Дисертації: "Pile à hydrogène"

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Chabane, Djafar. "Gestion énergétique d'un ensemble réservoir d'hydrogène à hydrure et une pile à combustible PEM." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2017. http://www.theses.fr/2017UBFCA010/document.

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Анотація:

Cette thèse porte sur les phénomènes inhérents au couplage d'un système de stockage d'hydrogène à base d'hydrures métalliques et d'une pile à combustible (PàC). Le but est de développer une loi de gestion optimale des flux (électriques, fluidiques, thermiques).Une étude poussée a été réalisée sur les différents moyens de production de l'hydrogène ainsi que les différentes méthodes de son stockage. Une large place est donnée à la caractérisation des hydrures au sein du réservoir. Ce travail a permis le développement d'une nouvelle méthode de caractérisation pour des réservoirs à hydrure. Cette dernière et a été mise en œuvre expérimentalement avec des processus de charges et de décharges effectués sur trois réservoirs contenant des hydrures différents. Compte tenu de la confidentialité du fabriquant, plusieurs données n'étaient pas accessibles expérimentalement. Ainsi, un modèle numérique du réservoir à hydrure a été réalisé dans l'environnement Comsol multiphysics. Dans une volonté de modéliser le couplage thermique entre la PàC et le réservoir à hydrure, un modèle 0D dans l'environnement Matlab Simulink d'un système comportant une pile à combustible, un réservoir à hydrure et un échangeur de chaleur a été réalisé. Ces développements ont abouti à la proposition et l'étude de deux topologies pour la gestion des échanges thermiques entre la PàC et le réservoir à hydrure de type AB : topologie série et topologie parallèle. Dans la topologie série le même fluide caloporteur circule dans le réservoir et dans la PàC ce qui veut dire que les deux composants ont les mêmes températures de fonctionnement. Ceci peut causer des difficultés d'opération de la PàC qui nécessite généralement des températures de fonctionnement plus élevées que celles du réservoir. La topologie parallèle, apporte la solution à ce problème en offrant la possibilité de deux températures distinctes de fonctionnement pour la PàC et le réservoir
This thesis deals with the phenomena inherent in the coupling of a hydrogen storage system based on metal hydrides and a fuel cell. The aim is to develop an optimal flow management law (electrical, fluidic, thermal).A detailed study was carried out on the various means of hydrogen production and the different methods of its storage. A large place is given to the characterization of the hydrides within the reservoir. This work allowed the development of a new characterization method for hydride tanks. The latter was experimentally carried out with charge and discharge processes carried out on three reservoirs containing different hydrides. Given the manufacturer's confidentiality, several data were not accessible experimentally. Thus, a numerical model of the hydride tank was carried out in the multiphysics Comsol environment. In order to model the thermal coupling between the fuel cell and the hydride tank, an OD model in the Matlab Simulink environment of a fuel cell, hydride tank and heat exchanger system was realized. These developments resulted in the proposal and study of two topologies for the management of heat exchanges between the fuel cell and the type AB hydride tank: series topology and parallel topology. In the series topology, the same heat transfer fluid circulates in the reservoir and in the fuel cell, which means that the two components have the same operating temperatures. This can cause difficulties in the operation of the POC which generally requires higher operating temperatures than those of the tank. The parallel topology provides the solution to this problem by offering the possibility of two distinct operating temperatures for the PàC and the tank

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Rodriguez, Julien. "Production d'hydrogène par photocatalyse et conversion électrochimique dans une pile à combustible." Phd thesis, Université de Grenoble, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00978688.

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Анотація:

Le contexte énergétique actuel est favorable au développement de sources renouvelables d'énergie électrique. Cette étude reporte l'alimentation directe d'une pile à combustible à membrane échangeuse de proton par de l'hydrogène issue de réactions photocatalytiques de reformage et de déshydrogénation d'alcools. Le méthanol est utilisé comme molécule modèle. La vitesse de production en hydrogène a été optimisée en jouant sur des paramètres intrinsèques aux systèmes photocatalytiques, telles que la concentration en catalyseur (TiO2), la teneur en cocatalyseur (nanoparticules de platine), l'influence du flux de photons, la température, la vitesse d'agitation ou encore le choix du photocatalyseur. Aussi, une méthode de synthèse hydrothermale permettant l'obtention d'une grande variété de TiO2 monophasiques et polyphasiques, avec des compositions et des structures cristallines différentes, a été utilisée. Le dépôt du cocatalyseur (Pt) a été appliqué à partir de différentes méthodes (photodépôt, imprégnation à humidité naissante et à échange d'ions). Les activités photocatalytiques des catalyseurs ont été reliées à leurs propriétés physicochimiques. Les performances de la pile à combustible sous hydrogène photocatalytique, ont été suivies. Finalement, une expérience réalisée directement sous irradiation solaire a permis de maintenir une puissance électrique, ramenée à la surface optique des photoréacteurs, de 1 mW.cm-2 sur plusieurs heures.

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Challet, Sylvain. "Stockage de l'hydrogène dans les hydrures métalliques pour l'alimentation en hydrogène de véhicules à pile à combustible." Paris 12, 2005. https://athena.u-pec.fr/primo-explore/search?query=any,exact,990002314920204611&vid=upec.

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Анотація:

Le stockage d'hydrogène reste un défi pour son utilisation comme carburant dans les applications mobiles. Malgré une masse élevée, le stockage dans les hydrures métalliques présente des avantages en terme de sécurité et de capacité volumique. Dans ce travail, plusieurs familles d'hydrures ont été étudiées pour répondre au cahier des charges d'un réservoir principal ou d'un réservoir tampon de démarrage à froid. Les propriétés thermodynamiques des hydrures type LaNi5 et TiFe ont été ajustées par le jeu de substitutions permettant d'obtenir des composés potentiellement utilisables dans ces deux types de réservoirs. Afin d'augmenter la capacité massique, l'influence de l'élément M sur les propriétés thermodynamiques d'hydrures plus légers de type solution solide Ti-V-M (M=Mn,Fe,Co,Ni) a été étudiée montrant de bonnes propriétés d'hydrogénation pour le composé au fer. Enfin, la découverte de la réactivité vis-à-vis de l'hydrogène du composé Ti3Si ouvre une nouvelle voie
Hydrogen storage remains an issue for its use in mobile applications. Despite its weight, storage in metal hydrides presents advantages in term of safety and volumic capacity. In this work, several families of hydrides have been studied to answer to the working conditions of a main tank or a buffer tank for cold start. The thermodynamic properties of LaNi5 and TiFe type hydrides have been adjusted by suitable substitutions allowing to obtain potentially usable compounds for both kinds of tanks. In order to increase the weight capacity, the effect of M element on thermodynamics properties of lighter hydrides based on Ti-V-M solid solutions (M=Mn, Fe, Co, Ni) has been studied showing the best hydrogenation properties for the Fe compound. Finally, the discovery of hydrogen reactivity of the Ti3Si compound opens new routes

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Piffard, Maxime. "Conception d’observateurs pour la commande d’un système pile à combustible embarqué en vue d’optimiser performances et durabilité." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI121/document.

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Анотація:

Les piles à combustibles sont considérées comme une énergie d’avenir, notamment grâce à leur caractère non polluant à l’usage. Cependant, le déploiement de ces solutions à grande échelle est encore conditionné par l’amélioration de leurs performances et surtout de leur durabilité afin de garantir une industrialisation à faible coût. L’application de la pile à combustible au domaine des transports impose en plus un fonctionnement à puissance variable, ce qui complique l’amélioration des performances et de la durabilité. L’approche retenue pour ces travaux consiste en la conception d’une loi de gestion du système qui génère les conditions opératoires optimales à appliquer au stack (pressions, température, courant, stoechiométries) en fonction de la demande en puissance, de l’état de santé de la pile (perte de surface active) et du taux d’humidité actuel. L’optimalité est entendue au sens de l’augmentation du rendement système et de la diminution des dégradations du platine et de la membrane. Cette loi se base sur des modèles de dégradations et de performances d’un système pile à combustible. Cette loi de gestion requiert pour fonctionner les données de l’état de santé de la pile et du taux d’humidité. L’évaluation de l’état de santé de la pile fait déjà l’objet de nombreux travaux de diagnostic. En revanche, le taux d’humidité doit être estimé par un observateur d’état car les capteurs d’humidité ne sont pas fiables pour une application transport. Pour cela, un observateur d’état a été développé pour estimer les humidités relatives dans les canaux du stack et aussi le chargement en eau de la membrane, la quantité d’hydrogène à l’anode ainsi que la saturation d’azote à l’anode. Cette dernière donnée permet de proposer une stratégie de purge pour une architecture dead-end basée sur la saturation d’azote, qui limite les pertes en hydrogène et réduit les dégradations liées à cette architecture
Fuel cells are considered as a promising source of energy for the future, thanks to their non-polluting aspect. However, the deployment of these solutions on a large scale is still conditioned by the improvement of their performance and especially of their durability in order to guarantee a low cost industrialization. The transport application also imposes a variable power demand, which complicates the improvement of performance and durability. The approach adopted for this work consists of the design of a system management law that generates the optimal operating conditions to be applied to the stack (pressures, temperature, current, stoichiometries) as a function of the power demand, the state of health (active surface loss) and current humidity. Optimality is understood in the sense of increasing system efficiency and decreasing the degradation of the membrane and the platinum dissolution. This law is based on degradation and performance models of a fuel cell system. This management law requires in real time the data of the state of health of the fuel cell and the humidity rate. The assessment of the state of health is already the subject of many diagnostic work. On the other hand, the humidity rate must be estimated by a state observer because the humidity sensors are not reliable for a transport application. Therefore, a state observer was developed to estimate the relative humidities in the stack channels and also the membrane water content, the hydrogen at the anode as well as the nitrogen saturation at the anode. This last data makes it possible to propose a purge strategy for a dead-end architecture, based on nitrogen saturation, which limits the losses in hydrogen and reduces the damage associated with this architecture

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Gerbaux, Luc. "Modélisation d'une pile à combustible de type hydrogène/air et validation expérimentale." Grenoble INPG, 1996. http://www.theses.fr/1996INPG0163.

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Mosdale, Renaut. "Etude et développement d'une pile à combustible hydrogène/oxygène en technologie électrolyte polymère solide." Grenoble INPG, 1992. http://www.theses.fr/1992INPG0116.

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Анотація:

La pile a combustible h#2/o#2 e. P. S. Apparait aujourd'hui comme etant l'un des meilleurs candidats au remplacement du moteur a explosion pour la traction automobile. Ce systeme utilise la recombinaison electrochimique, non explosive, d'hydrogene et d'oxygene. C'est donc un generateur electrique propre dont le seul produit de reaction est de l'eau. Cette these presente une etude theorique de ce systeme, la synthese et la caracterisation de differents type d'electrodes, et enfin une analyse des mouvements d'eau dans l'electrolyte par differentes techniques originales

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Rabih, Samer. "Contribution à la modélisation de systèmes réversibles de types électrolyseur et pile à hydrogène en vue de leur couplage aux générateurs photovoltaïques." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2008. http://oatao.univ-toulouse.fr/7731/1/rabih.pdf.

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Анотація:

Une réponse aux préoccupations actuelles suscitées par un bouquet énergétique principalement constitué de combustibles fossiles épuisables et nuisibles à l'environnement est de leur substituer peu à peu des sources d'énergies renouvelables, notamment solaires ou éoliennes. Cependant, ces énergies de flux à caractère intermittent posent un problème de valorisation. Elles sont souvent la source d'une électricité qui hérite de leurs fluctuations, dont le transport requiert un réseau, et qui constitue un vecteur peu aisé à stocker. Dans ce contexte l'hydrogène synthétisé à partir de cette électricité renouvelable pour la stocker est considéré comme un vecteur de stock prometteur pour le futur. Divers composants et procédés électrochimiques sont associés à cette perspective : électrolyseurs, piles à combustibles, associations des deux fonctions combinées dans le système ou intégrées dans un unique composant réversible. Notre travail se situe dans cette perspective. Il a contribué au développement de modèles avancés de composants électrochimiques de type électrolyseur ou piles à combustible, en intégrant la réversibilité en vue de l'étude de leur couplage aux générateurs photovoltaïques. Les modèles développés suivant une approche énergétique unifiée exploitent la représentation en bond graph. Après une analyse du contexte énergétique, un état de l’art des composants électrochimiques couplant hydrogène et électricité est présenté, plus particulièrement sur les électrolyseurs et sur les piles à combustible réversibles. Puis, après un rappel des principes de la représentation en Bond Graph, nous exploitons ce formalisme pour développer un modèle énergétique réversible de composant « électrolyseur et/ou pile à combustible», représentant au niveau macroscopique les phénomènes de conversion réactionnels et dissipatifs, couplés dans les domaines chimique, thermodynamique, électrique, fluidique et thermique. Des essais de caractérisation et de validation menés sur des petits dispositifs expérimentaux sont ensuite décrits. Ils permettent d'illustrer l’influence des paramètres opératoires sur les performances de ces composants. Enfin le modèle Bond Graph est exploité pour étudier la modularité des composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les associations séries ou parallèles de piles à combustible ou d’électrolyseurs. Une architecture couplant ces éléments avec un générateur photovoltaïque pour alimenter une charge isolée ou un réseau électrique est enfin présentée.

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Vichard, Loic. "Contribution à l’étude du vieillissement des composants batterie et pile à combustible en usage réel." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2019. http://www.theses.fr/2019UBFCA018.

