Conception et contrôle d'un système de gestion de piles à combustible avec des éléments de stockage distribués à supercondensateurs

Design and Control of Fuel Cell management system with distributed supercapacitors storage element

• Auteur / Autrice : Apinya Siangsanoh
• Direction : Sophie Didierjean, Matheepot Phattanasak, Jean-Philippe Martin, Wattana Kaewmanee
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Soutenance le 12/07/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec King Mongkut's university of technology North Bangkok (Thaïlande)
• 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 : Babak Nahid-Mobarakeh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Didierjean, Matheepot Phattanasak, Jean-Philippe Martin, Wattana Kaewmanee, Jean-Paul Gaubert, Yuttana Kumsuwan, Panarit Sethakul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Gaubert, Yuttana Kumsuwan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supercondensateurs

Énergie -- Stockage

Composants modulaires

Observation d'états distribués

Convertisseurs électriques

Piles à combustible à hydrogène

Mots clés libres

Pile à combustible

Convertisseurs Série

Convertisseurs 3 niveaux

Gestion de l'énergie

Fuel cell

Series converter

Three-Level converter

Energy management

Résumé

Une pile à combustible est un dispositif qui convertit directement l'énergie chimique du combustible (H₂) en électricité lors de deux réactions électrochimiques. Elle se compose de deux électrodes (anode et cathode), de deux plaques bipolaires, de couches de diffusion de gaz et d'un électrolyte. Dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), l'électrolyte est une membrane polymère permettant le transport des protons de l'anode à la cathode. Elle est prise en sandwich entre les deux couches de catalytiques pour former l'Assemblage Membrane-Electrode (AME). Les couches de diffusion des gaz (GDL) permettent la diffusion de l'hydrogène et de l'oxygène depuis les canaux usinés dans les plaques bipolaires vers les couches de catalyseur. Du côté de l'anode, l'hydrogène se décompose en protons et en électrons (oxydation de l'hydrogène). Les protons traversent la membrane, et les électrons vont de l'anode à la cathode en traversant les GDL et un circuit externe relié à la charge. À la cathode, l'oxygène réagit avec les électrons et les protons pour produire de l'eau (réaction de réduction de l'oxygène). De nombreux facteurs affectent les performances des piles à combustible, tels que les matériaux, la conception et les conditions de fonctionnement. L'alimentation en gaz des électrodes est l'un des principaux paramètres de fonctionnement et elle est fortement liée à la gestion de l'eau et à la gestion thermique. En raison de son temps de réponse élevé, le flux de gaz a également une influence majeure sur le comportement de la pile à combustible lors des variations de puissance à haute fréquence, et le manque de gaz est l'un des principaux mécanismes liés à la dégradation des piles à combustible. Comme la durabilité de la PEMFC joue un rôle clé dans son déploiement à grande échelle en tant que source d'énergie, l'objectif de la thèse est de développer une source de puissance à base de piles à combustible permettant d'atteindre de meilleures performances et de diminuer les dégradations liées aux opérations dynamiques. La nouvelle architecture d'électronique de puissance est basée sur une configuration modulaire dans laquelle la source globale est répartie en plusieurs stacks de plusieurs cellules de pile à combustible. Chaque stack est connecté à son propre convertisseur pour former un système modulaire, et la sortie de plusieurs systèmes modulaires est connectée en série pour fournir de l'énergie à la charge. Cette configuration doit offrir de meilleures performances en termes de fiabilité et de durabilité par rapport aux configurations impliquant un seul convertisseur. Comme la dynamique de puissance de la pile à combustible est faible, l'hybridation avec un dispositif de stockage à réponse rapide, tel que le supercondensateur (SC), est nécessaire pour la charge à large bande passante. Afin d'augmenter l'efficacité du système global et permettre une utilisation optimale des SC, une topologie série pour l'hybridation est proposée dans cette étude, dans laquelle un convertisseur isolé est placé en série entre la pile à combustible et le SC. Cette hybridation est appliquée au niveau modulaire, les SC étant distribués dans tous les systèmes hybrides modulaires. La tension aux bornes du convertisseur en série doit être contrôlée pour que le transfert d'énergie de la pile à combustible vers les SC se fasse progressivement. Tous les SC fourniront de l'énergie à la charge par l'intermédiaire d'un convertisseur DC/DC adapté, spécialement conçu pour assurer un degré de liberté au flux de puissance ce qui est nécessaire pour la mise en œuvre d'un système de gestion des piles à combustible. Le système proposé est validé par simulation et par des résultats expérimentaux.

A fuel cell is a device that directly converts the chemical energy of fuel (H₂) to electricity through two electrochemical reactions. It consists of two electrodes (anode and cathode), two bipolar plates, gas diffusion layers, and an electrolyte. For Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), the electrolyte is a polymer membrane allowing protons transport from the anode to the cathode. It is sandwiched between two catalyst layers to form the Membrane Electrode Assembly (MEA). Gas diffusion layers (GDL) allow the diffusion of hydrogen and oxygen from the channels machined in the bipolar plates to the catalyst layers. At the anode side, hydrogen splits into protons and electrons (hydrogen oxidation). Protons cross the membrane, and the electrons go from the anode to the cathode through the GDL and through an external circuit connected to the load. At the cathode, oxygen molecules react with electrons and protons to produce water (oxygen reduction reaction). Many factors affect the fuel cell performances such as materials, design, and operating conditions. Gas supply to the electrodes is one of the main operating parameters and it is strongly linked to water and thermal managements. Due to its high time response, gas flow also has a major influence on the fuel cell behavior during high frequency power variations, and gas starvation is one of the main mechanisms related to fuel cell degradations.As durability of PEMFC has a key role in the acceptance of it as a feasible power source, the objective of the thesis is to develop a fuel cell power source in order to reach better performances and to decrease the degradations related to the dynamic operations. The new power electronic architecture is based on a modular configuration in which the global fuel cell source is separated into several stacks each being composed with few cells.Each stack is connected to its own converter to form a modular system, and the output of several modular systems is connected in series to supply energy to the load. This configuration is expected to give better reliability and durability performance compared with the configurations involving a single converter. Since the power dynamics of the fuel cell is low, hybridization with a rapid power response storage device, such as supercapacitor (SC) is necessary for the high bandwidth load. In order to increase the efficiency of the global system and to allow an optimal utilization of SC, a serial topology for hybridization is proposed in this study, where isolated converter is placed in series between the fuel cell and SC. This hybridization is applied at the modular level, the SC being distributed into all modular hybrid system. The voltage across the series converter has to be controlled so that the energy transfer from the fuel cell to supercapacitor occurs smoothly. All the SC will supply energy to the load through an adapted DC/DC converter specially design to own power flow freedom degree which is a requirement for implementing a Fuel Cell Management system. The proposed system is validated through the simulation and experimental results.