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MEMBRESDUJURY:
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Génie Electrique, Electronique et Télécommunications (GEET)
Hybridation d'une pile à combustible par des supercondensateurs :
vers une solution passive et directe
mercredi 13 février 2013
Benoît MORIN
Génie Electrique
Daniel HISSEL (Professeur à l'Université de Belfort (UTBM), FCLAB, Belfort)
Stéphane RAEL (Professeur à l'Université de Lorraine (INPL), GREEN, Nancy)
Christophe TURPIN (Chargé de Recherche CNRS - HDR, LAPLACE, Toulouse)
Stéphan ASTIER (Professeur à l'Université de Toulouse (INPT), LAPLACE,Toulouse)
Laboratoire LAPLACE - UMR 5213
Kodjo AGBOSSOU (Professeur à l'UQTR, IRH, Trois-Rivières– Québec)
Pierre-Louis TABERNA (Chargé de Recherche CNRS, CIRIMAT, Toulouse)
Olivier VERDU (Ingénieur, HELION Hydrogen Power, Aix-en-Provence)
Lucien PRISSE (Docteur-Ingénieur, AIRBUS, Toulouse)

Résumé de la thèse
Hybridation d’une pile à combustible par des
supercondensateurs : vers une solution passive et directe
La faisabilité des applications à piles à combustible (PAC) a été largement démontrée à
travers le monde. Les efforts de recherche portent actuellement sur l’amélioration de la durée
de vie des PAC et la diminution de leur coût. A ce jour, une PAC ne tolère pas les variations
rapides de charges qui entraînent très souvent son vieillissement prématuré. Pour pallier cette
faiblesse, une hybridation avec un composant électrochimique de stockage (typiquement des
supercondensateurs) est généralement proposée via un ou deux convertisseurs statiques,
nécessitant l’implantation d’une gestion énergétique.
Une partie de ces travaux se situe dans le contexte aéronautique et fait suite au projet
européen CELINA piloté par AIRBUS. Le projet européen CELINA (2005-2008) a posé la
problématique du remplacement de l’éolienne (RAT) actuelle par une pile à combustible pour
le réseau électrique de dernier secours sollicité en cas de perte totale des moteurs ou de la
génération électrique. Il alimente les charges essentielles : auxiliaires de puissances presque
constantes (calculateurs de bord, …) et les actionneurs de vol (EHA, EMA) qui constituent les
principaux consommateurs à caractères très intermittents. Cette étude a permis une
classification de trois architectures, dont la validation expérimentale se situant dans le cadre du
projet français ISS ayant débuté en 2010 sera exposée.
L’hybridation directe entre une PAC et des supercondensateurs présente les avantages
de ne pas mettre en jeu de convertisseur statique et d’une autogestion énergétique naturelle.
Partant du constat que toutes les applications embarquées utilisant des PAC sont hybridées et
qu’un développement d’architecture et de stratégies est effectué pour chaque cas (mise au point
de convertisseurs, lois de commande, etc.). Ceci représente un travail considérable et
systématique, ce qui freine l’implantation des systèmes PAC dans les applications embarquées.
L’objectif est alors d’étudier la faisabilité d’un composant hybride unique jouant le rôle de
source de puissance et d’énergie dont la gestion énergétique est transparente pour l’utilisateur
et ne nécessitant pas l’ajout d’une hybridation supplémentaire pour ces applications. Cette
thématique fait l’objet de ces travaux de thèse en collaboration avec la société française
HELION Hydrogen Power.
Après une présentation de l’introduction des systèmes PAC en aéronautique centrée
autour de l’hybridation directe, la suite des travaux regroupe deux grandes thématiques :
x la première concerne l’étude des interactions entre PAC et supercondensateurs
lors d’une association directe selon trois approches : théorique, expérimentale et
par simulation.
x La seconde concerne la validation expérimentale de trois architectures
d’hybridation d’un système PAC retenues pour un contexte aéronautique lors
d’études précédentes au laboratoire : une architecture indirecte pour laquelle le
stockage possède son convertisseur, une architecture indirecte avec stockage sur
le bus DC et une architecture directe.
L’objectif de ces travaux étant d’augmenter le niveau de maturité technologique de ces
concepts, ainsi que de comparer les différents moyens retenus pour parvenir à l’hybridation
d’un système PAC suivant des critères précis.