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Анотація:

Les travaux de thèse sont associés au projet AsDeCoEUR (Analyses De Composants Energétiques en Usage Réel). Ce projet s’inscrit dans le contexte actuel de la mise en œuvre des nouvelles technologies de l’énergie pour la mobilité et porte plus spécifiquement sur l’étude des composants batterie et pile à combustible situés au coeur des chaines de traction électriques. Le projet souhaite s’appuyer sur les travaux déjà réalisés par les acteurs UTBM et IFSTTAR de la fédération de recherche FCLAB dans le projet Mobypost qui a permis l’expérimentation en usage réel sur deux sites de La Poste en région Franche-Comté d’une flotte de 10 véhicules électriques à pile à combustible et batterie.Pendant l’expérimentation Mobypost, tous les véhicules du projet enregistrent les nombreuses données physiques de leur chaine de traction. L’ensemble de ces informations constitue aujourd’hui une base très riche à exploiter. Dans le projet AsDeCoEUR, nous proposons une démarche scientifique menée autour d’un travail de thèse visant à comprendre le comportement dynamique, d'étudier le vieillissement et d'estimer l'état de santé des composants énergétiques batterie et pile à combustible en usage réel. Cette démarche est basée sur l’analyse des données enregistrées sur ces composants dans le projet Mobypost et est renforcée par des expérimentations spécifiques et maitrisées en laboratoire. La mise en oeuvre des compétences et des outils d’analyse numériques développés notamment pour les batteries par le laboratoire Ampère et l’IFSTTAR vise à comprendre et reproduire les phénomènes de dégradation des composants étudiés. Les travaux permettent au final, en associant les compétences des enseignants-chercheurs et chercheurs de l’UFC, de l’UTBM, de l’IFSTTAR et du laboratoire Ampère sur ce sujet, de contribuer à l’étude du vieillissement et d'estimer l'état de santé en usage réel des batteries et des piles à combustible ce qui constituent une avancée remarquable dans ce domaine, notamment en vue de l’industrialisation de véhicules équipés de ce type de composants
These thesis works are associated to the AsDeCoEUR project. This project is part of the current context of the development of new energy technologies for mobility and focuses more specifically on the study of battery and fuel cell components located in the heart of electric power train. The project is based on the work already carried out by the UTBM and IFSTTAR actors of the FCLAB research federation among the Mobypost project. Mobypost european project has allowed the experimentation of a fleet of 10 fuel cell electric vehicles under actual operating conditions on two postal platforms in the Franche-Comté region.During the Mobypost experiment, a deep monorting was performed on all the vehicles so numerous physical data of their power train were recorded. All of these information now constitutes a very rich database to exploit. Among the AsDeCoEUR project, we propose a scientific approach carried out around a thesis work wich aims at understanding dynamic behavior, studying aging and estimating the state of health of batteries and fuel cells in real use. This approach is based on the analysis of the data recorded on these components among the Mobypost project and is reinforced by specific experiments set up in the laboratory. The implementation of skills and digital analysis tools developed especially for batteries by the Ampère laboratory and IFSTTAR aims at understanding and reproducing the degradation phenomena. The works should finally allow, by combining the skills of UFC, UTBM, IFSTTAR and Ampère laboratory researchers, to contribute to the study of batteries and fuel cells aging and to estimate their state of health under actual operating conditions. This constitutes a remarkable advance in this field, particularly with a view to the industrialization of vehicles equipped with this type of component

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Iosub, Vasile. "Développement et optimisation d'une unité de stockage de l'ydrogène sur hydrures métalliques utilisée dans les systèmes stationnaires de pile à combustible." Paris 12, 2004. https://athena.u-pec.fr/primo-explore/search?query=any,exact,990002109170204611&vid=upec.

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Анотація:

Le travail effectué a commencé par une étude approfondie de la bibliographie sur l'application des hydrures métalliques comme matériau de stockage solide de l'hydrogène. Cette étude a permis de cerner deux familles de composés intermétalliques aptes à répondre à la demande de l'application envisagée : les composés de type AB5 avec une composition MmNi5-xSnx (Mm appelé mischmetal, est un mélange de La, Ce, Nd et Pr obtenu directement à partir du minerai) ainsi que les composés de type AB2 avec une composition Zr1-pTipMn2-r-sNirVs. Dans un deuxième temps, nous avons cherché à optimiser les propriétés d'absorption de l'hydrogène en jouant sur la composition et la structure de ces matériaux. En outre, une étude de cinétique et de vieillissement en cyclage a été faite. A partir des résultats expérimentaux obtenus, nous avons pu déterminer de nouvelles relations composition - structure - propriétés thermodynamiques afin de pouvoir adapter d'autres types de compostions au cahier des charges
The work bas started with a thorough study of tbe bibliography on the metal hydrides application as hydrogen storage materials in solid gas process. This study has made possible to determine two familles of intermetallic compounds able to reach the needs of the specific application: the AB5-type compounds with MmNi5-xSnx compositions (Mm stands for mischmetal, a mixture of La, Ce, Nd and Pr as well as tbe AB2-type compounds with Zr-pTipMn2-r-sNirVs compositions. In a second time we have tried to optimise hydrogen absorption properties by modifying the alloy composition and structure. Moreover, a study of the kinetics and ageing during cycling was made. From the experimental results, new relations composition - structure - thermodvnamic properties bave been determined in order to adapt other types of hvdrogen storage materials to the specifications

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Miachon, Sylvain. "Développement d'une pile à combustible hydrogène/oxygène à électrolyte polymère solide de 100 cm2 à hydratation interne." Université Joseph Fourier (Grenoble), 1995. http://www.theses.fr/1995GRE10048.

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Une pile a combustible h#2/o#2 a electrolyte polymere solide se decompose en deux parties: le cur de pile, assemblage de la membrane et des electrodes accolees d'une part, et le dispositif de confinement et de distribution des gaz d'autre part. Cette these est consacree a cette derniere composante, la cellule, qui permet aussi la collecte du courant et l'evacuation de l'eau produite. Une recherche bibliographique permet de degager les avantages et inconvenients des systemes classiques a hydratation externe et distribution des gaz a canaux. Une etude theorique succincte explicite les causes des pertes de rendement dues a la cellule afin de les minimiser. Par ailleurs, l'introduction du parametre emport-vapeur facilite la conduite de notre systeme a hydratation interne. Enfin sont presentees les differentes realisations experimentales qui ont permis l'amelioration progressive des performances. On obtient finalement celles correspondant aux plus elevees de la litterature, mais sur une surface de 100 cm#2, avec une gestion simplifiee de l'eau et des gaz. Un montage en petit empilement de deux curs presente des performances aussi elevees pour chacune des deux piles que celles de la cellule unite

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Le, Thi Chi. "Production d’hydrogène par un système de reformage de bioéthanol en vue de l’alimentation d’une pile à combustible PEM." Paris, ENMP, 2008. http://www.theses.fr/2008ENMP1559.

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Dans un contexte de réduction d’émissions des gaz à effet de serre, l’hydrogène apparaît comme prometteur car c’est un vecteur énergétique respectueux de l’environnement. L’utilisation d’une pile à combustible alimentée en hydrogène pour les applications automobiles, portables ou stationnaires pourrait être une solution d’avenir. La production d’hydrogène in situ par reformage de bioéthanol (carburant propre du point de vue environnemental) en vue d’alimenter une pile, peut être une solution alternative au problème du stockage de l’hydrogène. Dans cette thèse, la solution alternative proposée est constituée d’un module de puissance (MdP) membranaire. Il est principalement constitué d’un vaporeformeur de bioéthanol, d’un purificateur membranaire du reformat, d’une pile à combustible de type PEM, et d’un brûleur alimenté par les gaz non perméés à travers la membrane. L’avantage de l’utilisation d’une membrane de purification est de réduire considérablement le volume du système complet par rapport à un système de purification chimique. Dans ce travail, des simulations théoriques sur la base de différentes architectures de MdP ont montré l’intérêt indéniable d’un MdP membranaire par rapport à des MdP avec purification chimique en termes de rendement énergétique global et d’encombrement. De plus, un banc d’essai expérimental de reformage / purification membranaire a été conçu et monté, et les essais menés ont en particulier permis l’élaboration d’un modèle cinétique du vaporeformage de bioéthanol et de perméation de membrane, en vue du dimensionnement de ces unités. A partir de ces modèles, deux MdP membranaires optimisés l’un pour une application automobile, l’autre pour une application stationnaire ou portable de faible puissance sont proposés sur la base du meilleur compromis performance / encombrement
In the reduction of greenhouse gas emissions context, the use of hydrogen is a promising solution since it is a clean source of energy. Therefore, PEM fuel cells that convert hydrogen into electricity by an electrochemical way, appear to be a future alternative for automotive, portable or stationary applications. Because the storage and distribution of hydrogen actually still show difficulties, the on-board hydrogen production from bio-ethanol reforming – an environmentally friendly fuel – is an alternative solution. Therefore, a new kind of power plant has been designed in this work. It is mainly made up of a bio-ethanol steam reforming unit, a reformate purification system based on a hydrogen permeating membrane, a PEM fuel cell and a burner fed by the non-permeated gases. The benefit of using a membrane instead of a classical chemical purification way is that it considerably reduces the volume of the system. In this work, theoretical simulations of different architectures of power plants have shown the interest of using a membrane power plant instead of a chemical purification power plant in terms of global energetic yield and dimensions. Furthermore, an experimental setup made of reforming and membrane purification units has been designed and built, and experiments have been carried out to develop a kinetic model of the bio-ethanol steam reforming and a permeance model, in order to design these units. Based on these models, two membrane power plants are proposed: the first one is optimized for automotive application; the second one is optimized for stationary or small portable power use, with the best compromise between performance and dimensions

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Kamara, Konakpo Parfait. "Stratégies d’utilisation du bio hydrogène pour la technologie PEMFC : utilisation directe." Electronic Thesis or Diss., Université Grenoble Alpes, 2024. http://www.theses.fr/2024GRALI037.

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La France dans le but de décarboner son mix énergétique et baisser ses émissions de CO2 a décidé d’investir massivement dans la production décarbonée d’hydrogène comme vecteur d’énergie pour des applications de mobilités ou stationnaires[1]. Sur le million de tonnes d’hydrogène produit en France, 96 % est produit par vaporeformage d’hydrocarbures. La stratégie Française vise à développer la filière hydrogène en investissant dans l’installation d’électrolyseurs. De plus les dernières découvertes d’énormes gisements d’hydrogène naturel (46 millions de tonnes d’hydrogène en Lorraine) crée l’enthousiasme et agrandi le champ des perspectives. [2]. Une autre filière de production d’hydrogène décarboné dont on parle le moins est la filière biologique qui présente un grand potentiel de diversifications des voies de productions. L’hydrogène issu de ces filières pose le problème de sa qualité pour une application dans la mobilité ou le stationnaire dans des systèmes de pile à combustible.L’objet de ces travaux de thèse est de définir des stratégies pour l’utilisation du bio hydrogène ou hydrogène naturel par la technologie de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et en passant par les étapes de production de l’hydrogène jusqu’à sa conversion électrochimique.La première partie a consisté à étudier l’impact des impuretés ou diluants (N2, Ar, He, CH4, CO2) contenus dans l’hydrogène issu des filières biologique et natif dans une demi-cellule (cellule de diffusion de gaz, GDE). Ensuite cette étude a été étendue à une mono cellule de pile à combustible à membrane échangeuse de protons. Enfin un réacteur biologique à échelle du laboratoire a permis de produire de l’hydrogène à partir de sources organiques par photo fermentation (PF) qui a ensuite été testé en GDE. Plusieurs techniques de caractérisations électrochimiques et physicochimiques comme la voltammétrie cyclique, la chrono amperommétrie, la mesure de surface électro-active par CO stripping, la microscopie électronique à balayage et à transmission, la chromatographie ionique etc…ont permis d’évaluer les performances de la PEMFC alimenté par du bio hydrogène ainsi que son impact sur les éléments d’une pile à combustible.Les résultats de l’activité des électrodes pour la réaction d’oxydation de l’hydrogène en GDE ont mis évidence des effets de limitations par le transport de matières pour l’ensemble mélange, avec des comportements particuliers observés pour le mélange à l’azote, et les mélanges au méthane et au dioxyde de carbone qui en plus de la dilution ont un effet d’empoisonnement au monoxyde de carbone de l’électrode.Ensuite, les tests en mono cellule alimenté par les mélanges H2/Ar, H2/N2 et H2/CO2 à 30 et 40 % volumique en H2 pour une application stationnaire ont révélé des pertes de performances plus importantes pour le mélange au dioxyde carbone, les mélanges à l’argon et à l’azote ont des performances quasiment équivalentes. Ces pertes de performances sont dues à des pertes de surfaces électro actives.Enfin la production de bio hydrogène par PF a montré que le choix de la biomasse, le prétraitement et la souche bactérienne influençaient la qualité du biogaz produit et les performances électrochimiques obtenues à partir de ce dernier sans étapes de purification.Références[1] « Présentation de la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France ». Consulté le: 11 janvier 2024. [En ligne]. Disponible sur: https://www.economie.gouv.fr/presentation-strategie-nationale-developpement-hydrogene-decarbone-france[2] « Le plus gros gisement d’hydrogène naturel du monde vient d’être découvert en France », SudOuest.fr. Consulté le: 11 janvier 2024. [En ligne]. Disponible sur: https://www.sudouest.fr/economie/energie/le-plus-gros-gisement-d-hydrogene-naturel-du-monde-vient-d-etre-decouvert-en-france-17826239.php
With the aim of decarbonizing its energy mix and lowering its CO2 emissions, France has decided to invest massively in the decarbonized production of hydrogen as an energy carrier for mobility and stationary applications [1]. Of the one million ton of hydrogen produced in France, 96% is produced by steam reforming of hydrocarbons. France's strategy is to develop the hydrogen sector by investing in the installation of electrolyzers. What's more, the latest discoveries of huge deposits of natural hydrogen (46 million tons of hydrogen in Lorraine) are creating enthusiasm and expanding the field of prospects. [2]. Another decarbonated hydrogen production sector that is less talked about is the biological sector, which offers great potential for diversifying production routes. Hydrogen from these sources raises the question of its quality for use in mobility or stationary fuel cell systems.The aim of this thesis is to define strategies for the use of bio-hydrogen or natural hydrogen using proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) technology, from hydrogen production to electrochemical conversion.The first part consisted in studying the impact of impurities or diluents (N2, Ar, He, CH4, CO2) contained in hydrogen from biological and native processes in a half-cell (gas diffusion electrode, GDE). This study was then extended to a single-cell proton exchange membrane fuel cell. Finally, a laboratory-scale biological reactor was used to produce hydrogen from organic sources by photo fermentation (PF), which was then tested in a GDE. Several electrochemical and physicochemical characterization techniques, such as cyclic voltammetry, chrono amperometry, CO stripping for electroactive surface measurement, scanning and transmission electron microscopy, ion chromatography, etc., were used to assess the performance of the PEMFC fed by bio-hydrogen, and its impact on fuel cell components.The results of the electrode activity for the hydrogen oxidation reaction in GDE revealed mass-transport limitation effects for the mixtures, with a particular behavior observed for the nitrogen mixture, and the methane and carbon dioxide mixtures, which in addition to dilution have a carbon monoxide poisoning effect on the electrode.Next, single-cell tests using H2/Ar, H2/N2 and H2/CO2 mixtures at 30 and 40% H2 by volume for stationary applications revealed greater performance losses for the carbon dioxide mixture, while the argon and nitrogen mixtures performed almost equally well. These performance losses are due to electroactive surface losses.Finally, the production of biohydrogen by PF showed that the choice of biomass, pre-treatment and bacterial strain influenced the quality of the biogas produced and the electrochemical performances obtained from it without purification steps.References[1] « Présentation de la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France ». Consulté le: 11 janvier 2024. [En ligne]. Disponible sur: https://www.economie.gouv.fr/presentation-strategie-nationale-developpement-hydrogene-decarbone-france[2] « Le plus gros gisement d’hydrogène naturel du monde vient d’être découvert en France », SudOuest.fr. Consulté le: 11 janvier 2024. [En ligne]. Disponible sur: https://www.sudouest.fr/economie/energie/le-plus-gros-gisement-d-hydrogene-naturel-du-monde-vient-d-etre-decouvert-en-france-17826239.php

