doc num
République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de la Technologie d’Oran
Mohamed BOUDIAF
FACULTÉ DE GÉNIE ÉLECTRIQUE
.
DÉPARTEMENT D’ÉLECTRONIQUE
MÉMOIRE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE MAGISTER
SPÉCIALITÉ : ÉLECTRONIQUE
OPTION : COMPOSANT ET SYSTÈME DE LA MICROÉLECTRONIQUE
AVANCÉE
Présenté par
BELLAKHDAR Mohammed Cherif
Thème
Soutenu le :24/06 /2013
Devant le jury composé de :
Président M
r
.BOUTCHACHA Touati
Professeur USTO-MB
Rapporteur M
r
.TIOURSI Mustapha
Professeur USTO-MB
Examinateur M
r
.BOURAHLA Mohammed
Professeur USTO-MB
Examinateur M
me
.ZERHOUNI Fatima Zohra
MC, USTO-MB
Etude de l’association pile PEMFC / supercondensateur
Sommaire
Résumé…………………………………………………………………………………………………………….. 1
Remerciement et dédicace ………………………………………………...……………...……………………….
2
Nomenclature ……………………………………………………………………………………...........................
3
Liste des figures …………………………………………………………………………………...........................
6
liste des tableaux ………………………………………………………………………………………………….. 9
Introduction générale……………………………………………………………………………………………… 11
Chapitre 1
:
généralité sur les piles à combustible et sur les supercondensateurs
1.1. Introduction ………………………………………………………………………………………………….
13
1.2. Historique …………………………………………………………………………………………………… 13
1.3. Principe de fonctionnement ………………………………………………………………………………… 15
1.4. Les différents types de piles à combustible ………………………………………………………………… 16
1.4.1. La pile alcaline (AFC)………………………………………………………………………………….. 17
1.4.2. La pile à acide phosphorique (PAFC) …………………………………………………………………. 18
1.4.3. La pile à méthanol direct (DMFC) …………………………………………………………………….. 19
1.4.4. La pile à oxyde solide (SOFC) :………………………………………………………………………. 20
1.4.5. La pile à carbonates fondus (MCFC)………………………………………………………………….. 21
1.4.6. Piles à membrane électrolyte polymérique (PEMFC) ………………………………………………... 21
1.5. Description générale d’une pile PEMFC…………………………………………………………………….. 22
1.5.1. La membrane protonique……………………………………………………………………………… 23
1.5.2 Les électrodes………………………………………………………………………………………….. 25
1.5.3 Les composants élémentaires de l’électrode …………………………………………………………….. 26
1.6. Applications du PEMFC……………………………………………………………………………………… 29
1.6.1 Le transport ……………………………………………………………………………………. 29
1.6.2. Le stationnaire……………………………………………………………………………………. 30
1.6.3. Le portable ………………………………………………………………………………………. 31
1.7. Les supercondensateurs………………………………………………………………………………… 32
1.7.1. Principe de fonctionnement………………………………………………………………………. 32
1.7.2. Les différents éléments du supercondensateur…………………………………………………… 33
1.7.2.1. Electrodes………………………………………………………………………………………… 33
1.7.2.2. Les charbons actifs………………………………………………………………………………. 33
1.7.2.3. Les tissus actifs…………………………………………………………………………………... 34
1.7.2.4. L’électrolyte……………………………………………………………………………………… 34
1.7.2.5. Le séparateur…………………………………………………………………………………… 35
1.7.2.6. Collecteur de courant…………………………………………………………………………….. 35
1.8. Comparaison supercondensateurs-batteries…………………………………………………………………... 35
1.9. Les différentes familles des Supercondensateurs…………………………………………………………….. 36
1.10. L’intégration de micro-supercondensateurs………………………………………………………………… 37
1.11. Supercondensateurs : avantages, inconvénients, applications courantes…………………………………… 37
1.12. Applications courantes des supercondensateurs..…………………………………………………………… 38
Chapitre 2
:
Modélisation, simulation et dimensionnement de la PEMFC et du supercondensateur
2.1 Introduction :……………………………………………………………………………………………….. 39
2.2 Transformation de l’énergie chimique en énergie électrique :……………………………………………... 39
2.2.1.
