Caractérisation, modélisation et contrôle d'un système pile à combustible à membrane échangeuse de protons – performances et durée de vie

Characterization, Modeling, and Control of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell System – Performance and Durability

• Auteur / Autrice : Ophelie Chevalier
• Direction : Sophie Didierjean, Serge Pierfederici
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/08/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Vecteurs Énergétiques

Mots clés

Mots clés libres

Pile à combustible

Membrane échangeuse de protons

Vieillssement

Stratégies de contrôle

Gestion de l'énergie

Hydrogène

Fuel Cell

Proton Exchange Membrane

Aging

Stratégies de contrôle

Energy management

Hydrogen

Résumé

Cette thèse se concentre sur la caractérisation, la modélisation et le contrôle des systèmes de piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dans le but d'améliorer leurs performances et leur durabilité. Le projet vise à développer un système de gestion des piles à combustible (Fuel Cell Management System, FCMS) capable d'optimiser les conditions de fonctionnement et de prolonger la durée de vie des composants. La première étape consiste à caractériser les comportements fluidiques et électrochimiques d'une cellule unique dans des conditions opératoires contrôlées, ce qui permettra de développer des modèles précis pour une cellule individuelle et pour un stack complet. Ensuite, l'architecture du système sera conçue en sélectionnant le profil de charge approprié, en déterminant les caractéristiques des composants selon les besoins en puissance, et en analysant l'architecture électrique et fluidique d'un système réel. Des lois de contrôle fluidiques et électriques seront établies pour un FCMS multi-niveaux visant à optimiser les performances et à prolonger la durée de vie du système, en incluant également la gestion thermique. Les stratégies de contrôle proposées seront validées par des tests en Hardware-in-the-Loop (HIL) et par des essais sur un banc de tests réel.

This thesis focuses on the characterization, modeling, and control of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) systems with the aim of improving their performance and durability. The project aims to develop a Fuel Cell Management System (FCMS) capable of optimizing operating conditions and extending component lifespan. The first step involves characterizing the fluidic and electrochemical behaviors of a single cell under controlled operating conditions, which will enable the development of precise models for both an individual cell and a complete stack. Next, the system architecture will be designed by selecting the appropriate load profile, determining component characteristics according to power requirements, and analyzing the electrical and fluidic architecture of a real system. Fluidic and electrical control laws will be established for a multi-level FCMS to optimize performance and extend system lifespan, including thermal management. The proposed control strategies will be validated through Hardware-in-the-Loop (HIL) tests and real bench tests.