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Linares, Lamus Rafael Antonio. "Alimentation d’une bobine supraconductrice par une pile à combustible à hydrogène et conception d'un aimant vectoriel de 3 T." Thesis, Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0249/document.

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La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide
The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium

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Linares, Lamus Rafael Antonio. "Alimentation d’une bobine supraconductrice par une pile à combustible à hydrogène et conception d'un aimant vectoriel de 3 T." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0249.

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La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide
The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium

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Robert, Clotilde. "Optimisation d’un système pile à hydrogène / batteries / supercondensateurs pour une application portuaire, intégrant les contraintes d’usage et les aspects sociétaux–environnementaux." Electronic Thesis or Diss., Bourgogne Franche-Comté, 2024. http://www.theses.fr/2024UBFCD049.

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Cette thèse porte sur l'optimisation des chaînes de traction pour une application portuaire, en intégrant des critères d'éco-conception. L'étude se concentre sur des chaînes de traction comprenant des systèmes de type Pile à Combustible à Membranes Échangeuses de Protons (PEMFC), des batteries lithium-ion et des supercondensateurs de type Condensateur Électronique à Double Couche (EDLC).Après une analyse approfondie des composants énergétiques sous les angles sociétal, environnemental et technico-économique, la modélisation semi-empirique de ces composants est présentée. Plusieurs configurations de chaînes de traction sont étudiées, allant des solutions 100% batteries à des configurations hybrides avec un système PEMFC, ainsi qu'à des solutions de triple hybridation intégrant des supercondensateurs.Les simulations de ces chaînes de traction, réalisées à partir des cycles de conduite issus des tracteurs portuaires de la société GAUSSIN, permettent de comparer les différentes configurations selon plusieurs critères : techniques, économiques, environnementaux et sociétaux.Les résultats montrent que la solution de triple hybridation avec des packs batteries Lithium Titanate d’Oxyde (LTO) ou Lithium Fer Phosphate (LFP) offre le meilleur compromis entre performance, coût et réduction de l'impact environnemental, bien que certaines configurations puissent être préférables en fonction des priorités spécifiques des acteurs. Les perspectives de cette thèse incluent l'amélioration des modèles, une réflexion approfondie sur la durabilité et sur les émissions générées tout au long du cycle de vie du véhicule
This thesis deals with the optimization of powertrains for port applications, integrating eco-design criteria. The study focuses on powertrains comprising Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) systems, lithium-ion batteries and Electronic Double Layer Capacitor (EDLC) supercapacitors.After an in-depth analysis of energy components from societal, environmental and techno-economic angles, semi-empirical modeling of these components is presented. Several powertrain configurations are studied, ranging from 100% battery solutions to hybrid configurations with a PEMFC system, as well as triple hybridization solutions incorporating supercapacitors.Simulations of these powertrains, based on driving cycles from GAUSSIN's port tractors, enable us to compare the different configurations according to a number of criteria: technical, economic, environmental and societal.The results show that the triple hybridization solution with Lithium Titanate Oxide (LTO) or Lithium Iron Phosphate (LFP) battery packs offers the best compromise between performance, cost and reduced environmental impact, although certain configurations may be preferable depending on the specific priorities of the players involved. The prospects of this thesis include model improvements, in-depth reflection on sustainability and on emissions generated throughout the vehicle's life cycle

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Busquet, Séverine Marie-Pierre. "Etude d'un système autonome de production d'énergie couplant un champ photovoltai͏̈que, un électrolyseur et une pile à combustible : réalisation d'un banc d'essai et modélisation." Paris, ENMP, 2003. https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00001338.

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Gianotti, Elia. "High purity hydrogen generation via partial dehydrogenation of fuels." Thesis, Montpellier 2, 2014. http://www.theses.fr/2014MON20078/document.

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Ces travaux de thèse ont été développés dans un contexte de motivation générale de développement de modes de transport plus électrifiés et plus respectueux de l'environnement, dans le but de réduire considérablement les émissions de gaz à l'effet de serre. Plus particulièrement l'objectif de ce projet de thèse a été d'étudier la faisabilité d'un concept de génération d'hydrogène à bord, par déshydrogénation catalytique partielle (PDh) du carburant, permettent d'obtenir de l'hydrogène pour alimenter une pile à combustibles embarquée en replacement des unités de puissance auxiliaires. Dans un même temps le combustible qui n'est que partiellement déshydrogéné conserve ses propriétés et peut être réinjecté dans le pool de carburant. Cette thèse est divisée en deux grandes parties. Une première partie décrit les travaux de recherche sur la déshydrogénation partielle du kérosène pour la production d'hydrogène à bord d'un avion. Le choix du catalyseur est crucial, il doit permettre de produire de l'hydrogène de haute pureté sans compromettre les propriétés d'origine du kérosène. Des matériaux avancés, composés de métaux imprégnés sur des nouveaux supports ont été développés, caractérisés et évalués en tant que catalyseur dans la réaction de PDh. L'influence de la composition du catalyseur sur son activité, sélectivité et durée de vie ainsi que les mécanismes de désactivation ont été étudiés. Un matériau catalytique optimisé composé d'une phase active de 1% Pt - 1 % Sn (m/m) supporté sur une γ-alumine à porosité contrôlée, a permis une production d'hydrogène de 3500 NL•h-1•kgcat-1, avec une pureté de 97,6% vol. et un temps de vie de 79 h, ce qui correspond à une puissance électrique fournie par une pile à combustible de 3,5 kW.La deuxième partie du manuscrit décrit une étude sur le diesel et l'essence et sur la faisabilité de la génération d'hydrogène par PDh des carburants autres que le kérosène. Les résultats obtenus avec le même matériau sont encourageants et montre une application possible dans des domaines de transports autres que l'aviation. Les résultats les plus significatifs obtenus avec des substituts de gasoil et d'essence sont respectivement des valeurs de productivité d'hydrogène de 3500 et 1800 NL•h-1•kgcat-1 avec des temps de vie de 29 et 376 h et une pureté supérieur à 99 % vol. pour le deux
This thesis work have been developed in the general context of the development of more electrified and environmentally friendly means of transport, in order to significantly reduce greenhouse gases emissions. More specifically, the objective of this thesis project was to study the feasibility of the concept of on-board hydrogen generation by catalytic partial dehydrogenation (PDh) of fuel. The hydrogen produced serves to power a fuel cell system that replaces vehicles auxiliary power units. At the same time the fuel, that is only partially dehydrogenated, maintains its properties and can be re-injected into the fuel pool.This thesis is divided into two main parts. The first part describes the research on the PDh of kerosene to produce hydrogen on-board an aircraft. The choice of the catalyst is crucial: it should allow to produce high purity hydrogen without compromising the original properties of kerosene. Advanced materials, composed by metals impregnated on different supports, have been developed, characterized and evaluated as a catalysts in the reaction of PDh. The influence of catalyst composition on the activity, selectivity and stability as well as the deactivation mechanisms were studied. One of the optimized catalytic materials, composed of a 1% Pt - Sn 1% (w/w) active phase supported on a γ-alumina with controlled porosity, allowed a hydrogen production of 3500 NL•h-1•kgcat-1, with a purity of 97.6% vol. and a lifetime of 79 h, which corresponds to 3.5 kW of electric power supplied by fuel cells.The second part of the manuscript describes a study on diesel and gasoline and asses the feasibility of hydrogen generation by PDh of fuels different from kerosene. The results obtained with the previously mentioned catalyst are encouraging and show the possibility of applying this concept to other fields of transportation beside the aviation. The most significant results obtained with gasoline and diesel surrogates are respectively a hydrogen productivity value of 3500 et 1800 NL•h-1•kgcat-1 with lifetimes of 29 and 376 h and a purity that exceeds 99% vol. in both cases

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Aït, Idir William. "Performance et durabilité des piles à combustible basse température à faible chargement en platine." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2024. http://www.theses.fr/2024LORR0003.

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La pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC) est l'une des technologies les plus prometteuses pour la transition énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le domaine des transports lourds. L'un des freins à sa commercialisation réside dans l'utilisation du platine comme catalyseur au sein des électrodes. Le platine est un métal onéreux et présent en quantité limité sur la planète, ce qui restreint le développement de cette technologie. De ce fait, ce travail se concentre sur l'étude des performances et de la durabilité d'électrodes à faible chargement en platine. Différentes caractérisations furent réalisées pour examiner l'impact en termes de performances et de durabilité d'un faible chargement en Pt à la cathode. Une première étude sur la couche limitant le transport de l'oxygène dans une PEMFC est réalisée à l'aide de la technique de spectroscopie d'impédance électrochimique. Pour cela, différents assemblages membrane électrodes (AME) furent caractérisés. Les différences entre les AME proviennent soit du chargement en Pt à la cathode, de la membrane, de la couche de diffusion des gaz (GDL) ou/et de la surface et de la géométrie des plaques bipolaires. On en conclut que la GDL est la couche qui limite le plus le transport de l'oxygène ; cependant, réduire le contenu en platine des électrodes se traduit par une augmentation de la résistance haute fréquence qui pourrait provenir de la diffusion de l'oxygène à travers le film de ionomère. Une cartographie des performances puis un protocole de vieillissement accéléré (AST) furent également réalisés avec les différents AME testés. La cartographie a pour objectif de déterminer les conditions opératoires donnant les meilleures performances (courbes de polarisation). L'AST quant à lui permet d'évaluer la durabilité des AME à l'aide d'un protocole de cyclage en potentiel et en humidité induit par des variations de courant. Un suivi des dégradations des performances est réalisé pour quantifier cette durabilité. Pour cela, les tests réalisés entre chaque étape d'AST consistent en la mesure des courbes de polarisation, la mesure de la tension durant un fonctionnement de 1h à 1 A/cm², la mesure du courant de perméation de l'hydrogène et celle de la surface active électrochimique des deux électrodes. Il a été observé sur quatre chargements en Pt différent à la cathode, une corrélation entre le chargement et les dégradations subies par l'AME. Lorsque le chargement en Pt diminue, les dégradations sont plus importantes, l'AME est moins performant et moins durable
The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is one of the most promising technologies for the energy transition and the reduction of greenhouse gas emissions in heavy-duty transport. One of the obstacles to its commercialization lies in the use of platinum as a catalyst in the electrodes: platinum is both expensive and present in limited quantities on the planet. As a result, this work focuses on studying the performance and durability of low-platinum-loaded electrodes. Various characterizations were carried out to examine the impact in terms of performance and durability of low Pt loading at the cathode. An initial study of the layer limiting oxygen transport in a PEMFC was carried out using electrochemical impedance spectroscopy. Different membrane electrode assemblies (MEA) were characterized. The differences between the MEA are due either to Pt loading at the cathode, the membrane, the gas diffusion layers (GDL) and/or the flow field plate geometry and area. It was concluded that the GDL is the layer contributing the most to oxygen transport limitations; however, decreasing the platinum content of the electrodes results in an increase in the high-frequency resistance, which could be due to oxygen diffusion through the ionomer film. Performance mapping and an accelerated stress test (AST) were also carried out with the various MEA tested. The aim of performance mapping is to determine the operating conditions giving the best performance (polarization curve). AST is used to evaluate the durability of MEA using a potential and current-induced humidity cycling protocol. Performance degradation is monitored to quantify durability. To this purpose, the tests carried out between each AST step consist in measuring polarization curves, voltage during 1h operation at 1 A/cm², hydrogen permeation current and electrochemical active surface of both electrodes. Over four different Pt loadings at the cathode, a correlation was observed between loading and MEA degradation. As Pt loading decreases, degradation becomes more pronounced, and the MEA is less efficient and less durable

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Gailly, Frédéric. "Alimentation électrique d'un site isolé à partir d'un générateur photovoltaïque associé à un tandem électrolyseur/pile à combustible (batterie H2/O2)." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2011. http://oatao.univ-toulouse.fr/11527/1/Gailly_Frederic.pdf.

