PDF - Thèses INP Toulouse

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Thèse
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TOULOUSE
Délivré par
L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique
Présentée et soutenue par
Samer RABIH
Contribution à la modélisation de systèmes
réversibles de types électrolyseur et pile à hydrogène
en vue de leur couplage aux générateurs
photovoltaïques
Soutenue le 03 OCTOBRE 2008
Devant le jury composé de
M. HISSEL Daniel Président et Rapporteur
M. BULTEL Yann Rapporteur
M. ASTIER Stéphan Examinateur
M. TURPIN Christophe Examinateur
Ecole Doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Thèse préparée au laboratoire Plasma et Conversion d’Energie
UMR CNRS N° 5213
LAPLACE - 2, rue Charles Camichel - BP 7122 - 31071 Toulouse Cedex
Directeurs de thèse : ASTIER Stéphan
TURPIN Christophe

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RESUME
Une réponse aux préoccupations actuelles suscitées par un bouquet énergétique
principalement constitué de combustibles fossiles épuisables et nuisibles à l'environnement est
de leur substituer peu à peu des sources d'énergies renouvelables, notamment solaires ou
éoliennes. Cependant, ces énergies de flux à caractère intermittent posent un problème de
valorisation. Elles sont souvent la source d'une électricité qui hérite de leurs fluctuations, dont
le transport requiert un réseau, et qui constitue un vecteur peu aisé à stocker. Dans ce contexte
l'hydrogène synthétisé à partir de cette électricité renouvelable pour la stocker est considéré
comme un vecteur de stock prometteur pour le futur. Divers composants et procédés
électrochimiques sont associés à cette perspective : électrolyseurs, piles à combustibles,
associations des deux fonctions combinées dans le système ou intégrées dans un unique
composant réversible. Notre travail se situe dans cette perspective. Il a contribué au
développement de modèles avancés de composants électrochimiques de type électrolyseur ou
piles à combustible, en intégrant la réversibilité en vue de l'étude de leur couplage aux
générateurs photovoltaïques. Les modèles développés suivant une approche énergétique
unifiée exploitent la représentation en bond graph.
Après une analyse du contexte énergétique, un état de l’art des composants électrochimiques
couplant hydrogène et électricité est présenté, plus particulièrement sur les électrolyseurs et
sur les piles à combustible réversibles. Puis, après un rappel des principes de la représentation
en Bond Graph, nous exploitons ce formalisme pour développer un modèle énergétique
réversible de composant « électrolyseur et/ou pile à combustible», représentant au niveau
macroscopique les phénomènes de conversion réactionnels et dissipatifs, couplés dans les
domaines chimique, thermodynamique, électrique, fluidique et thermique. Des essais de
caractérisation et de validation menés sur des petits dispositifs expérimentaux sont ensuite
décrits. Ils permettent d'illustrer l’influence des paramètres opératoires sur les performances
de ces composants. Enfin le modèle Bond Graph est exploité pour étudier la modularité des
composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les associations
séries ou parallèles de piles à combustible ou d’électrolyseurs. Une architecture couplant ces
éléments avec un générateur photovoltaïque pour alimenter une charge isolée ou un réseau
électrique est enfin présentée.
Mots clés :
• Modélisation
• Electrolyseur
• Pile à combustible
• Pile à combustible réversible
• Générateur photovoltaïque
• Bond Graph
• Systémique

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Contribution to the modelling of reversible electrolyser and hydrogen
fuel cell for coupling to the photovoltaic generators
ABSTRACT
A response to concerns raised by an energy mix which mainly consists of exhaustible fossil
fuels harmful to the environment is to gradually substitute them by renewable energy sources,
including solar or wind power. However, these intermittent flow energies set a recovery
problem. They are often the source of electricity which inherits their fluctuations, which
requires a transport network and which is an energy carrier not easy to store. In this context
hydrogen synthesized from this renewable electricity, storing, it is considered as a stock
carrier promising for the future. Various components and electrochemical processes are
associated with this perspective: electrolysers, fuel cells, associations of these two functions
combined in the system or integrated into a unitized reversible component. Our work is set in
this perspective. It contributed to the development of advanced models of electrochemical
components of electrolyser or fuel cells type, integrating reversibility for the study of their
coupling to the photovoltaic generators. The models developed following a unified energetic
approach use bond graph representation.
After an analysis of the energy context, a state of the art of electrochemical components
coupling hydrogen and electricity is presented, particularly on electrolysers and regenerative
or unitized reversible fuel cells. Then, after a reminder of the principles of the Bond Graph
representation, we exploit this formalism to develop an energetic model of a reversible
component "electrolyser and / or fuel cell" representative at macroscopic level of conversion
reaction and dissipation phenomena, coupled in chemical, thermodynamic, electrical, thermal
and fluid fields. Tests for characterization and validation conducted on small experimental
devices are then described. They can illustrate the influence of operating parameters on the
performance of these components. Finally, the Bond Graph model is used to study the
modularity of components, including electrical and thermal imbalances in series or parallel
associations of fuel cells or electrolysers. An architecture combining these elements with a
photovoltaic generator to power an electric load or an electrical grid is finally submitted.
Keywords :
• Modelling
• Electrolyser
• Fuel cell
• Fuel cell reversible
• Photovoltaic Generator
• Bond Graph
• Systemic