Mots-clés : Hybridation, Directe, Passive, Indirecte, Pile à Combustible
(PAC), Supercondensateur, Stratégie de Gestion Energétique,
Partage de Puissance

Abstract
Hybridization of a fuel cell with ultracapacitors: towards
a passive and direct solution
The feasibility of fuel cell (FC) applications has been demonstrated throughout the
world. Research efforts are currently focused on improving the lifetime of the FC and reducing
their cost. Until today, a FC does not tolerate rapid variations of load that cause in most cases
lifetime reducing. To reduce this defect, hybridization with electrochemical storage component
(typically ultracapacitors) is generally suggested via one or two static converters, requiring the
implementation of an energy management.
Aeronautic applications constitute the framework of these studies. They are the
prolongation of studies initiated within the European project CELINA piloted by AIRBUS.
The CELINA project (2005-2008) dealt with the replacement of the Ram Air Turbine (RAT)
which is currently used for the last emergency electrical network in the case of total losses of
engines or electrical generation. This emergency network has to supply the essential loads: the
piloting auxiliaries (calculators…) consume a quasi-constant power, and the flight actuators
(EHA, EMA) which are the main loads whose consumption is very intermittent. This study
resulted in a classification of three architectures for which experimental validation in the
framework of the French ISS project started since 2010 will be exposed.
The direct hybridization between a FC and ultracapacitors has the advantages of not
involving static converter and provide a natural energy management. The statement of facts is
that all embedded applications using FC are hybridized, architecture and strategies
development is performed for each case (development of converters, control laws, etc.). This
represents a significant and systematic work, which limits the implementation of FC in
embedded applications. In this work, the objective is to study the feasibility of a single hybrid
component acting as a power and energy source for which energy management is transparent to
the user and does not require the addition of another hybridization. This work is part of
collaboration with the French company HELION Hydrogen Power.
After a presentation of the insertion of FC in aeronautics centered on the direct
hybridization, two major themes are approached:
x The first concerns the study of interactions between FC and ultracapacitors in a
direct association according to three approaches: theoretical, experimental and
simulation.
x The second concerns the experimental validation of three hybridization
architectures for FC considered in previous studies in the laboratory: an
architecture for which the indirect storage has its converter, an architecture with
indirect storage on the DC bus and a direct hybridization architecture.
The objective of this work is to increase the level of technological Readiness level of
these concepts, and to compare the different ways considered to achieve the hybridization of a
fuel cell system according to specific standards.
Key-words: Direct, Passive, Indirect, Hybridization, Fuel Cell (FC),
Ultracapacitor, Supercapacitor, Electrical Architecture,
Energy Management, Power Sharing

Remerciements
REMERCIEMENTS
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au Laboratoire PLAsma et
Conversion d'Energie (LAPLACE) sur le site de l’Ecole Nationale Supérieure
d’Electrotechnique, d’Electronique, d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommunications
(ENSEEIHT) de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) au sein du groupe
Groupe ENergie Electrique et Systémique (GENESYS).
Mes premiers remerciements s’adressent à Monsieur Maurice Fadel, codirecteur du
LAPLACE, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et à Monsieur Xavier Roboam, pour
m’avoir permis de travailler dans son équipe, -dans de très bonnes conditions.
Je remercie également les membres du jury :
- Monsieur Kodjo Agbossou, Directeur de l’Ecole d’ingénierie et Professeur titulaire du
département de Génie Electrique et Génie Informatique à l’Université du Québec à
Trois-Rivières (UQTR), membre de l’Institut de Recherche sur l’Hydrogène à l’UQTR,
pour avoir présidé le jury d’une manière remarquable.
- Monsieur Daniel Hissel, Professeur à l’Université de Belfort (UTBM), responsable de
l'équipe "Systèmes hybrides et systèmes PAC" au FEMTO-ST (Franche-Comté
Electronique, Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies) et directeur
de la fédération de recherche FCLAB (Fuel Cell Lab), pour avoir accepté la lourde tâche
de rapporter ces 282 pages. Merci pour ses remarques pertinentes sur le manuscrit et les
travaux et merci pour l’accueil chaleureux dont nous avons pu bénéficier lors de nos
venues à Belfort.
- Monsieur Stéphane Raël, Professeur à l’Université de Lorraine (INPL) et chercheur
au laboratoire GREEN (Groupe de Recherche en Électrotechnique et Électronique de
Nancy), pour avoir été également rapporteur de ma thèse. Merci aussi pour ses idées et
les discussions constructives autour de ces travaux.
- Monsieur Pierre-Louis Taberna, Chargé de recherche CNRS dans l’équipe Revêtements
et Traitements de Surface (RTS) du CIRIMAT (Centre Interuniversitaire de Recherche
et d'Ingénierie des Matériaux) pour avoir accepté d’examiner cette thèse.