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Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.

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Marty, Philippe. "Procédé et dispositif de génération d'hydrogène par conversion à haute température avec vapeur d'eau." Perpignan, 2002. http://www.theses.fr/2002PERP1140.

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Ce travail s'inscrit dans le cadre de la génération d'hydrogène par reformage non catalytique de combustibles, à haute température, en vue de l'alimentation d'une pile à combustible H2/02 de type PEM pour une application transport. Il constitue une alternative à l'utilisation de catalyseurs. Le reformage thermique proposé supprime les problèmes d'empoisonnement et de formation de coke liés aux systèmes catalytiques de reformage et permet dans le même temps de réaliser un système de reformage acceptant tous types de combustibles, sans avoir à adapter un catalyseur aux molécules de combustibles à reformer. La comparaison des différentes filières de production d'hydrogène (oxydation partielle, vapo-reformage et vapo-reformage autotherme) est effectuée à partir des contraintes imposées par la pile PEM et des résultats de calculs sur les réactions stoechiométriques. Elle aboutit au choix du vapo-reformage hybride (VRH), bien adapté aux caractéristiques de la pile PEM et permettant une optimisation énergétique du système constitué par le reformeur et la pile PEM. L'utilisation d'un modèle de cinétique chimique adapté au VRH du propane permet de déterminer les niveaux de température et les temps de séjour nécessaires pour réaliser la réaction de VRH sans catalyseur et pour éviter la persistance de méthane, d'hydrocarbures non méthaniques et d'hydrocarbures polycycliques aromatiques dans le mélange riche en hydrogène. A partir de ces résultats, une procédure de définition d'un reformeur non catalytique est donnée et est appliquée pour la conception d'une première maquette de VRH de propane. Les résultats expérimentaux obtenus sur une maquette (composition volumique, températures du reformat et des parois) sont présentés et comparés aux résultats des calculs effectués lors de la phase de conception
This work deals with the field of hydrogen generation by non catalytic fuel reforming, at high temperature, with the aim to feed a PEM type H2/02 fuel cell for transport applications. It appears as an interesting alternative to the use of catalysts. Indeed, the proposed thermal reforming eliminates the poisoning and coke formation problems associated with catalytic reformers. Besides, it enables the realisation of a reforming system that accepts all types of fuels, without the need to adapt a specific catalyst to the fuel molecules to be reformed. The comparison of the different hydrogen production processes (partial oxidation, steam-reforming and autothermal reforming) is done considering the constraints imposed by the PEM fuel cell and the results of calculations on stoichiometric reactions. It results in the choice of the hybrid steam-reforming (HSR) process, which fits very well to the characteristics of the PEM fuel cell and enables an energetic optimisation of the whole system. A chemical kinetic model adapted to the propane HSR process is used to identify the temperature levels and residence times necessary to proceed the HSR reaction withou catalyst and to avoid the persistence of methane, non methanic and polycyclic aromatic hydrocarbons in the hydrogen-rich mixture. From the results, a procedure is given to define a non catalytic reformer. This procedure is applied for the design of a first laboratory-scale HSR reactor fed with propane. Experimental results (chemical composition, reformate and wall temperatures) are presented and compared with the results of the calculations done during the design phase

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Collong, Sophie. "Conception des systèmes mécaniques complexes en comportement dynamique. Contribution à une démarche physico-fiabiliste à partir d'un système à pile à combustible pour véhicule électrique à hydrogène." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2016. http://www.theses.fr/2016BELF0283/document.

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L ’intégration de systèmes mécaniques complexes soumis à des environnements vibratoirescontraignants nécessite de tenir compte, dès la conception, des sollicitations réelles d’usage.La thèse montre que l’environnement vibratoire ainsi que la durée d’exposition dépendent del’utilisation qui sera faite d’un système tout au long de son cycle de vie. L’ évaluation de sonl’utilisation repose sur l’ évolution conjointe du comportement des utilisateurs et du développementde la technologie du système.L’analyse de la sûreté de fonctionnement d’un système mécanique complexe a permis de considérerle système dans son ensemble et d’investiguer ainsi de fac¸on approfondie le comportementdynamique de composants critiques. La modélisation simple de systèmes mécaniques précisequalitativement et quantitativement les comportements dynamiques principaux et simule lessollicitations vibratoires auxquelles un composant critique identifié est soumis. Sur cette base, lamodélisation du comportement d’un composant mécanique permet d’ évaluer le dommage par fatiguequ’il subira. Cet indicateur apporte au concepteur une aide aux choix de la géométrie du composant.Enfin, l’environnement climatique ainsi que des impacts li ´es au fonctionnement interne du système,ont ´ et ´e pris en compte par la réalisation d’essais vibro-climatiques en fonctionnement. Ces étudesont été menées sur un système à pile à combustible intégré à un véhicule électrique à hydrogène.Elles ont permis de mettre au point un cheminement comme appui `a la conception des systèmesmécaniques complexes.Le cheminement pluridisciplinaire propos´e dans cette thèse repose donc sur l’interaction de travauxde recherche issus principalement des domaines de la sociologie, de la sûreté de fonctionnement etde la mécanique
The integration of complex mechanical systems subject to stringent vibration environments requiresconsideration of the real conditions of use from the beginning of the design phase.The thesis shows that the vibration environment and the duration of exposure to this environmentdepend on the use of the system throughout its life cycle. The evaluation of its use is based on thejoint evolution of both the user behavior and the system technology development.The dependability analysis of a complex mechanical system leads to consider the system as a wholeand thus to investigate in depth the dynamic behavior of critical components. A basic modeling ofthe mechanical system allows to qualitatively and quantitatively identify key dynamic behaviors anddetermines the vibration loads to which selected critical components are subjected. On this basis,modeling the behavior of a mechanical component leads to assess its fatigue damage. This indicatorhelps the designer in his choice of component geometry.Finally, the climatic environment as well as effects related to the internal functioning of the system,have been taken into account by performing vibro-climatic tests of on an operating systems, i.e. a fuelcell system integrated into a hydrogen electric vehicle. This helped to develop a procedure to supportthe design of complex mechanical systems

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Aiteur, Imad-Eddine. "Modélisation, commande et optimisation d’un réseau multi-sources. Application à la traction de véhicules électriques." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLC047.

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Les travaux de cette thèse portent sur l’investigation d’approches de commande et de supervision permettant d’aborder la problématique de gestion d’énergie des réseaux électriques multi-sources. l’objectif souhaité était de proposer une démarche de conception de lois de commande pour ce type de système en vue de réguler la tension de sortie et de gérer d’une manière optimale les flux d’énergie entre les différentes sources et les consommateurs et au vu de minimiser la consommation d’hydrogène.A cette fin, deux configurations ont été envisagées :l’application d’approches à base d’un modèle statique et des stratégies à base d’un modèle dynamique de la PàC. Dans un premier temps, trois approches de gestion énergétique ont été appliquées au système visant à minimiser la consommation de masse d’hydrogène tout en respectant les contraintes physiques du système.Tout d’abord, l’optimisation est réalisée en utilisant une méthode d’optimisation hors ligne appelée la programmation dynamique. Deuxièmement, deux approches d’optimisation en ligne sont utilisées : stratégies ECMS et MPC. Une comparaison en termes de consommation d’hydrogène et de temps de calcul est réalisée.Dans un deuxième temps, une approche décentralisée de commande a été envisagée afin de tenir compte du modèle dynamique de la PàC dans la conception du superviseur. L’avantage de cette architecture réside dans sa capacité a aborder séparément chacune des problématiques dans l’optique de répondre aux différents objectifs de commande. Dans ce cadre, la régulation du système PàC et de l’état de charge de l’ESS est réalisée séparément avec deux contrôleurs différents, tous deux conçus en utilisant l’approche (MPC-LTV). Les troisième et quatrième niveaux de la structure de contrôle décentralisée consistent en des boucles de locale des courants de la PàC et de SC et un contrôle de tension du bus continu, conçu à l’aide de contrôleurs PI. La validation de la structure de contrôle est réalisée en simulation en utilisant un modèle non linéaire du système PàC.A la fin, les approches de commande conçues à base du modèle statique de la PàC (DP, ECMS et MPC) seront appliquées sur le modèle dynamique de cette dernière afin d’évaluer les performances de ces approches et d’en déduire des conclusions sur l’apport de l’intégration de la dynamique de la PàC dans la synthèse des lois de commande
This thesis focuses on the investigation of control approaches to treat the issue of energy management of multi-source electrical networks. The considered electric motor supply system consists on a fuel cell as a main energy source and an additional element that supplies peak power and charges by regenerative braking. At first, three energy management strategies have been applied to the sypply system aiming to minimize the fuel cell hydrogen mass consumption while satisfying the system physical constraints. First, the optimization is realized using dynamic programming,an off-line optimization method that requires the knowledge of the entire power load profile. Secondly, twoon-line optimization approaches are used : ECMS and MPC strategies, for which only the current power demand is demanded.The second part of this thesis presents a decentralized control strategy applied to the power system. The dedicated control structure aims to assure an optimal operation of the FC system while respecting the compressor physical limits and to control the converter current sand network output voltage. To attain these objectives, a dynamic model of the FC system is used,in addition to the SSE and electric network dynamics. The FC system regulation and the control of the SSE state of energy are performed separately with two different controllers, both designed using (MPC-LTV) approach. The third and fourth levels of the decentralized control structure consists on inner control loops for fuel cell/supercapacitor currents and a DC bus voltage control loop, designed using PI controllers. The validation of the control structure is performed in simulation using a nonlinear models of the FC system and the SSE. To validate and compare the performance of different control methods based on a fuel cell static model, these approaches have been applied to the dynamic model of the FC and compared to the results obtained by applying the approched designed and based on an FC dynamic model. A comparison in terms of network efficiency and hydrogen consumption has been done

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Escribano, Sylvie. "Optimisation de nouvelles électrodes pour piles à combustible hydrogène/oxygène à membrane électrolyte polymère." Grenoble INPG, 1995. http://www.theses.fr/1995INPG0148.

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Ce travail concerne l'optimisation de nouvelles electrodes pour piles a combustible hydrogene/oxygene a membrane electrolyte polymere. L'energie electrique est fournie par la recombinaison en eau de l'hydrogene et de l'oxygene, respectivement oxyde et reduit sur deux electrodes separees par la membrane electrolyte, ici du nafion. L'objectif est de realiser des electrodes a tres faibles chargements en platine (utilise comme catalyseur) mais fournissant de bonnes performances electrochimiques. Une etude theorique succincte donne des informations sur le comportement des piles en fonction de certaines caracteristiques des assemblages electrodes/membrane (aem). La zone active des electrodes (contenant le platine) est deposee par pulverisation soit sur des tissus de carbone contenant un agent hydrophobe (zone diffusionnelle) soit sur la membrane electrolyte. Les aem sont formes par pressage a chaud des trois elements zone diffusionnelle-zone active-membrane. L'interet et l'influence de plusieurs parametres d'elaboration sont analyses hors fonctionnement par des techniques de caracterisation morphologique, comme la microscopie electronique et la thermoporometrie, mais aussi par voltamperometrie cyclique. Les tests en pile sont enfin utilises pour l'evaluation des performances electrochimiques, representees par les courbes de polarisation

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Guenot, Benoit. "Etude de matériaux catalytiques pour la conversion électrochimique de l'énergie Clean hydrogen generation from the electrocatalytic oxidation of methanol inside a proton exchange membrane electrolysis cell (PEMEC): effect of methanol concentration and working temperature Electrochemical reforming of Dimethoxymethane in a Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell: a way to generate clean hydrogen for low temperature fuel cells." Thesis, Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie, 2017. http://www.theses.fr/2017ENCM0004.

