur de présider cette thèse et d’accepter la lourde tâche de rapporteur. Je le remercie
également pour ses questions pertinentes ainsi que le grand intérêt qu’il a manifesté à l’égard de ce
travail.
• Monsieur Philippe LE MOIGNE, Professeur à l’école Centrale de Lille, pour m’avoir fait
l’honneur de rapporter sur ce travail. Je voudrais le remercier aussi pour son regard critique qui a
enrichi les perspectives de ce travail de thèse.
• Monsieur Olivier SAVIN, Ingénieur au sein de DASSAULT pour sa rigueur, ses fructueux
conseils et son regard critique qui m’ont permis de peaufiner mes travaux durant mes trois années
de thèse, ainsi que sa sympathie.
• Monsieur Olivier LANGLOIS, Ingénieur docteur au sein d’AIRBUS et ancien collègue de bureau
au LAPLACE, pour sa gentillesse et ses conseils toujours bénéfiques.
• Monsieur Luis MARROYO, Profesor de la Universidad Pública de NAvarra (UPNA). Muchas
gracias por haber aceptado ser miembro del jurado y muchísimas gracias por haber aceptado mi
beca erasmus hace ya más de cuatro años. Sin todo esto, esta tesis seguramente nunca hubiera sido
escrita.
• Monsieur Stéphan ASTIER, Professeur à l’ENSEEIHT et directeur de thèse. Grâce à ses qualités
humaines, scientifiques et sa vaste culture générale il était fort agréable de travailler avec Stéphan.
Merci beaucoup.
• Monsieur Christophe TURPIN, Chargé de recherche au CNRS et co-directeur de thèse, pour
m’avoir encadré et dirigé pendant mes trois années de thèse, ainsi que pour son soutien
inconditionnel pendant les mauvais moments. Je lui exprime toute ma gratitude pour la confiance
et l’autonomie qu’il a pu m’accorder. Dans l’avenir, j’essaierai timidement d’imiter ses
impressionnantes qualités scientifiques. Muchas gracias.
Il y a également certaines personnes du laboratoire que j’aimerais remercier :
Parmi les permanents je pense spécialement à : Xavier ROBOAM (chef du groupe), Bruno
SARENI (merci pour l’opti), Stéphane CAUX, Guillaume FONTES, Jacques BENAOUN…
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Un grand merci à Frederick GAILLY, grand buveur des bières et futur jouer du TEC, dont stage
de master recherche j’ai eu le plaisir d’encadrer. Sans Fred je n’aurais réussi à finir la thèse dans le
bon délai. Eskerrik asko Fred !
Et parmi les thésards, je me permets de vous présenter la génération d’or du LEEI :
• Bayram Moro TOUNSI. Amant inconditionnel de l’Espagne (sauf la Catalogne), des espagnoles
(sauf les catalanes évidement) et du CSS. Bayram nous a tous impressionné avec ses fortes
connaissances de foot, tennis, danse, drague… Trois ans plus tard, il nous a encore une fois
impressionné en nous annonçant qu’il avait fait une thèse et qu’il était prêt à la soutenir. Je pense
également à toute la famille Tounsi et j’aimerais conclure en disant : jia te azba l’étoile !
• Marcus Alexandre Toward Viadinho da SOUSA. Malgré son sang brésilien, Marcus est un
amoureux de la France. Les preuves de cet amour sont sa maîtrise de la langue française et les
chants dédiés aux bleus lors du quart de final de la dernière coupe du monde (France 1 - Brésil 0).
En ce moment, il prend du plaisir sur les plages ensoleillées et chaleureuses de Belgique. Je pense
également très fort à la gentillesse de son adorable et magnifique copine : Shanna JACOBS.
• Mathieu Le Gentil COUDERC. Je suis assez fier d’être une des rares personnes qui a réussi à
énerver Mathieu. Je lui souhaite tout le courage du monde pour ses derniers mois de rédaction.
• Bernardo COUGO. Amoureux des bons vins et fromages. Encore un autre brésilien, mais
contrairement au Marcus, il sait danser la samba et jouer au futbol. Bernardo pourrait être un dur
concurrent à Mathieu en termes de gentillesse.
• Ali Logique Floue Abdallah ALI. Prestigieux politicien et futur président du Djibouti. Exilé en ce
moment dans le Royaume de Tarbes, il prépare ses troupes face à son imminent débarquement à
Paris.
• Valentin COSTAN ou monsieur brevet. Délocalisé en ce moment sur les terres de Belfort. Il
apportait sa sympathie et sa touche roumaine au sein du labo.
• Nicolas MARTINEZ. Plein de vécus et d’expériences avec ses 25 ans. On dirait que le temps ne
passe pas pour lui. Il est le co-pilote de Mathieu dans le 4L trophy. Bon courage pour la
rédaction !
• Christophe Tomate Conilh. Sympathique et pas du tout discret marmandais avec lequel on a bien
bu ces dernières années. En ce moment il accompagne Valentin à Belfort.
• Sylvain GIRINON. Imbattable kendoka et joueur professionnel de World Of Warcraft. C’est lui
qui s’est occupé de faire les diapos et les animations de ma présentation de thèse. En ce moment il
essaie d’embobiner les thésards de première année pour remplir la garrafe d’eau à la cantine.
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• No puedo olvidar a los hispanos del laboratorio. Entre Jesús LOPEZ (tu tesis pa’ cuando?), Rafael
DIEZ (no me trates de usted, coño!) y Ramiro DEL ALAMO (coup d’abdo!) han hecho más de la
mitad de mi tesis. Desde estas líneas también quiero denunciar la degradación que ha sufrido
lengua de Cervantes por parte de nuestros hermanos latinoamericanos.
Je ne pourrais oublier de citer dans ces quelques lignes Wojtek, Martin Blodt, Gian Luca, les 3
François (Pigache, Bonnet, Defaÿ), Jérôme Mavier, Adaõ, Mariam, Mehdi, Saghir… Mille excuses à
ceux que j’aurais oubliés !
Cette génération a été caractérisée par les longues discussions à table à propos des IGBT cramés,
thyristors et manipulations effectués la veille dans les bars de Toulouse.
Ces dernières années n’auraient pas été les mêmes sans la présence de certaines personnes
extérieures au labo.
Je pense spécialement à :
• Mes coloks au 4 rue des Gallois : Mathieu et Vincent. Sacrée bande de babacools !
• Mes coloks à l’avenue de Muret : Elodie (Ma montpelliéraine préférée), Nico (now in England !),
Gaëlle et ma charmante colok anglaise : Penny (even if you didn’t want to correct this brief
report !)
• Kiwi, Vinze et Priska !
• Al equipo español : Sebas, Luis, Marcos Vigo, Adriana, Alfonso, JuanPa, Saio, Abraham…
• Toulouse Electrogaz Club (TEC). Mon club de rugby. Rugby, bières et une ambiance très sympa
m’ont accompagné tous les dimanches pendant les trois dernières saisons. Ensemble on a vécu la
montée en promotion honneur et des lundis difficiles.
• A l’équipe de Saint Gaudens : Marjorie et Marlène.
Estas últimas líneas las reservo para mis padres y mi hermano. Sin ellos nada de esto hubiera sido
posible. Os quiero.


