Contribution à l'optimisation énergétique d'un système pile à combustible embarqué

Contribution to energetic optimization of an embedded fuel cell system

• Auteur / Autrice : Mestan Tekin
• Direction : Jean-Marie Kauffmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Besançon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible

Résumé

Ce mémoire de thèse apporte une contribution au développement des groupes électrogènes à piles à combustible (PAC). Les principaux avantages des PAC sont essentiellement le faible niveau d’émission de polluants et leur efficacité énergétique. Elles sont de ce fait perçues comme un excellent moyen de développer un convertisseur à hydrogène, qui constituerait une alternative au moteur à explosion dans le domaine des transports terrestres. Cependant, les performances en terme de rendement énergétique de ces systèmes doivent être améliorées. En effet, les circuits auxiliaires du groupe électrogène nécessaires au fonctionnement de la pile, altèrent significativement le rendement global du système. Parmi ces circuits, le circuit d’air composé d’un groupe motocompresseur est particulièrement gourmand en énergie. Trois niveaux d’actions ont été envisagés afin de diminuer la consommation énergétique du circuit d'air et d’augmenter ainsi le rendement global du générateur à PAC. La première action concerne le choix de la technologie du groupe motocompresseur envisagé pour le système à PAC. A cet effet, un compresseur à palettes non-lubrifié entraîné par un moteur ''brushless'' a été retenu pour alimenter en air une pile de type à membrane. La seconde consiste en l’élaboration d’une loi de contrôle/commande du circuit d'air permettant de réduire la consommation énergétique liée à ce dernier. Un régulateur nonlinéaire a été proposé dans ce cadrece cadre et développé grâce à la logique floue. Finalement, une dernière action a porté sur la gestion énergétique du moto-compresseur embarqué à bord d'un véhicule à PAC qui a été optimisée par la méthode d’optimisation par essaim particulaire.

This work deals with fuel cell (FC) generator developments for transportation applications. FC main advantages are essentially their low level of pollution and their potential of higher fuel efficiency. So, FC technology is being developed as a potential alternative to the conventional internal combustion engine vehicle and proposes a real opportunity to build a clean vehicle. However, before seeing FC vehicles on the market, many technological bolts must be removed. Among them, energy optimization of the complete FC system still remains to be improved. Indeed, ancillary circuits of FC generator, necessary to its correct operation, put a great strain on overall system efficiency. Among these ancillaries, air supply circuit based on motor-compressor group is the most power-hungry. Consequently, in order to reduce motor-compressor group energy consumption and by this fact to increase the overall system efficiency, three action levels were considered on air supply circuit. The first one is the choice of compressor and driven motors technologies suitable for fuel cell transportation applications. To reach this aim, a non-lubricated rotary vane compressor and a brushless machine were chosen to supply with air a proton exchange membrane type FC. The second one is the elaboration of an air flow controller which allows supplying just the required air quantity to FC. A non-linear type regulator was therefore developed using fuzzy logic. Finally, the last action was carried on motor-compressor management and on its air flow solicitation evaluation for an embedded FC system. This energy management of the motor-compressor was optimized thanks to particle swarm optimization method.