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L’hydrogène est un vecteur énergétique prometteur réalisant une très bonne synergie avec l’exploitation des sources d’énergie intermittentes telles que le solaire ou l’éolien. Le développement de ses moyens de production et de conversion électrochimique représente un enjeu majeur dans le contexte de transition énergétique dans lequel nous vivons aujourd’hui. Les piles à combustible et les électrolyseurs utilisant la technologie PEM (Membrane Echangeuse de Protons) sont des systèmes électrochimiques de conversion de l’énergie matures tandis que les systèmes réversibles capables de remplir ces deux fonctions – les piles à combustible régénératrices unitaires – sont encore à l’état de développement. Leur principal verrou technologique est la conception d’une électrode bifonctionnelle à oxygène. Les matériaux catalytiques mis en œuvre dans ces systèmes sont principalement des métaux nobles et il convient d’en réduire autant que possible la charge massique dans les électrodes pour diminuer le coût des systèmes. Trois aspects complémentaires ont été développés lors de ces travaux de thèse. D’une part, des oxydes d’iridium et de ruthénium ont été élaborés par voie hydrothermale afin de catalyser la génération d’oxygène en fonctionnement électrolyseur. D’autre part, des catalyseurs à base de platine supportés sur des matériaux non carbonés, en particulier le nitrure de titane, ont été synthétisés par des voies colloïdales, afin de catalyser la réduction de l’oxygène en fonctionnement pile à combustible. L’association de ces matériaux est une première étape vers la conception d’une électrode bifonctionnelle à oxygène. Le troisième point se concentre sur la production de l’hydrogène et propose une alternative à l’oxydation de l’eau. L’oxydation électrochimique de composés organiques tels que le méthanol ou le diméthoxyméthane à l’aide de catalyseurs à base de platine et de ruthénium métallique permet la production d’hydrogène de grande pureté avec une consommation d’énergie électrique moindre par rapport à l’électrolyse de l’eau
Hydrogen is a promising energy vector, particularly for energy storage from intermittent energy sources such as solar or wind. The development of its production methods and its electrochemical conversion represents a major challenge in the context of energy transition in which we live nowadays. Fuel cells and electrolyzers using PEM technology (Proton Exchange Membrane) are mature electrochemical energy conversion systems, while reversible systems capable of performing both functions – unitized regenerative fuel cells – are still in the early stage of development. Their main technological bottleneck is the design of a bifunctional oxygen electrode. The catalytic materials used in these systems are mainly noble metals and it is necessary to reduce as much as possible their loading in the electrodes to decrease the system cost. Three complementary aspects have been developed during this thesis. On the one hand, iridium and ruthenium oxides have been prepared by hydrothermal treatment in order to catalyze the oxygen evolution under electrolyzer operation. On the other hand, platinum-based catalysts supported on non-carbonaceous materials, especially titanium nitride, have been synthesized by colloidal routes, in order to catalyze the oxygen reduction under fuel cell operation. The combination of these materials is the first step towards the design of a bifunctional oxygen electrode. The third topic focuses on the production of hydrogen and proposes an alternative to the oxidation of water. The electrochemical oxidation of organic compounds such as methanol or dimethoxymethane using platinum and ruthenium based catalysts allows producing clean hydrogen with a lower electrical energy consumption compared to the electrolysis of water

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Beaugrand, Anne-Viviane. "Choix de matériau pour l'élaboration d'un réacteur de reformage de l'éthanol pour l'alimentation d'une pile à combustible." Compiègne, 2004. http://www.theses.fr/2004COMP1534.

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Le présent travail porte sur le développement de matériaux-enveloppes de systèmes réacteurs de reformage de l'éthanol pour pile à combustible, pour une application industrielle automobile. Les conditions d'utilisation du réacteur de reformage sont simuler en laboratoire afin d'étudier la tenue à la corrosion de matériaux métalliques à haute température. Les conditions de reformage sont drastiques (températures de 70o•c à soo•c, avec de possibles échauffements à 1OOo•c, présence de vapeur d'eau et d'hydrogène) et nécessitent donc l'emploi de matériaux performants, qui doivent également répondre à des conditions de coût. Les alliages austénitiques réfractaires apparaissent comme un bon compromis. La résistance à la corrosion à haute température des matériaux métalliques, est due à la formation d'une couche protectrice, dans la plupart des cas constituée d'oxydes qui isole le matériau de l'atmosphère agressive environnante et ralentit son attaque. Nous avons donc utilisé les propriétés intrinsèques du matériau à s'auto-protéger pour améliorer la résistance à la corrosion. Les conditions d'emploi à haute température des alliages dépendent de quatre facteurs essentiels: la stabilité microstructurale, la résistance mécanique des matériaux, la stabilité thermodynamique des oxydes et la résistance au fluage des couches protectrices qui se développent à la surface. Les deux premiers facteurs ne dépendent que des matériaux. Lis ont été considérés lors du choix des matériaux pour l'étude. Les essais effectués permettent de d'établir l'influence des paramètres expérimentaux, mais aussi des conditions opératoires. Au terme de l'étude un matériau est sélectionné et une nouvelle séquence de préparation permettant d'améliorer sa résistance à la corrosion est définie. Elle doit permettre la génération d'une couche de pré-oxydation, sous atmosphère contrôlée, qui agira comme une barrière de diffusion. Son influence est testée sous atmosphère de reformage et en cyclage thermique.

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Labbé, Julien. "L'Hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d'électricité pour systèmes photovoltaïques isolés." Phd thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2006. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00002332.

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Un système électrique isolé du réseau, uniquement alimenté par un générateur photovoltaïque nécessite un stockage d'énergie pour être autonome. La batterie au plomb est couramment utilisée à cet effet, en raison de son faible coût, malgré certaines contraintes de fonctionnement. On peut la remplacer par une unité de stockage (USEH) incluant un électrolyseur, une pile à combustible et un réservoir d'hydrogène. Mais il reste d'importants efforts à fournir avant de voir l'essor industriel de cette technologie dont les débouchés doivent être identifiés. Les applications stationnaires de quelques kW sont évaluées par simulation numérique. Un simulateur est développé dans l'environnement Matlab/Simulink, comprenant principalement: le champ photovoltaïque et le système de stockage (batteries au plomb, USEH, ou stockage hybride USEH/batteries). La taille des composants est calculée pour satisfaire l'autonomie du système sur une année de fonctionnement. Il est testé pour 160 profils de charge (1kW en moyenne annuelle) et trois situations géographiques (Algérie, France et Norvège). Deux coefficients sont mis en place pour traduire la corrélation entre la consommation de l'usager et la disponibilité de la ressource renouvelable, à l'échelle journalière et saisonnière. Parmi les cas testés, le coefficient de corrélation saisonnier montre une valeur limite permettant de préconiser le stockage le plus adapté au cas étudié. L'emploi de l'USEH au lieu de batteries au plomb peut conduire à accroître le rendement du système, à réduire la taille du champ photovoltaïque et à optimiser l'exploitation de la ressource renouvelable. Dans tous les cas testés, l'hybridation de l'USEH avec des batteries permet d'améliorer le dimensionnement et les performances du système, avec un gain sur le rendement de 10 à 40 % selon le lieu testé. La confrontation des résultats de simulation à des données de systèmes réels a permis de valider les modèles utilisés.

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Fonseca, Ramon Naiff da. "Optimization of the sizing and the energy management for a hybrid fuel cell vehicle including fuel cell dynamics and durability constraints." Thesis, Lyon, INSA, 2013. http://www.theses.fr/2013ISAL0110/document.

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L'hydrogène à travers de l'utilisation des piles à combustible (PAC), est de plus en plus considéré comme une option énergétique possible au secteur des transports grâce à ces caractéristiques fonctionnelles. Cependant, la technologie liée à la mise en œuvre de véhicules alimentés par une pile à combustible n'a pas encore atteint le niveau de maturité requis. Ainsi, ce travail propose de traiter certaines de ces limitations qui existent encore. Plus précisément, trois thèmes représentent les objectifs de ce travail : Le dimensionnement optimal des éléments présents dans un véhicule hybride à pile à combustible. La gestion d'énergie optimale pour les applications en temps réel et intégrant les contraintes dynamiques du système PAC. Inclusion de la durabilité de la pile à combustible dans la gestion d'énergie du véhicule. Le premier thème est abordé à travers l'élaboration d'une méthodologie de dimensionnement adapté à un véhicule hybride à la pile à combustible. Dans une approche systématique, le dimensionnement proposé combine les exigences de performance présente dans les spécifications techniques du véhicule, les algorithmes d'optimisation, l'analyse de la mobilité de la population et la viabilité économique de la conception. Le deuxième objectif établi a été développé à l'aide d'une approche d'optimisation de la répartition de puissance entre la batterie et le système PAC. Par l'adoption d'une méthode d'optimisation globale combinée à une stratégie de commande prédictive et l'inclusion de la dynamique du système PAC, un algorithme de gestion d'énergie pour des applications de temps réel a été conçu. Enfin, la durabilité de la pile à combustible a été incluse dans ce travail par l'intégration de sa dynamique de dégradation dans le problème d'optimisation lié à la gestion d'énergie. Cette dynamique représente une contrainte à prendre en considération lors de la répartition de puissance entre le système PAC et la batterie
The hydrogen, through the use of fuel cell stacks (FC), has been increasily considered as an energy possible option for the transport sector. Nevertheless, the technology related to its implementation in fuel cell vehicles has not reached the required maturity level. Therefore, this work intends to deal some of these existing limitations. More precisely, three topics represent the objectives of this work: The optimal sizing of the element present in the fuel cell hybrid vehicle. The development of an optimal energy management strategy oriented for real time applications and including the dynamic constraints of the FC system. The inclusion of the fuel cell durability in the vehicle energy management strategy. The first topic is tackled by the development of a sizing methodology adapted to the fuel cell hybrid vehicle application. Using a systematic approach, the proposed sizing method combine the performance requirements present in the vehicle's technical specifications, optimization algorithms, population mobility behavior and the economic viability of the design. The second assigned objective was developed using an optimization approach for the power split between the battery and the FC system. Through the adoption of a global optimization method allied with a predictive control strategy and the inclusion of the FC system dynamics, it was created an energy management algorithm oriented for real time applications. Finally, the fuel cell durability was included in this work by the integration of its degradation dynamics in the optimization problem, which is related to the vehicle's energy management. Such dynamic represents a constraint that should be taken into account in the power sharing between the FC system and battery

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Soubeyran, Guillaume. "Nouvelles stratégies de fonctionnement et d'architectures pour l'optimisation des performances des systèmes PEMFC." Electronic Thesis or Diss., Université Grenoble Alpes, 2024. http://www.theses.fr/2024GRALI017.

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L’utilisation de l’hydrogène associé à un système de type PEMFC (Proton-Exchange Membrane Fuel Cell) dans le domaine du transport est en plein essor, mais fait face à de nombreux obstacles. L’un d’entre eux réside dans les performances et la durabilité des systèmes PEMFC qui demeurent encore insuffisantes. Cependant, il s’avère que certaines pertes de performances des PEMFC sont partiellement réversibles sous certaines conditions. Ainsi, il serait donc possible, en recouvrant ces dégradations réversibles via une procédure de régénération, de récupérer tout ou partie de la performance perdue, et d’améliorer par conséquent la performance et la durabilité des systèmes PEMFC. Ces travaux de thèse visent ainsi à optimiser l’application de procédures de régénération pour l’oxydation et la passivation progressive du catalyseur cathodique à base de platine.Une analyse multi-échelles a été menée afin de déterminer l’impact des paramètres de différentes procédures de régénération et de se rapprocher progressivement des conditions de fonctionnement d’un système PEMFC. Ces essais ont par ailleurs permis de tester et comparer deux types de procédures de régénération basés sur la pénurie d’air et la dilution d’air pour abaisser volontairement le potentiel de la cathode de manière périodique. Après une première validation en monocellule différentielle puis en stack, des essais de durabilité ont été menés sur stacks afin d’étudier l’effet à long-terme de l’application de ces procédures de régénérations sur l’évolution des performances, de même que leur impact sur la durabilité des composants du système PEMFC
The use of hydrogen combined to a PEMFC (Proton-Exchange Membrane Fuel cell) system in the transport is rising. Still, many obstacles remain for a high-scale production. One of these obstacles is the too low durability and performances of PEMFC systems to reach competitiveness. Yet, some performance loss in PEMFC systems are reversible under specific conditions. It would thus be possible to recover fully or partially some of these reversible degradations through a recovery procedure and therefore improve the durability and performance of PEMFC systems. The goal of this thesis is therefore to optimize the application of specific recovery procedures for the oxidation and passivation of the platinum-based catalyst at the cathode.A multiscale architecture has been developed to determine the impact of parameters for several recovery procedures in conditions closer to operating conditions of PEMFC system. These trials enabled to study and compare two kinds of recovery procedures based on the voluntary limitation of air supply to periodically decrease cathode potential. After a first validation at differential single cell scale then at stack level, the long-term effect of these recovery procedures on cell performance and on its components has been studied through durability tests

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Candusso, Denis. "Contribution à l'expérimentation de générateurs à piles à combustible de type PEM pour les systèmes de transport." Habilitation à diriger des recherches, École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00802373.

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Le mémoire porte sur l'expérimentation de piles à combustible (PAC) de type PEM (à membranes échangeuses de protons, ou à membranes polymères) destinées à trouver des applications dans les systèmes de transport. Le document proposé commence par donner un aperçu des principales problématiques liées aux transports et à l'énergie. L'objectif essentiel est d'indiquer, dans ce contexte, la pertinence d'une recherche finalisée sur les systèmes PAC et l'hydrogène, avec des travaux à mener qui s'inscrivent nécessairement dans la durée. Vient ensuite une présentation scientifique et technique des générateurs PAC de type PEM ; l'accent est alors mis sur les aspects les plus " système " de ces objets. Le concept d'hybridation par des organes de stockage tampon de l'énergie électrique (batteries et supercondensateurs) est mis en avant. Le document offre aussi une description de moyens originaux disponibles sur la plateforme PAC de Belfort en termes de matériels (bancs, instruments), de méthodes (plans d'expérience) permettant de caractériser des PAC aux puissances significatives pour les applications véhicule. Des exemples d'expérimentations spécifiques à l'application véhicule sont proposés ; les essais menés conduisent à dupliquer en laboratoire les conditions d'essais de l'environnement transport (sollicitations en dynamiques de courant, contraintes climatiques et vibratoires). Les aspects majeurs de la durée de vie, de la fiabilité et du diagnostic des systèmes PAC font l'objet du dernier chapitre du document. Le mémoire s'appuie sur un ensemble de travaux présentant une forte composante expérimentale, justifiée par la nécessaire détermination des performances des piles existantes, par l'évaluation de leurs durées de vie et de leurs modes de défaillance sous les contraintes réelles des applications embarquées. La démarche scientifique adoptée mêle étroitement expérimentation, analyse des phénomènes et diagnostic, modélisation de l'expérience et modélisation physique.

