modelisation par impedance d`une pile a combustible pem

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
1
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'échelle microscopique ........................................................ 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