- Monsieur Lucien Prisse, Docteur-Ingénieur à AIRBUS Operations et responsable du
projet ISS (Innovative Solutions for Systems) dans lequel s’inscrit une partie de ces
travaux, pour avoir été examinateur de ma thèse et pour nous avoir fourni une matière
intéressante pour la recherche à travers ce projet ; j’espère que les collaborations et la
confiance entre le LAPLACE et AIRBUS perdureront. Merci pour ses encouragements et
pour m’avoir mis en confiance avant la soutenance.
- Monsieur Olivier Verdu, Ingénieur à HELION Hydrogen Power (nouvellement nommé
AREVA Stockage d’Energie) pour avoir été examinateur de cette thèse et pour avoir
suivi ces travaux, pour nous avoir permis d’explorer toutes les pistes envisagées (même
les plus farfelues) et pour s’être rendu disponible pour répondre à mes questions durant
ces trois ans. Merci à HELION pour nous avoir fourni les piles à combustible testées

Préface
dans ce manuscrit et pour la confiance accordée à notre équipe. J’en profite aussi pour
remercier André Rakotondrainibe, Docteur chez HELION, pour nous avoir fait passer
une partie de ses grandes connaissances sur les monocellules et pour avoir été là pour
changer rapidement les AME des cellules que j’ai pu casser lors de ces travaux. Enfin, je
tiens à souligner l’excellent accueil dont nous avons pu bénéficier lors de nos venues à
Aix-en-Provence.
- Monsieur Stéphan Astier, Professeur à l’Université de Toulouse (INPT), chercheur dans
l’équipe GENESYS du LAPLACE et responsable de la filière Eco-Energie à l’INPT pour
avoir co-encadré ces travaux. Merci pour son discours et ses idées toujours très riches, et
pour nous transmettre sa passion autour des énergies et de leur impact. Je tiens à saluer
la disponibilité dont il a su faire part lors de la relecture du manuscrit, les nuits blanches
consacrées en valent la peine !
- Monsieur Christophe Turpin, Chargé de recherche CNRS au sein de l’équipe GENESYS
du laboratoire LAPLACE, pour avoir encadré ces travaux. Tout d’abord, je dois le
remercier de m’avoir accordé sa confiance dès le début de ces travaux malgré l’image
d’une personne “distraite” que j’ai pu donner à l’équipe de recherche lors de mes études.
Je voudrais souligner quelques aspects de l’encadrement qui ont permis de rendre ces
travaux plutôt agréables et passionnants : d’un point de vue théorique, durant ces 3
années, j’ai toujours pu exprimer mes idées, les discuter longuement et remplir des
tableaux jusqu’à trouver une opinion commune ; pour les manipulations, Christophe
s’est démené jusqu’au bout pour nous permettre d’avoir des moyens d’essais honorables
(et surtout des bâtiments). Enfin, merci pour s’être investi dans ces travaux jusqu’au
bout et dans le détail et pour m’avoir transmis une partie de sa rigueur scientifique, sa
motivation et sa passion autour des piles à combustible. J’ai échappé à la traditionnelle
nuit blanche de relecture chez lui la veille de l’envoi du manuscrit, mais je n’ai pas
échappé à plusieurs nuits blanches quand même ! J’ai pris du plaisir à réaliser ces
travaux (et surtout à monter les manips), et j’espère que l’on aura l’occasion de
retravailler ensemble.
Je voudrais m’excuser vis-à-vis des membres du jury pour le peu de temps que je leur ai
laissé pour prendre connaissance et surtout pour rapporter ce manuscrit.
J’ai entendu dire que c’était
la dernière fois dans l’équipe qu’un manuscrit sera si long et envoyé si tard…
Malgré tout, merci d’avoir accepté
la mission et d’avoir émis des discussions et des rapports riches et plutôt encourageants.
Une grosse part de ces remerciements est dédiée à deux membres du TEF (Tout En Finesse)
qui ont participé à l’essentiel des essais : Eric Bru pour la partie électrique et Olivier Rallières
pour la partie pile à combustible. Merci pour tout ce qu’ils m’ont appris mais surtout pour la
bonne ambiance de travail qui a pu régner à Labège. Merci de m’avoir appris à faire des
demandes d’achat et rédiger des bons de commande. J’en profite pour prévenir les cueilleurs de
champignons ariégeois : s’il n’y en a plus, il y a ici quelqu’un qui les a tous ramassés (mais
j’attends de les voir).