conception d`une source hybride utilisant une pile a combustible et

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
Phatiphat THOUNTHONG
CONCEPTION D’UNE SOURCE HYBRIDE UTILISANT
UNE PILE A COMBUSTIBLE ET DES
SUPERCONDENSATEURS
Soutenue le 9 décembre 2005, devant la commission d’examen
Membres du Jury :
M. COQUERY Gérard Président
M. COSTA François Rapporteur
M. DAVAT Bernard
M. RAEL Stéphane
M. RUFER Alfred Rapporteur

REMERCIEMENTS
Je suis profondément redevable envers M. Panarit SETHAKUL (Directeur du Centre
d'Innovation Franco-Thaïlandais, TFIC) de m’avoir permis d’obtenir une bourse dans le cadre
du projet Franco-Thaïlandais pour l’Enseignement Supérieur et la Recherche. Il a aussi été
mon professeur en électronique de puissance quand je poursuivais mes études d’ingénieur et a
été l’un de mes responsables lors de mes études de Master. Lors de ma candidature au
doctorat, il m’a constamment encouragé et motivé et je veux le remercier tout
particulièrement tant pour ses conseils sur le plan académique que sur la vie en général.
Laissez-moi exprimer ma sincère gratitude au professeur-assistant Dr Somchai
CHATRATANA (adjoint du Président de l'Agence Nationale Thaïlandaise de Développement
de la Science et de la Technologie) pour ses encouragements à continuer mes études jusqu’au
doctorat. Il a été mon autre responsable en Master.
Je voudrais également remercier pour leur aide et leurs conseils mes deux responsables
de thèse le professeur Bernard DAVAT et Dr Stéphane RAEL. Leur patience vis-à-vis d’un
étudiant arrivant de la lointaine Asie a été constante. Encore merci aux professeurs Bernard
DAVAT et Farid MEIBODY-TABAR pour leur accueil les premiers jours de mon séjour en
France. Quant au Dr Stéphane RAEL, ses conseils lors des réalisations pratiques ont été
précieux et m’ont apporté beaucoup.
J’aimerais ici remercier aussi tous les professeurs que j’ai eus depuis mon plus jeune
âge.
Un grand merci à M. Idris SADLI, thésard comme moi, qui m’a donné les informations
dont il disposait sur la pile à combustible et qui m’a souvent aidé à la faire fonctionner.
Je remercie également les techniciens du Groupe de Recherche en Electrotechnique et
Electronique de Nancy qui ont réalisé les cartes et les circuits de mes montages
expérimentaux.

Merci à mes amis ici et en Thaïlande qui m’ont encouragé tout au long de cette thèse.
Enfin, et j’aurais dû commencer par-là, je suis reconnaissant à ma famille (père, mère,
sœurs et frères), dont l’amour et l'appui m'ont permis de finir ce travail. Ils ont été une source
constante d'encouragement, de soutien et de joie, tout particulièrement mon frère (Prayad
THOUNTHONG) qui a toujours pris soin de moi depuis mon plus jeune âge et qui continue à
le faire aujourd’hui depuis le Paradis.

i
TABLE DES MATIERES
Introduction 1
Chapitre 1 : Pile à Combustible 11
1.1 Introduction 11
1.2 Principes de fonctionnement 12
1.2.1 Types de piles à combustible 13
1.2.2 Pile à combustible de type PEM 13
1.2.3 Tension de circuit ouvert de pile à combustible 15
1.3 Hydrogène 17
1.4 Construction de pile à combustible de type PEM 18
1.4.1 Assemblage membrane-électrodes 19
1.4.1.1 Electrodes 19
1.4.1.2 Electrolyte 20
1.4.1.3 Plaque bipolaire 21
1.4.2 Humidificateur 21
1.5 Système pile à combustible 22
1.5.1 Configuration système 22
1.5.2 Reformeur 22
1.5.3 Gestion de l'air 23
1.5.4 Gestion de l'eau 24
1.5.5 Gestion thermique 24
1.6 Activité commerciale 24
1.7 Modèle pile PEM 29
1.7.1 Pertes d’activation 30
1.7.2 Pertes ohmiques 30
1.7.3 Pertes de concentration 30

Table des Matières
ii
1.8 Conclusion 31
Chapitre 2 : Supercondensateur 33
2.1 Introduction 33
2.2 Principes de fonctionnement des supercondensateurs 35
2.2.1 Principes physiques de base 35
2.2.2 Couche double électrique 39
2.3 Technologie des supercondensateurs 42
2.3.1 Matériaux d'électrodes 42
2.3.2 Electrolyte 43
2.3.3 Séparateur 44
2.4 Principaux constructeurs 44
2.5 Modélisation des supercondensateurs à couche double électrique 45
2.5.1 Modèle théorique 45
2.5.2 Modèle énergétique à deux branches 47
2.5.3 Modèle énergétique distribué 48
2.6 Applications des supercondensateurs 48
2.6.1 Association supercondensateurs-batteries 49
2.6.2 Véhicule électrique 50
2.6.3 Association supercondensateurs-piles à combustible 54
2.7 Conception d'un organe de stockage à supercondensateurs 61
2.7.1 Eléments de dimensionnement 61
2.7.2 Equilibrage en tension 65
2.7.2.1 Circuits d'équilibrage passifs 66
2.7.2.2 Circuits d'équilibrage actifs 66
2.8 Conclusion 70
Chapitre 3 : Conception d'une Source Hybride Pile à Combustible -
Supercondensateurs 71
3.1 Convertisseur de pile 74
3.1.1 Dimensionnement du circuit de puissance 75
3.1.2 Commande et capteurs 78