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Daoudi, Meriem. "Performances et durabilité des membranes alternatives aux membranes PFSA." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2023. http://www.theses.fr/2023LORR0011.

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Le principal objectif de cette thèse est la recherche d'un compromis entre la durabilité, le coût et, à terme, la résistance à haute température des membranes ionomères utilisées dans les piles à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). À cet égard, le ionomère poly (éther éther cétone) sulfoné (sPEEK) a été choisi du fait de ses bonnes propriétés mécaniques et de sa tenue à haute température. Cependant, les membranes sPEEK offrent une faible stabilité chimique par rapport aux membranes PFSA (PerFluoroSulfonic Acid) de référence. Afin de lever ce verrou, deux approches ont été mises en place : prétraitements et/ou hybridation des membranes sPEEK. L'impact des prétraitements des membranes poly (éther éther cétone) sulfoné sur leurs propriétés fonctionnelles, leurs structures chimiques et leurs performances en pile a été étudié. Plusieurs techniques de caractérisation physico-chimiques ainsi que des outils de diagnostic électrochimiques ont permis de corréler les performances en pile aux propriétés de sorption et de transport des différentes membranes. Par la suite, la durabilité des meilleurs de ces échantillons a été étudiée via deux approches ex-situ et in-situ. L'approche ex-situ a permis d'avoir un premier aperçu de la stabilité chimique des membranes. En complément, les tests de dégradation in-situ ont permis d'évaluer la stabilité des membranes sous l'effet des sollicitations chimiques et mécaniques rencontrées dans les cellules de piles à combustible en fonctionnement. Pour cela, un test de vieillissement accéléré a été développé, associant cyclages en potentiel, cyclages en humidité, et maintiens prolongés en circuit ouvert. Enfin, la deuxième approche consiste, en plus de l'application d'un prétraitement, en l'hybridation des membranes par voie sol-gel. Plusieurs précurseurs à fonctions sacrificielles ou rédox ont été imprégnés au sein des membranes poly (éther éther cétone) sulfoné. L'analyse des performances en pile ainsi que de la durabilité des membranes en appliquant le test de dégradation accéléré ont mis en évidence l'efficacité de cette approche : les performances et la durabilité de certaines membranes hybrides ont même dépassées celles des membranes PFSA de référence
The main objective of this thesis is to find a compromise between durability, cost, and eventually the ability to sustain high temperatures ionomer membranes used in PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). This work focused on sulfonated poly (ether ether ketone) membranes (sPEEK), which were chosen because of their good mechanical properties and high temperature resistance. However, sPEEK membranes suffer from a poor chemical stability, compared to the reference PFSA (PerFluoroSulfonic Acid) membranes. In order to overcome this problem, two approaches have been developed: pretreatment and/or hybridization of sPEEK membranes.The impact of sulfonated poly (ether ether ketone) membranes pretreatments on their functional properties, chemical structure and fuel cell performances was studied. Several physico-chemical characterization techniques as well as electrochemical diagnostic tools were used to correlate the cell performance with the sorption and transport properties of tested membranes.Subsequently, the durability of the best of these samples was studied via ex-situ and in-situ approaches. The ex-situ approach provided a first insight into the chemical stability of the membranes. In addition, the in-situ degradation tests allowed to evaluate the durability of the membranes under chemical and mechanical stresses very close from those encountered during fuel cell cells operation. For this purpose, an accelerated aging test was developed, combining potential cycling, humidity cycling and open-circuit prolonged hold.Finally, the second approach consists, in addition to the application of a pretreatment, in the hybridization of the membranes by sol-gel processes. Several precursors with sacrificial or redox functions were impregnated into the sulfonated poly (ether ether ketone) membranes. The analysis of fuel cell performances and membrane durability after applying the accelerated stress test have highlighted the efficiency of this approach: the performance and durability of some hybrid membranes even exceeded those of the reference PFSA membranes

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Anak, Justin Elissa Cresenta. "Study of electromagnetic compatibility of a very high frequency GaN‐based power converter designed for a hydrogen fuel cell." Electronic Thesis or Diss., Bourgogne Franche-Comté, 2024. http://www.theses.fr/2024UBFCD069.

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Le sujet de thèse proposé concerne l’étude, l'intégration et le comportement fréquentiel d'un convertisseur statique DC/DC à base d’interrupteurs de puissance en GaN (HEMT EPC/Infineon) couplé à une pile à hydrogène intégrant des fonctionnalités avancées de diagnostic des performances de la cellule. L'étude de la compatibilité électromagnétique (CEM) de l'ensemble convertisseur statique couplé à une pile à hydrogène vise à obtenir l'analyse fréquentielle de l'ensemble sachant que dans un contexte d'intégration, les inductances et capacités parasites peuvent perturber le fonctionnement du système. Il sera intéressant de vérifier que des phénomènes électromagnétiques ne perturbent pas les mesures nécessaires au pilotage et au diagnostic. Une étude théorique des perturbations conduites générées dans le cadre des exigences CEM ainsi qu'un prototype de convertisseur statique fortement intégré sur une pile à hydrogène de 500W seront réalisés. La chambre réverbérante à brassage de modes CRBM ainsi que des réseaux de couplage seront utilisés pour évaluer les émissions électromagnétiques rayonnées et conduites du convertisseur statique développé pour vérifier sa conformité à la Directive CEM 2014/30/UE
The proposed thesis topic concerns the study, integration, and frequency behavior of a DC/DC static converter based on GaN (HEMT EPC/Infineon) power switches coupled with a hydrogen fuel cell, which incorporates advanced performance diagnostics features. The study of electromagnetic compatibility (EMC) of the entire static converter coupled with a hydrogen fuel cell aims to conduct a frequency analysis of the system, considering that in an integrated context, parasitic inductances and capacitances may disturb the system's operation. It will be important to verify that electromagnetic phenomena do not interfere with the measurements necessary for control and diagnostics. A theoretical study of the conducted disturbances generated in compliance with EMC requirements will be carried out, along with the development of a highly integrated static converter prototype on a 500W hydrogen fuel cell. A mode-stirred reverberation chamber (MSRC) and coupling networks will be used to evaluate the radiated and conducted electromagnetic emissions of the developed static converter to ensure its compliance with the EMC Directive 2014/30/EU

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Darras, C. "Modélisation de systèmes hybrides photovoltaïque/hydrogène : applications site isolé, micro-réseau et connexion au réseau électrique dans le cadre du projet PEPITE (ANR PAN-H)." Phd thesis, Université Pascal Paoli, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00591013.

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Les systèmes hybrides EnR/H2 sont une solution innovante au problème du stockage des énergies renouvelables. Ces systèmes comprennent : une ou plusieurs sources renouvelables d'énergie ; un électrolyseur pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène lorsque la source renouvelable fournit un excédent d'énergie ; à l'inverse, lorsque la demande excède la capacité de la source renouvelable, une pile à combustible consomme les gaz afin de fournir le complément d'énergie nécessaire. Afin de développer ces solutions dans le futur : il est nécessaire de constituer un ensemble de références architecturales correspondant aux applications cibles pour les systèmes hybrides EnR/H2 ; et de posséder un instrument décisionnel permettant le dimensionnement optimum des sous-systèmes selon plusieurs critères (efficacité énergétique du système ou coût du kWh). Un code numérique de dimensionnement sous langage MATLAB®, baptisé ORIENTE, a donc été développé dans le cadre des travaux de recherches qui s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-07-PANH-012). Les différents partenaires de ce projet sont la société HELION, l'Université De Corse, le CEA, l'INPT - LAPLACE et ARMINES. Les applications concernées par ce code, sont l'électrification de sites isolés, la gestion énergétique de micro-réseaux électriques et l'écrêtage de pointes de puissance sur un réseau électrique. La première application sera traitée via un démonstrateur qui sera installé à Cadarache début 2011, sur le site du CEA, celle-ci concerne l'alimentation d'un pylône météorologique. Cette application est labellisée par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. La 2ème application concerne l'étude d'un micro-réseau sur le site de MAFATE (îlet de la Réunion). Cette étudie est en partenariat avec l'ARER. La dernière application, nommée projet MYRTE a été traitée à travers une plateforme technologique sur le site de Vignola (près d'Ajaccio) pour des modes de contrôle-commande répondant à de l'écrêtage de pointe et à du lissage de la production photovoltaïque. Cette plateforme est financée par la région, l'Etat et l'Europe (FEDER). Cette application a fait l'objet d'une labellisation par CAPENERGIES.

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Teh, Siew Pheng. "Purification de l'hydrogène par l'oxydation préférentielle du monoxyde de carbone pour une application pile à combustible : développement de catalyseurs supportés sur monolithe, étude mécanistique et cinétique." Lyon 1, 2005. http://www.theses.fr/2005LYO10024.

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La pile à combustible alimentée par de l'hydrogène issu de la bio-masse est un système prometteur pour remplacer le moteur de combustion interne à base des carburants fossiles. La production embarquée d'hydrogène par reformage de bioéthanol répond aux critères d'une source d'hydrogène renouvelable, d'un transport et stockage aisé pour un carburant comme le bioéthanol et d'une émission nette de CO2 négligeable. Le taux de CO dans le flux d'hydrogène qui alimente la PAC doit être <10ppm pour éviter l'empoisonnement du catalyseur en Pt sur l'anode. Des catalyseurs de type monolithe ont été développés et testés sous la condition de PROX en présence de CO2 et H2O entre 100 et 300ʿC. Le système Pt/alumine présente une bonne activité et sélectivité en présence de H2O par rapport aux systèmes CuCeO2. . Différentes voies réactionnelles sont proposées après une étude du mécanisme par spectroscopie infrarouge in situ (DRIFTS). Une étude cinétique est réalisée sur ce catalyseur. Le réacteur de purification (PROX) a été développé et dimensionné en parallèle puis intégrés dans une unité pilote de puissance 5kWe, dans le cadre d'un contrat européen sur reformage du bioéthanol

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Ait, Hammou Taleb Saïd. "Couplage d'une pile à combustible avec des supercapacités pour étudier les gains en termes de rendement et de durée de vie." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2019. http://www.theses.fr/2019LORR0011.

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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

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Tan, Chiuan Chorng. "A new concept of regenerative proton exchange membrane fuel cell (R-‐PEMFC)." Thesis, La Réunion, 2015. http://www.theses.fr/2015LARE0012.

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Анотація:

Les travaux précédents trouvés dans la littérature ont mis l'importance sur la pile à combustible PEM ou électrolyseur PEM. Certains articles ont étudié également la pile à combustible réversible et le système d'alimentation en hydrogène par énergie solaire en intégrant à la fois la pile à combustible et électrolyseur. Contrairement à un « Unitised regenerative fuel cell (URFC)», notre conception a un compartiment individuel pour chaque système de PEM-Fuel Cell et d'electrolyseur-PEM et nommé Quasi - URFC. Grâce à ce nouveau concept, l'objectif principal est de réduire le coût de la pile à combustible régénératrice (RFC) en minimisant le rapport de surface superficielle géométrique du catalyseur de l'assemblage membrane électrodes (AME) des deux modes dans la cellule. D'ailleurs, nous visons également à construire un RFC plus compact, léger et portable par rapport à une pile à combustible ou l'électrolyseur classique. Ce travail de recherche est divisé en trois parties : la modélisation et simulation numérique, l'assemblage du prototype et le travail d'expérimentation. Quant à la partie de modélisation, un modèle physique multi-2D a été développé dans le but d'analyser les performances d'une pile à combustible à régénérée à trois-compartiments, qui se compose d'une piles à combustible et d'électrolyseur. Ce modèle numérique est basée sur la résolution des équations de conservation de masse, du momentum, des espèces et du courant électrique en utilisant une approche par éléments finis sur des grilles 2D . Les simulations permettent le calcul de la vitesse, de la concentration de gaz, la densité de courant et les distributions de potentiels en mode pile à combustible et en mode d'électrolyse, ainsi nous aider à prédire le comportement de quasi - RFC. En outre, l'assemblage du premier prototype du nouveau concept de pile à combustible à combustible régénérée a été achevée et testée au cours des trois années d'études dans le cadre d'une thèse. Les résultats expérimentaux de la 3 Compartiments R-PEMFC ont été prometteurs dans les deux modes, soit en mode piles à combustible et soit en mode d'électrolyseur. Ces résultats valideront ensuite les résultats de la simulation, obtenus auparavant par la modélisation
The past works found in the literature have focused on either PEM fuel cell or electrolyzer-PEM. Some of the papers even studied the unitised reversible regenerative fuel cell (URFC) and the solar power hydrogen system by integrating both fuel cell and electrolyzer. Unlike the URFC, our design has an individual compartment for each PEMFC and E-PEM systems and named Quasi-URFC. With this new concept, the main objective is to reduce the cost of regenerative fuel cell (RFC) by minimizing the ratio of the catalyst’s geometric surface area of the membrane electrode assembly (MEA) of both cell modes. Apart from that, we also aim to build a compact, light and portable RFC.This research work is divided into three parts: the modeling, assembly of the prototype and the experimentation work. As for the modeling part, a 2D multi-physics model has been developed in order to analyze the performance of a three chamber-regenerative fuel cell, which consists of both fuel cell and electrolyzer systems. This numerical model is based on solving conservation equations of mass, momentum, species and electric current by using a finite-element approach on 2D grids. Simulations allow the calculation of velocity, gas concentration, current density and potential's distributions in fuel cell mode and electrolysis mode, thus help us to predict the behavior of Quasi-RFC. Besides that, the assembly of the first prototype of the new concept of regenerative fuel cell has been completed and tested during the three years of PhD studies. The experimental results of the Three-Chamber RFC are promising in both fuel cell and electrolyzer modes and validate the simulation results that previously obtained by modeling

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Passot, Sylvain. "Etude expérimentale et par modélisation de l'impact d'impuretés de l'hydrogène sur le fonctionnement des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00813426.

