Contribution à l`Etude d`Electro-générateurs à Pile à Combustible

N° D’ORDRE :
UNIVERSITE PARIS-SUD XI
Faculté des Sciences d’Orsay
THÈSE DE DOCTORAT
SPECIALITE : PHYSIQUE
Ecole Doctorale « Sciences et Technologies de l’Information des
Télécommunications et des Systèmes »
Présentée par : Toufik AZIB
Sujet :
Contribution à l’Etude
d’Electro-générateurs à Pile à Combustible
Conceptions d’Architectures et de Leurs Commandes
Soutenue le 14 décembre 2010 devant les membres du jury :
M. Bernard DAVAT, Professeur des Universités, ENSEM Nancy Président du jury
Mme Françoise BARBIER, Directrice R&D, Air Liquide Examinateur
M. Alain BOUSCAYROL, Professeur des Universités, USTL Lille Rapporteur
Mme Marie-Cécile PERA, Professeur des Universités, UFC Belfort Rapporteur
M. J. F. CHARPENTIER, Maitre de Conférences HDR, IRENav Brest Invité
M. Claude MARCHAND, Professeur des Universités, UPS11 Orsay Directeur de thèse
M. Olivier BETHOUX, Maitre de Conférences, IUT de Cachan Co-encadrant

Remerciements Page 3
REMERCIEMENTS
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au Laboratoire de Génie Electrique de Paris
(LGEP), au sein de l’équipe Conception Commande et Diagnostic (COCODI), département Modélisation et
Contrôle des Systèmes Electromagnétiques (MOCOSEM).
Je tiens, tout d’abord à remercier Monsieur Claude MARCHAND, Professeur à l’Université Paris Sud 11
et directeur de thèse pour les conditions de travail particulièrement favorables pour mener à bien ces travaux et
auxquels il a apporté toute sa rigueur et son œil critique. Je lui exprime toute ma gratitude
J’adresse également mes remerciements à Monsieur Olivier BETHOUX, Maître de Conférences à l’IUT
de Cachan 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. Sa passion de la recherche, son dynamisme, son
esprit synthétique et son professionnalisme qu’il a manifestés à l’égard de mes travaux m’ont été d’une aide
précieuse lors de ces trois ans. 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.
Meilleurs salutations aux membres du jury de thèse pour l’honneur qu’ils m’ont fait de participer à
l’évaluation de mon travail :
 M. Bernard DAVAT, Professeur des Universités, ENSEM Nancy.
 Mme Françoise BARBIER, Directrice Programmes R&D, H2 Energie, Air Liquide.
 M. Alain BOUSCAYROL, Professeur des Universités, USTL Lille.
 Mme Marie-Cécile PERA, Professeur des Universités, UFC Belfort.
 M. J. F. CHARPENTIER, Maitre de Conférences HDR, IRENav Brest.
et particulièrement Madame Marie-Cécile PERA et Monsieur Alain BOUSCAYROL qui ont accepté la
charge d’être rapporteur
C’est avec joie que je salue les membres du LGEP, et plus particulièrement ceux de l’équipe COCODI pour
leur collaboration enrichissante et l’ambiance agréable qu’ils ont su créer dans ce laboratoire. Je pense
spécialement à Ghislain REMY et Mickael HILAIRET, Maitres de Conférences à l’IUT de Cachan, pour
leurs soutiens et leurs disponibilités.
J’adresse mes vifs remerciements à tous mes amis, pour leur sympathie et leur encouragement durant ces
années d’étude, surtout dans les moments difficiles.
Toute ma gratitude et mes chaleureux remerciements vont à ma famille et à ma belle famille.
Enfin, je ne remercierai sans doute jamais assez ma chère épouse Djamila, qui a su faire preuve d’une
grande patience, de compréhension et m’a accompagné et soutenu de façon permanente dans les moments
difficiles.
A ma très chère Dina
DinaDina
Dina

Page 4

Table des matières Page 5
Table des matières
REMERCIEMENTS ________________________________________________________________ 3
Table des matières ______________________________________________________________ 5
Chapitre 1 Introduction Générale ______________________________________________ 09
1.1 Défi énergétique : ressources et vecteurs énergétiques au centre du paradigme ____________ 10
1.2 La filière hydrogène : vers un vecteur dominant ? ____________________________________ 12
1.3 Contexte et objectifs de la thèse __________________________________________________ 15
1.4 Structure du manuscrit __________________________________________________________ 16
REFERENCES Chapitre 1 _______________________________________________________________ 17
Chapitre 2 Générateur Pile à combustible : description et modélisation _______________ 19
2.1 Introduction ___________________________________________________________________ 20
2.2 Description du système « Pile à Combustible à Hydrogène » ____________________________ 20
2.2.1 Aperçu historique [KORD-1996] [COOK-2001] ______________________________________________ 20
2.2.2 Principe de fonctionnement ____________________________________________________________ 21
2.2.3 Différentes technologies de piles à combustible et les applications associées ____________________ 21
2.2.4 Description des piles à membrane échangeuse de protons PEMFC _____________________________ 22
2.2.5 Description d’un système Pile à Combustible complet _______________________________________ 24
2.2.5.1 Circuit d’alimentation en hydrogène ___________________________________________________ 24
2.2.5.2 Circuit d’alimentation en air __________________________________________________________ 24
2.2.5.3 Sous-systèmes de gestion d’eau et de température _______________________________________ 25
2.3 Description plus fine à des fins de commande ________________________________________ 25
2.3.1 Relation tension / courant _____________________________________________________________ 25
2.3.2 Modélisation de la pile à combustible ____________________________________________________ 27
2.3.2.1 Comportement statique _____________________________________________________________ 29
2.3.2.2 Comportement dynamique __________________________________________________________ 30
2.3.3 Contraintes spécifiques de la PàC vue dans une logique de conception comme source principale ____ 36
2.4 Principe du système hybride à pile à combustible _____________________________________ 37
2.5 Eléments technologiques de stockage d’énergie ______________________________________ 38
2.5.1 Différents types de dispositif de stockage _________________________________________________ 38
2.5.1.1 Supercondensateurs ________________________________________________________________ 38
2.5.1.2 Accumulateurs, piles et batteries [SCHW-2005, BOUL-2009, BLAN-2009] ______________________ 39
2.5.2 Choix d’un système de stockage d’énergie ________________________________________________ 41
2.6 Super-condensateur associée à un système : les enjeux ________________________________ 43
2.7 Conclusion ____________________________________________________________________ 44
REFERENCES Chapitre 2 _______________________________________________________________ 45
Chapitre 3 Choix et pré-dimensionnement de structures de systèmes hybrides à PàC ____ 49
3.1 Les enjeux de l’alimentation électrique par PàC et réservoir d’hydrogène _________________ 50
3.2 Cahier des charges pour la mise en application _______________________________________ 53
3.2.1 Définition du cahier des charges et profil de la demande en puissance _________________________ 53
3.2.2 Pré-dimensionnement des constituants du système ________________________________________ 55