Modélisation par impédance d'une pile à combustible PEM pour utilisation en électronique de puissance

Impedance modelling of a proton exchange membrane fuel cell for power electronics applications

• Auteur / Autrice : Idris Sadli
• Direction : Bernard Davat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 07/12/2006
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en électrotechnique et électronique de Nancy (Vandoeuvre-les-Nancy, Meurthe-et-Moselle)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Kauffmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Davat, Jean-Marie Kauffmann, Stephan Astier, Seddik Bacha, Stéphane Raël
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stephan Astier, Seddik Bacha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Convertisseurs électriques

Piles à combustible

Mots clés libres

Pile à combustible à membrane échangeuse de protons

Spectroscopie d'impédance

Impédance faradique

Modèle dynamique

Convertisseur statique

Protons exchange membrane fuel cell

Impedance spectroscopy

Faradic impedance

Dynamic model

Static converter

Résumé

Cette thèse s’intéresse à la modélisation dynamique d’une pile à combustible (PàC) PEM en vue de son utilisation en électronique de puissance. Un modèle statique basé sur une expression de la tension en fonction du courant débité est tout d’abord présenté. Le modèle dynamique est élaboré ensuite. Il est montré que l’impédance électrochimique de diffusion-convection (Zd) s’apparente à une ligne de transmission de type RC. Une discrétisation en un nombre fini d’éléments a été effectuée. Afin d’obtenir un modèle simple, deux branches RC différentes sont considérées pour l’impédance Zd auxquelles sont ajoutées la capacité de double couche, les résistances de transfert et de la membrane. Ce modèle est validé sur deux PàC de 500 W et 5 kW sur une gamme de fréquence 5 mHz à 2 kHz, lors d’échelons de courant et lors du débit sur un hacheur élévateur. Il est montré que l’utilisation du découpage haute fréquence du convertisseur permet un diagnostic de l’état d’humidification de la membrane

This thesis deals with dynamic modelling of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a view to integrate it into power electronics environment. Firstly a static model based on an expression that links current and voltage is presented. The dynamic model is then obtained. It is shown that the electrochemical diffusion-convection impedance (Zd) is similar to a RC transmission line. A discretization on a short number of elements is carried out. In order to obtain a simple model, two different RC branches for Zd impedance, a double layer capacitor, a transfer resistance, and a membrane resistance are considered. This modelling is validated on two 500 W and 5 kW PEMFC, for frequencies varying from 5 mHz to 2 kHz. The model is validated for both fuel cells during current step responses and operation with a boost converter. In this case it is shown how the high frequency switching of the converter can be used to obtain a diagnostic on the humidification state of the membrane