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Анотація:

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont sensibles aux polluantsde l'hydrogène et de l'air. Cette étude s'est focalisée sur l'impact du monoxyde de carbone (CO) et dusulfure d'hydrogène (H2S), deux polluants majeurs dans l'hydrogène (H2), suivant une approchecombinant expériences et modélisation.Le volet expérimental a consisté à étudier l'effet de la concentration des polluants individuels et enmélange et des chargements en catalyseurs, pour différents modes de fonctionnement. Cette étude amis en lumière un impact sur les deux électrodes (anode et cathode) dû à la distribution hétérogènedes polluants à la surface de l'anode et à la désactivation de la partie de la cathode en regard. Deplus, dans le cas d'un empoisonnement par H2S, cette étude a montré que la tension de cellule atteintun état quasi-stationnaire, en mode galvanostatique, ce qui n'avait jamais été mis en évidence dans lalittérature.Dans l'approche de modélisation multi-échelles, le couplage de l'électrochimie et de la fluidique ainsique le développement de différentes " briques " du modèle ont permis de perfectionner la descriptiondes phénomènes physico-chimiques. Le modèle permet maintenant de simuler le fonctionnementd'une cellule de pile à combustible dans les conditions opératoires réelles, en intégrant les cinétiquesd'empoisonnement du platine par CO et H2S.Enfin, la comparaison des données expérimentales et des simulations a montré des résultats trèssatisfaisants appuyant certains arguments pour l'interprétation de l'impact des impuretés de H2.

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Sanchez, Antonio. "Energy management in electric systems fed by fuel cell stacks." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00590217.

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Анотація:

The growth of distributed energy resources together with the incorporation of new technologies in the generation and storage of energy are imposing new control and operational strategies. Due to its storage capability and that it is considered to be clean energy; fuel cell (FC) is one of the most promissory technologies as a stationary energy source in micro grids and also in transportation applications. Therefore, two main issues are addressed in this work; the conception, design, and setup of a fully instrumented test bench for proton exchange membrane (PEM) FC stacks and the design and experimental test of a new dynamic energy-exchange control strategy for multi source and multi load systems. To define the test bench instrument requirements, in the first part a complete dynamic model review is given. In the next section, relevant information regarding the setup of the FC test bench design and implementation is included, i.e., specification criteria of the instruments and acquisition and data display system. Some experimental results are performed in order to demonstrate the potentialities of the setup. In the following chapter, a new dynamic energy exchange control strategy (DSER) is introduced and tested in a two port system via simulation and experimentation. In order to establish a comparison and integrate the DSER in a FC application, in the fifth chapter a three port system - including a static model of FC - and two different control approaches, are tested via simulation. The thesis is closed with some concluding remarks and some potential research topics generated from this work.

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Zhou, Tao. "Commande et supervision énergétique d’un générateur hybride actif éolien incluant du stockage sous forme d’hydrogène et des super-condensateurs pour l’intégration dans le système électrique d’un micro réseau." Thesis, Ecole centrale de Lille, 2009. http://www.theses.fr/2009ECLI0010/document.

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Анотація:

Un système hybride multi-source est étudié dans cette thèse pour la génération dispersée basée sur des sources d’énergie renouvelable et des systèmes de stockage d’énergie. Il comprend un générateur éolien comme source d’énergie primaire, des super-condensateurs comme système de stockage à dynamique rapide, des piles à combustible et des électrolyseurs comme système de stockage sur le long terme sous forme d’hydrogène. Ils sont tous connectés à un bus continu commun et un onduleur est utilisé pour la connexion du système entier au réseau. Dans ce mémoire, nous avons présenté la modélisation du système, la conception du contrôle y compris des stratégies de répartition des flux de puissance et la gestion énergétique. Cette centrale hybride peut finalement générer des puissances lissées et contrôlables comme la plupart des générateurs classiques. Les performances ont été testées en simulation numérique et aussi sur un prototype expérimental. Les contributions scientifiques principales de cette thèse sont les suivantes : l’utilisation et l’adaptation des formalismes pour la modélisation des systèmes complexes et la conception de leur commande ; la conception et la réalisation expérimentale des émulateurs pour réduire le temps et le cout du développement du prototype expérimental ; la proposition et la validation de deux stratégies de gestion des puissances pour la régulation du bus continu et le contrôle des puissances transitées au réseau et enfin la proposition des stratégies de supervision énergétique avec la définition des modes de fonctionnement pour le générateur actif éolien afin d’assurer une disponibilité énergétique
A hybrid power system is studied in this thesis for the distributed generation based on renewable energy resources and energy storage systems in microgrid applications. It consists of a wind generator as primary energy source, super-capacitors as fast-dynamic storage system, fuel cells and electrolyzers as long-term storage system in hydrogen. They are all connected to a common DC bus and an inverter is used for the connection of the whole system to the grid. In this thesis, we have presented the system modeling, the control design including the power balancing and energy management strategies. This hybrid power system can finally supply controllable smooth powers as most conventional power plants. The performances have been tested in numerical simulations and also on an experimental test bench. As result, it is able to provide ancillary services to the microgrid. The main scientific contributions of this thesis are: the use and the adaptation of the graphical tools for the modeling of complex systems and their design; the design and the experimental implementation of real-time emulators in order to reduce the time and the cost of an experimental platform; the proposition and the validation of two power balancing strategies for the DC-bus voltage regulation and the grid power control and finally the proposition of energy management strategies for the active wind generator to ensure the energy availability

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Mainka, Julia. "Impédance locale dans une pile à membrane H2/air (PEMFC) : études théoriques et expérimentales." Thesis, Nancy 1, 2011. http://www.theses.fr/2011NAN10042/document.

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Cette thèse apporte des éléments de compréhension de la boucle basse fréquence des spectres d'impédance de PEMFC H2/air. Différentes expressions de l'impédance de transport de l'oxygène alternatives à l'élément de Warburg sont proposées. Elles prennent en compte des phénomènes de transport dans les directions perpendiculaire et parallèle à l'électrode qui sont habituellement négligés: convection à travers la GDL et le long du canal d'air, résistance protonique de la couche catalytique et appauvrissement en oxygène entre l'entrée et la sortie de la cellule. Une attention particulière est portée sur les oscillations de concentration induites par le signal de mesure qui se propagent le long du canal d'air. Ces différentes expressions de l'impédance de transport de l'oxygène sont utilisées dans un circuit électrique équivalent destiné à simuler l'impédance de la cellule. Une comparaison entre résultats expérimentaux et théoriques permet d'identifier les paramètres du circuit électrique. A partir de ces paramètres, il est possible d'analyser les mécanismes physiques et électro-chimiques qui se produisent dans la pile, ainsi que de tirer certaines conclusions sur les phénomènes de transport de l'oxygène dans les milieux poreux de la cathode. Pour cela, nous avons utilité des cellules segmentées et instrumentées conçues et fabriquées au laboratoire
The aim of this Ph.D thesis is to contribute to a better understanding of the low frequency loop in impedance spectra of H2/air fed PEMFC and to bring information about the main origin(s) of the oxygen transport impedance through the porous media of the cathode via locally resolved EIS. Different expressions of the oxygen transport impedance alternative to the one-dimensional finite Warburg element are proposed. They account for phenomena occurring in the directions perpendicular and parallel to the electrode plane that are not considered usually: convection through the GDL and along the channel, finite proton conduction in the catalyst layer, and oxygen depletion between the cathode inlet and outlet. A special interest is brought to the oxygen concentration oscillations induced by the AC measuring signal that propagate along the gas channel and to their impact on the local impedance downstream. These expressions of the oxygen transport impedance are used in an equivalent electrical circuit modeling the impedance of the whole cell. Experimental results are obtained with instrumented and segmented cells designed and built in our group. Their confrontation with numerical results allows to identify parameters characterizing the physical and electrochemical processes in the MEA

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Zhou, Tao. "Commande et supervision énergétique d'un générateur hybride actif éolien incluant du stockage sous forme d'hydrogène et des super-condensateurs pour l'intégration dans le système électrique d'un micro réseau." Phd thesis, Ecole Centrale de Lille, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00474041.

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Un système hybride multi-source est étudié dans cette thèse pour la génération dispersée basée sur des sources d'énergie renouvelable et des systèmes de stockage d'énergie. Il comprend un générateur éolien comme source d'énergie primaire, des super-condensateurs comme système de stockage à dynamique rapide, des piles à combustible et des électrolyseurs comme système de stockage sur le long terme sous forme d'hydrogène. Ils sont tous connectés à un bus continu commun et un onduleur est utilisé pour la connexion du système entier au réseau. Dans ce mémoire, nous avons présenté la modélisation du système, la conception du contrôle y compris des stratégies de répartition des flux de puissance et la gestion énergétique. Cette centrale hybride peut finalement générer des puissances lissées et contrôlables comme la plupart des générateurs classiques. Les performances ont été testées en simulation numérique et aussi sur un prototype expérimental. Les contributions scientifiques principales de cette thèse sont les suivantes : l'utilisation et l'adaptation des formalismes pour la modélisation des systèmes complexes et la conception de leur commande ; la conception et la réalisation expérimentale des émulateurs pour réduire le temps et le cout du développement du prototype expérimental ; la proposition et la validation de deux stratégies de gestion des puissances pour la régulation du bus continu et le contrôle des puissances transitées au réseau et enfin la proposition des stratégies de supervision énergétique avec la définition des modes de fonctionnement pour le générateur actif éolien afin d'assurer une disponibilité énergétique

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Arora, Divyesh. "Hybridation directe d’une pile à combustible PEM et d’un organe supercapacitif de stockage : étude comparative du vieillissement en cyclage urbain, et gestion optimale de la consommation d’hydrogène." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2019. http://www.theses.fr/2019LORR0097.

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Анотація:

La pile à combustible (FC) est peu adaptée aux variations brusques de puissance rencontrées dans les applications transport. L’hybridation de la pile à un supercondensateur (SC) a alors été étudiée, puisque cet organe de stockage capacitif permet de gérer les transitoires de puissance. L’hybridation est directe/passive, permettant ainsi de réduire le volume, la masse et le coût du système. Initialement, la faisabilité et l’impact de la taille du SC sur la performance de la FC en mono-cellule ont été examinés numériquement. Cette modélisation montre que l’augmentation de la taille du SC renforce l’effet de lissage induit par l’utilisation du SC sur le courant de la FC. Il en résulte des variations lentes et une réduction des amplitudes de courant et de tension, une diminution du courant efficace de la FC, et donc des pertes électriques de celle-ci. L’hybridation de la FC, comparativement à son fonctionnement seule, permet en outre de réduire la surconsommation en H2 de près de 50 % dans les mêmes conditions opératoires. Ces résultats ont été validés par des essais expérimentaux réalisés en mono-cellule et 3-cellules de 100 cm2 hybridée ou non. Par la suite, toujours en utilisant le protocole de cyclage urbain (FC-DLC), la durabilité de la FC a été étudiée lors d’essais de longue durée. La durabilité de la FC, qu’elle soit hybridée ou non, est la même. L’hybridation n’améliore donc pas la durée de vie de la FC mais ne lui nuit pas non plus. Par la suite, afin d’encore réduire la surconsommation en H2 en longue durée cyclage, différentes stratégies ont été étudiées : diminution du débit minimum des gaz imposé par le cyclage et diminution du coefficient de surstœchiométrie en H2. Ces changements n’ont pas d’influence sur la durabilité de la pile hybridée et ont permis de réduire à 10 % la surconsommation en hydrogène. La FC non hybridée, quant à elle, a vu sa durabilité divisée par deux lors de la diminution des débits minimum et ne fonctionnait pas avec le coefficient de surstœchiométrie ramené à 1,1. Ensuite, les travaux ont été étendus à un stack FC de forte puissance (Système Ballard de 1,2 kW) hybridé à deux modules de SC de 165 F (Maxwell Technologies). En final, un système hybride de 34 kW (FC de 10 kW et SC de 566.67 F) a montré des performances suffisantes pour une application transport urbain et péri-urbain. De plus, comparativement à une pile de 34 kW 21 % d’hydrogène sont économisés et l'investissement des équipements peut être réduit de près 50 %
The fuel cell (FC) is poorly adapted to the sudden variations in power encountered in transport applications. The FC hybridization to a supercapacitor (SC) was then studied, since this capacitive storage device allows to manage the power transients. Hybridization is direct/passive, thus reducing the volume, mass and cost of the system. Initially, the feasibility and the impact of SC size on FC performance have been examined numerically. Theoretical investigations show that increasing the size of SC enhances the smoothing effect introduced by the supercapacitor on FC current. This results into slow variations and reduction in both current and voltage amplitudes, a decrease in the fuel cell’s effective current, and therefore in FC electrical losses. Hybridization, compared to its FC operation alone, still reduces hydrogen overconsumption by nearly 50 % under the same operating conditions. These results have been validated by experimental tests carried out on a 100 cm2 single FC and a 3 cell stack. Later, the durability of the FC system has been investigated through long term tests. These durability tests have been conducted on the 100 cm2 single FC test bench using urban cycling protocol (FC-DLC), for both hybridized and unhybridized FC system, with continuous evaluation of degradation extent and causes. These tests suggest no detrimental impact on durability of the FC. For these two operating modes, a progressive aging of the gas diffusion layer seems to appear. Subsequently, in order to further reduce the overconsumption of hydrogen in long-term FC-DLC cycling, different strategies were studied: reducing the minimum gas flow rate imposed by FC-DLC cycling from 0.2 to 0.05 A cm-2, and reducing the hydrogen overstoichiometry coefficient from 1.2 to 1.1. These changes have no influence on the durability of the hybrid cell and have reduced hydrogen overconsumption to 10 %. On the contrary, in case of the unhybridized FC, durability was halved as minimum flows were reduced and it did not work when the overstoichiometry reduced coefficient. Further, work has been extended to high power FC systems (1.2 kW FC system, hybridized with two modules of 165 F, SC module). Finally, the FC downsizing has been demonstrated from 34kW FC system to hybrid source system of 10kW FC hybridized with 566.64 F SC, presenting 21 % hydrogen saving and nearly 50 % net cost savings

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Ait, Hammou Taleb Saïd. "Couplage d'une pile à combustible avec des supercapacités pour étudier les gains en termes de rendement et de durée de vie." Thesis, Université de Lorraine, 2019. http://www.theses.fr/2019LORR0011/document.