Potentiel de la pile :……………………………………………………………………………….
39
2.2.2. Le potentiel réel du la pile :……………………………………………………………………….
41
o 2.2.2.1.Phénomènes d’activation …………………………………………………………..
..
41
o
2.2.2.2.Phénomène ohmique :…………………………………………………………………...
43
o
2.2.2.3. Phénomène de concentration (transport de matière) :………………………………….
44
2.3. Potentiel d’une cellule PEM :………………………………………………………………………………… 44
2.4. Caractéristique statique de la pile à combustible :…………………………………………………………… 45
2.5. Résultats de la simulation :…………………………………………………………………………………… 45
2.6.Etudes paramétrique :…………………………………………………………………………………………. 48
2.6.1.Effet de la température :……………………………………………………………………………
48
2.6.2. Effet de pression :…………………………………………………………………………………..
49
2.6.3 La puissance :………………………………………………………………………………………
50
2.6.4. Rendement électrique :…………………………………………………………………………….
50
2.7 .Dimensionnement de la pile :………………………………………………………………………………… 51
2.7.1. Détermination du nombre de cellules :……………………………………………………………..
51
2.7.2. Détermination de la surface des cellules :…………………………………………………………..
52
2.8. Caractéristique dynamique de la pile ………………………………………………………………….…....... 53
o
Résultat de simulation………………………………………….…………………………..........
54
2.9. Modélisation du supercondensateur …………………………………………………………………………. 56
2.10. Modèle du pack supercondensateur ………………………………………………………………………… 58
2.11. Système d’équilibrage ……………………………………………………………………………………... 60
2.11.1 Systèmes d’équilibrages passifs ……………………………………………………………..…….
60
2.11.2. Systèmes d’équilibrages actifs ……………………………………………………………..…......
61
2.12. Dimensionnement du supercondensateur ………………………………………………………………….. 61
•
Résultat de simulation ………………………………………………………………….. ……... 62
Chapitre 3
:
étude des convertisseurs de puissance associés et contrôle de la tension de bus
3.1 Introduction ………………………………………………………………………………………………... 64
3.2 Association pile à combustible- bus continu …………………………………………………………......... 64
3.3 Modélisation du convertisseur ……………………………………………………………………............... 65
3.4 Différentes séquences de fonctionnement du convertisseur …………………………………………......... 65
3.5 Commande du convertisseur ………………………………………………………………………............. 67
3.6 Association Pack de supercondensateur-Bus continu …………………………………………………....... 70
3.7 Dimensionnement du convertisseur de dévolteur/survolteur (BUCK-BOOST/inverseur) ………………... 71
Calcul de l’inductance de lissage ……………………………………………...…………………….
71
Dans le cas de survolteur (BOOST)……………...…………………….……………..........................
71
Dans le cas de dévolteur (BUCK)…………………………………………………………………….
71
3.8 Modélisation de BUCK-BOOST/inverseur ……………………….……………………………………….. 72
Chapitre 4 :
Etude et simulation du système hybride PEMFC/SC
4.1 Introduction :…………………………………………………………………….………………………..…… 75
4.2 Gestion du flux énergétique ………………………………………….………………………………….…. 75
4.3 Résultat de la simulation ……………………………………………..………………………………...….….. 77
4.3.1 Premier cas
é
………………………………………………………………………..…… 78
4.3.2 Deuxième cas
é
…………………………………………….…………………..………. 82
4.4. Conclusion ………………………………………………………….……………………………………… 86
Conclusion générale ………………………………………………………………………………………………. 87
Références………………………………………………………………………………………………………… 88
Index ……………………………………………………………………………………………………………..
89
Dédicace
DédicaceDédicace
Dédicaces
ss
s
A ma chère mère et mon cher père qui ont fait de moi ce que je
suis par leurs sacrifices, a mon frère Daoud et ma chère sœur
Fatima.
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