Couplage d'une pile à combustible avec des supercapacités pour étudier les gains en termes de rendement et de durée de vie

Direct hybridization of PEMFC with small aqueous supercapacitors

• Auteur / Autrice : Saïd Ait Hammou Taleb
• Direction : Olivier Lottin, Jérôme Dillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 31/01/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Marie-Cécile Péra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Flandin, Bruno Auvity, Julia Mainka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Flandin, Bruno Auvity

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supercondensateurs

Durée de vie (ingénierie)

Piles à combustible à hydrogène

Détérioration

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Pile à combustible

PEMFC

Vieillissement

Hybridation

Supercapacité

AST

Direct Hybridization

Fuel Cell

Load Transients

PEMFC

Supercapacitor

AST

Résumé

Les piles à combustible sont des convertisseurs électrochimiques. Elles convertissent l’énergie chimique en une énergie électrique directement disponible grâce à une réaction d’oxydoréduction. Dans notre cas, nous nous intéressons aux piles à membrane protonique plus communément appelées PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) qui fonctionne à l’hydrogène. Ce type de pile domine le marché puisqu’elles conviennent à de nombreuses applications portables et stationnaires. Si l’on s’intéresse aux PAC pour des utilisations stationnaires, des durées de vie supérieures à 10 000 h peuvent être atteintes. Cependant, celles-ci se réduisent significativement pour des applications de type transport avec de fréquents arrêts et démarrages ainsi que d’importantes variations de puissance : dans ce cas, 3000 h de fonctionnement semblent constituer une limite difficile à dépasser. En régime instationnaire, les fluctuations de puissance impactent les conditions opératoires de la pile et génèrent des phénomènes locaux accélérant son vieillissement. L’intérêt de l’hybridation est d’élargir le champ d’application des systèmes pile à combustible en les rendant capables de répondre aux exigences des applications de type transport. Dans notre cas, il s’agit d’une structure parallèle, avec comme source d’énergie principale, une pile à combustible assistée d’un moyen de stockage, les supercapacités. A travers nos travaux, nous avons recherché à déterminer les avantages que peut offrir l’hybridation en termes de simplification de système : identifier les composants ou sous-systèmes qui limitent la dynamique de la pile à combustible, comprendre les mécanismes mis en jeu et étudier les solutions que peut offrir l’association des SC à la PAC. L’ajout de supercapacités, en tant que sources secondaires, permet d’obtenir une densité de puissance plus élevée et ainsi d’adapter le système PAC à des applications instationnaires. Nous avons également observé qu’il est possible de concevoir des systèmes fiables en limitant le vieillissement des piles. Les travaux ont permis de tester des supercapacités planes élaborées par l’IMN. L’intérêt est de pouvoir produire des supercapacités planes performantes à bas coût et non néfaste pour l’environnement

Fuel cell are an electrochemical devices wich convert chemical energy into electricity. In this study we focus on PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cells fede by hydrogen and air. This kind of fuel cell has many advantages and show extensive application potentials. If PEMFC exhibits good power capability during steady-state operation, the slow response during transient peak power demands has restrained them for being used in large-scale and high-power transportation applications, such as automobive. To overcome these difficulties, a variety of research has been carried out on the development of hybrid systems based on supercapacitors or batteries. In this work, we study the effect of passive hybridization to improve the system performance and reliability, more specifically during steep load variations. We show that SC can provide a sufficient amount of power to the system during the short time needed by the gas supply lines to respond to an increase in power or current density. This makes it possible to always feed the fuel cell with the right amount of gas without anticipating current peaks or load variations. Flat supercapacitors were also designed and made within the framework of this project. The aim was to design cheap and safe SC with materials like activated carbon electrode and LiNO3 as the electrolyte. In this study we also showed how a direct passive hybridization of PEMFC with small aqueous supercapacitors brings to the design of more efficient, simple and reliable FC systems. By using transient load (Heaviside steps), we showed that the direct hybridization of PEMFC with SC allows to extend its lifetime