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A mis padres y al pijo


ABSTRACT
The presented work deals with the design and conception of an electrical network from a fuel cell
stack and its associated storage device. The framework of this project is an aeronautical and transport
application.
Air pressurized fuel cell stacks need some auxiliary devices that permits a correct gas flow
through the fuel cell stack. Due to the auxiliary devices, the fuel cell dynamics performances may be
limited, and a power buffer is required to support power peaks. Furthermore, hybridization has a
positive effect in the system size, and can lead to reduce the global system weight and volume.
Ultracapacitors seem to be well adequate for this purpose.
Nevertheless, the introduction of a storage device in the electrical network opens a wide range of
possible architectures. Indeed, due to the important voltage variations of the supercapacitor bank and
the fuel cell stack, some power electronics interfaces may be placed in order to assure the electrical
network requirements. Thus, the system behaviour varies according to the position of the power
converters and the storage device in the electrical network. Therefore, the power converter conception,
the retained electrical architecture characteristics and its associated control laws are studied in this
work.
Due to the transport application, the system hydrogen consumption, volume, weight and cost are
essential parameters, and become the key to choose one of the retained architectures. Furthermore, the
system couplings and the important number of design variables makes impossible to design the system
without the help of a software tool. Therefore, and in order to compare fairly all the proposed
architectures, a multiobjective optimization tool is developed.
Keywords
Fuel cell stack System sizing
Ultracapacitors DC-DC converter
Hybridization Multiobjective optimization


RESUME
Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la conception d’un réseau électrique à base d’une
pile à combustible et son organe de stockage associé. Le contexte de ce travail se place dans une
application aéronautique.
Les piles à combustible à air comprimé ont besoin de certains dispositifs auxiliaires qui
permettent la bonne diffusion des gaz à travers les canaux du stack. A cause de ces dispositifs
auxiliaires, la dynamique globale du système est limitée, et une hybridation avec une source de
puissance auxiliaire peut être nécessaire. En outre, l’hybridation a un impact positif sur la taille du
système, et peut mener à la réduction du poids et du volume du système global. Les supercapacités
semblent bien adaptées pour cette mission.
L’introduction d’un organe de stockage dans le réseau électrique permet un vaste nombre
d’architectures possibles. En effet, les variations de tension de la pile et l’organe du stockage lors de
son fonctionnement, imposent l’usage d’une interface d’électronique de puissance, permettant
d’assurer le cahier des charges imposé par le réseau électrique. En conséquence, le comportement
global du système dépend à la fois du positionnement des convertisseurs et des organes de stockage
au sein du réseau électrique. La conception du convertisseur, le comportement électrique des
architectures proposées et le contrôle du système global sont étudiés dans ce travail.
Etant donné que notre système est dédié à une application embarquée, le volume, le poids, le coût
ainsi que la consommation d’hydrogène sont des paramètres clés pour le choix de l’une des
architectures proposées. Cependant, le couplage du système et le nombre important des variables de
conception rendent impossible un choix définitif basé juste sur le savoir faire de l’ingénieur d’études.
Alors, un outil d’optimisation multicritère, permettant de comparer les architectures, doit être
implémenté.
Mots-clés
Pile à combustible Dimensionnement
Supercapacités Convertisseur DC-DC
Hybridation Optimisation