Cette thèse se déroule au sein du Laboratoire Plasma et Conversion d’énergie (LAPLACE), dans le Groupe Génie Electrique et Systémique (GENESYS). Ce groupe de recherche travaille sur la conception de systèmes énergétiques, et notamment les aspects de dimensionnement, de gestion d’énergie et de modélisation de systèmes hétérogènes couplés. Le groupe GENESYS travaille notamment sur les piles à combustible, en étudiant le potentiel de cette technologie au sein de systèmes de production d’électricité.
Le projet « Pile à combustible Pour Applications Aéronautiques (PIPAA) » est porté par un des partenaires industriels du LAPLACE, Safran Power Units, basé à Toulouse. Ce projet vise à concevoir un système de production d'électricité utilisant une pile à combustible hybridée à des stockages électrochimiques (batterie, supercondensateurs) pour des applications aéronautiques.
Dans l’optique de simplifier le système hybride, la thèse a pour objet l'étude de l’hybridation directe d’une pile à combustible type PEM-HT (Pile à membranes échangeuses de protons haute température) avec une batterie. Cette hybridation directe vise d’une part à protéger la pile contre les variations rapides de courant demandées par l’application et d’autre part à la protéger contre les harmoniques de courant générés intrinsèquement par l’électronique de puissance associée en filtrant l’ondulation haute fréquence du courant. Un modèle dynamique du système a été développé, composé de modèles de pile et de batterie identifiés à partir de caractérisations sur des composants typiques. Une caractérisation originale du modèle dynamique de la pile a été menée à partir de sollicitations quasi-statiques réalisées à débits régulés et à débits fixes, et de balayages dynamiques en courant réalisés à débits fixes. Un dimensionnement d’un système hybride direct pile – batterie est proposé à partir d’un modèle au final simplifié du système. Celui-ci, validé par comparaison avec un modèle dynamique plutôt très complet, permet la résolution analytique du système et la comparaison de différentes technologies de batterie – lithium-ion et NiCd – pour une telle hybridation. Par ailleurs, un essai d’endurance permettant d’étudier l’impact d’harmoniques de courant à haute fréquence (HF) est actuellement mené sur 4 monocellules PEM-HT sur un banc développé au cours de ces travaux de thèse. L’analyse la plus poussée possible de ces essais sera proposée afin de démontrer l’intérêt de filtrer ces harmoniques HF par une hybridation directe.
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This thesis takes place within the Plasma and Energy Conversion Laboratory (LAPLACE), in the Electrical and System Engineering Group (GENESYS). This research group works on the design of energy systems, and in particular the aspects of sizing, energy management and modeling of coupled heterogeneous systems. The GENESYS group works in particular on fuel cells, by studying the potential of this technology within electricity production systems. The "Fuel Cell For Aeronautical Applications (PIPAA)" project is led by one of LAPLACE's industrial partners, Safran Power Units, based in Toulouse. This project aims to design an electricity production system using a fuel cell hybridized with electrochemical storage (battery, supercapacitors) for aeronautical applications. In order to simplify the hybrid system, the thesis aims to study the direct hybridization of a fuel cell type PEM-HT (High temperature proton exchange membrane cell) with a battery. This direct hybridization aims on the one hand to protect the fuel cell against the rapid current variations required by the application and on the other hand to protect it against the current harmonics generated intrinsically by the associated power electronics by filtering the ripple high frequency current. A dynamic model of the system was developed, composed of fuel cell and battery models identified from characterizations on typical components. An original characterization of the dynamic model of the fuel cell was carried out using quasi-static stresses carried out at regulated flow rates and at fixed flow rates, and dynamic current sweeps carried out at fixed flow rates. A dimensioning of a direct fuel cell-battery hybrid system is proposed from an ultimately simplified model of the system. This one, validated by comparison with a rather very complete dynamic model, allows the analytical resolution of the system and the comparison of different battery technologies – lithium-ion and NiCd – for such a hybridization. In addition, an endurance test to study the impact of high frequency (HF) current harmonics is currently being carried out on 4 PEM-HT monocells on a test bench developed during this thesis work. The most thorough analysis possible of these tests will be proposed in order to demonstrate the interest of filtering these HF harmonics by direct hybridization. |