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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

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Aissani, Lynda. "Intégration des paramètres spatio-temporels et des risques d'accident à l'Analyse du Cycle de Vie : Application à la filière hydrogène énergie et à la filière essence." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00783708.

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Dans le contexte actuel de volonté de préservation de l'environnement, nous avons choisi d'utiliser l'Analyse du Cycle de Vie pour évaluer les performances environnementales de filières énergétiques pour le transport et notamment la filière hydrogène étudiée par le Groupe des Ecoles des Mines dans le projet H2-PAC. Cette ACV met en évidence les mauvaises performances environnementales de l'étape de fabrication de la pile à combustible des filières hydrogène direct et bioéthanol-hydrogène. Cette ACV met également en évidence les mauvaises performances des filières essence et hydrogène combustion liée à l'utilisation des moteurs à combustion interne. Du fait de la non prise en compte des paramètres spatio-temporels lors de la caractérisation des impacts environnementaux locaux et régionaux, nous avons utilisé l'approche Site Dependent pour élaborer une méthodologie de classification plus pertinente basée sur deux points clés : la détermination de la concentration environnementale de la substance par le modèle EUSES et la détermination de la pertinence du calcul de l'impact au regard de cette concentration. Nous avons testé notre nouvelle méthodologie de classification afin de réévaluer les impacts locaux et régionaux de trois étapes que sont la fabrication de la pile, l'utilisation du moteur essence et du moteur hydrogène. Cette réévaluation a permis de confirmer les mauvais résultats de l'étape de fabrication de la pile mais elle a remis en question la contribution forte des émissions engendrées par les moteurs. L'intégration des paramètres spatio-temporels pour l'évaluation de ces impacts permet de mieux appréhender notamment l'impact des sources mobiles d'émission. En marge de cette évaluation environnementale, une analyse des risques de l'ensemble de la filière hydrogène direct et de la filière essence a été réalisée au regard de l'image dangereuse que véhicule ce vecteur énergétique qu'est l'hydrogène. Cette Analyse de Risques du Cycle de Vie montre que ces deux filières présentent un niveau de risque comparable même si l'étape de stockage de l'hydrogène semble problématique.

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Arora, Divyesh. "Hybridation directe d’une pile à combustible PEM et d’un organe supercapacitif de stockage : étude comparative du vieillissement en cyclage urbain, et gestion optimale de la consommation d’hydrogène." Thesis, Université de Lorraine, 2019. http://www.theses.fr/2019LORR0097.

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La pile à combustible (FC) est peu adaptée aux variations brusques de puissance rencontrées dans les applications transport. L’hybridation de la pile à un supercondensateur (SC) a alors été étudiée, puisque cet organe de stockage capacitif permet de gérer les transitoires de puissance. L’hybridation est directe/passive, permettant ainsi de réduire le volume, la masse et le coût du système. Initialement, la faisabilité et l’impact de la taille du SC sur la performance de la FC en mono-cellule ont été examinés numériquement. Cette modélisation montre que l’augmentation de la taille du SC renforce l’effet de lissage induit par l’utilisation du SC sur le courant de la FC. Il en résulte des variations lentes et une réduction des amplitudes de courant et de tension, une diminution du courant efficace de la FC, et donc des pertes électriques de celle-ci. L’hybridation de la FC, comparativement à son fonctionnement seule, permet en outre de réduire la surconsommation en H2 de près de 50 % dans les mêmes conditions opératoires. Ces résultats ont été validés par des essais expérimentaux réalisés en mono-cellule et 3-cellules de 100 cm2 hybridée ou non. Par la suite, toujours en utilisant le protocole de cyclage urbain (FC-DLC), la durabilité de la FC a été étudiée lors d’essais de longue durée. La durabilité de la FC, qu’elle soit hybridée ou non, est la même. L’hybridation n’améliore donc pas la durée de vie de la FC mais ne lui nuit pas non plus. Par la suite, afin d’encore réduire la surconsommation en H2 en longue durée cyclage, différentes stratégies ont été étudiées : diminution du débit minimum des gaz imposé par le cyclage et diminution du coefficient de surstœchiométrie en H2. Ces changements n’ont pas d’influence sur la durabilité de la pile hybridée et ont permis de réduire à 10 % la surconsommation en hydrogène. La FC non hybridée, quant à elle, a vu sa durabilité divisée par deux lors de la diminution des débits minimum et ne fonctionnait pas avec le coefficient de surstœchiométrie ramené à 1,1. Ensuite, les travaux ont été étendus à un stack FC de forte puissance (Système Ballard de 1,2 kW) hybridé à deux modules de SC de 165 F (Maxwell Technologies). En final, un système hybride de 34 kW (FC de 10 kW et SC de 566.67 F) a montré des performances suffisantes pour une application transport urbain et péri-urbain. De plus, comparativement à une pile de 34 kW 21 % d’hydrogène sont économisés et l'investissement des équipements peut être réduit de près 50 %
The fuel cell (FC) is poorly adapted to the sudden variations in power encountered in transport applications. The FC hybridization to a supercapacitor (SC) was then studied, since this capacitive storage device allows to manage the power transients. Hybridization is direct/passive, thus reducing the volume, mass and cost of the system. Initially, the feasibility and the impact of SC size on FC performance have been examined numerically. Theoretical investigations show that increasing the size of SC enhances the smoothing effect introduced by the supercapacitor on FC current. This results into slow variations and reduction in both current and voltage amplitudes, a decrease in the fuel cell’s effective current, and therefore in FC electrical losses. Hybridization, compared to its FC operation alone, still reduces hydrogen overconsumption by nearly 50 % under the same operating conditions. These results have been validated by experimental tests carried out on a 100 cm2 single FC and a 3 cell stack. Later, the durability of the FC system has been investigated through long term tests. These durability tests have been conducted on the 100 cm2 single FC test bench using urban cycling protocol (FC-DLC), for both hybridized and unhybridized FC system, with continuous evaluation of degradation extent and causes. These tests suggest no detrimental impact on durability of the FC. For these two operating modes, a progressive aging of the gas diffusion layer seems to appear. Subsequently, in order to further reduce the overconsumption of hydrogen in long-term FC-DLC cycling, different strategies were studied: reducing the minimum gas flow rate imposed by FC-DLC cycling from 0.2 to 0.05 A cm-2, and reducing the hydrogen overstoichiometry coefficient from 1.2 to 1.1. These changes have no influence on the durability of the hybrid cell and have reduced hydrogen overconsumption to 10 %. On the contrary, in case of the unhybridized FC, durability was halved as minimum flows were reduced and it did not work when the overstoichiometry reduced coefficient. Further, work has been extended to high power FC systems (1.2 kW FC system, hybridized with two modules of 165 F, SC module). Finally, the FC downsizing has been demonstrated from 34kW FC system to hybrid source system of 10kW FC hybridized with 566.64 F SC, presenting 21 % hydrogen saving and nearly 50 % net cost savings

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Rodosik, Sandrine. "Etude de l'impact d'architectures fluidiques innovantes sur la gestion, la performance et la durabilité de systèmes de pile à combustible PEMFC pour les transports." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019GREAI090.

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Même si l’hydrogène est en plein essor, les véhicules électriques à pile à combustible sont encore rares sur le marché. Leur volume et leur complexité encore trop importants comptent parmi les freins au développement des systèmes PEM (Proton Exchange Membrane) dans le secteur des transports. Ces travaux de thèse visent à étudier deux nouveaux circuits fluidiques permettant à la fois de simplifier et de réduire le volume du système. Il s’agit de la recirculation de l’air, et du Ping-Pong, une architecture fluidique permettant d’alterner la localisation de l’alimentation en combustible dans le stack. Les performances des deux architectures ont été étudiées expérimentalement en conditions automobile sur un système de 5 kW. Une analyse multi-échelles a été conduite pour comparer, à d’autres architectures connues, les performances du système, du stack et l’homogénéité des tensions de cellules du stack. L’étude a été complétée par un test de durabilité en Ping-Pong afin d’évaluer l’impact de ce nouveau mode de fonctionnement sur le stack. A nouveau, les données expérimentales sont analysées à différentes échelles jusqu’à l’expertise post-mortem des assemblages-membrane-électrode
Although hydrogen is booming, fuel cell electric vehicles are still rare on the market. Their high volume and complexity are still major hurdles to the development of PEM (Proton Exchange Membrane) systems for transport applications. This PhD. work aimed at studying two new fluidic circuits that can both simplify and reduce the system volume. Namely, the cathodic recirculation, and the Ping-Pong, which is a new fluidic architecture that alternate the fuel feed locations during operation. The performances of both architectures have been studied experimentally in automotive conditions on a 5 kW system. A multiscale analysis was conducted to compare, with other known architectures, the performances of the system, the stack and the homogeneity of the cell voltages inside the stack. The study was completed with a Ping-Pong durability test to evaluate the impact of this new operation on the fuel cell stack. The experimental data have been analyzed at different scales up to the post-mortem expertise of membrane-electrode assemblies

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Siangsanoh, Apinya. "Conception et contrôle d'un système de gestion de piles à combustible avec des éléments de stockage distribués à supercondensateurs." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2022. http://www.theses.fr/2022LORR0118.

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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

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Oshchepkov, Alexandr. "Investigation of the hydrogen electrode reactions on Ni electrocatalysts in alkaline medium." Thesis, Strasbourg, 2017. http://www.theses.fr/2017STRAF071/document.

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La thèse présentée traite principalement de l'influence de la composition et de l’état de surface d’électrodes à base de Ni sur la cinétique et le mécanisme des réactions d'oxydation/dégagement de l'hydrogène (HOR/HER) en milieu alcalin. En combinant les résultats de mesures électrochimiques avec une modélisation microcinétique, il a pu être montré que l'activité spécifique du Ni pour l’HOR/HER augmente jusqu'à 10 fois en présence à la fois d’oxydes de Ni et de Ni métallique à la surface de l'électrode. En outre, l'influence de l'addition d’un second métal aux électrocatalyseurs à base Ni sur leurs activités pour l’HOR/HER a été étudiée dans le cas des systèmes NiMo/C et NiCu/C. Dans les deux cas, une augmentation de l'activité spécifique a été observée par rapport à l'échantillon Ni/C de référence et a été attribuée à une diminution de l'énergie d'adsorption de l'hydrogène adsorbé sur Ni, espèce intermédiaire de l’HOR/HER
The present thesis is mainly focused on the influence of the surface state of Ni electrodes on the kinetics and the mechanism of the hydrogen oxidation/evolution reactions (HOR/HER) in alkaline medium. By combining the results of electrochemical measurements with microkinetic modeling, it was shown that specific activity of Ni in the HOR/HER increases up to 10 times if along with metallic Ni, Ni oxide species are present on the electrode surface. In addition, the effect of the addition of a second metal to Ni electrocatalysts on their activity in the HOR/HER was investigated for NiMo/C and NiCu/C systems. In both cases an enhancement of specific activity was observed in comparison with the reference Ni/C sample, which was assigned to a decrease of the adsorption energy of the hydrogen intermediate on Ni participating in the HOR/HER

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Mohammadi, Ali. "Analysis and diagnosis of faults in the PEMFC for fuel cell electrical vehicles." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2014. http://www.theses.fr/2014BELF0248/document.

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Ces dernières années, la pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC) a fait l’objet d’un intérêt particulier pour des applications liées au transport. De par le fait qu’elle fonctionne à une température de fonctionnement relativement basse (50-100°C) combiné à une membrane polymère solide empêchant tout risque de fuite. Dans ce travail, des expérimentations ont été effectuées pour démontrer que la distribution de température à une influence significative sur les performances de la PEMFC. Par ailleurs, ce travail comporte une analyse ayant pour but de d’indiquer une amélioration de la résistivité ionique de la membrane, de la vitesse de réaction et de la diffusion des gaz en fonction de la température. Des expérimentations sur une cellule puis sur un stack complet ont permis d’évaluer l’impact de la température à l’aide d’un modèle 3D développé simulant les performances de la pile en relation avec la distribution de température. Dans cette thèse, deux piles à combustible ont permis de valider le comportement et d’en déduire une relation entre la tension de sortie et la distribution de température dans différentes conditions de fonctionnement. Une étude expérimentale prenant en compte la tension et la température a été effectuée sur une cellule en mesurant la température et le voltage en douze points à l’aide de thermocouples et de sonde de tension. Le modèle 3D proposé permet ainsi d’améliorer la durée de vie d’une pile ainsi que sa fiabilité, il permet aussi d’effectuer un diagnostic et de détecter en ligne un défaut. Ceci est effectué en calculant la densité de courant localement à différentes conditions de fonctionnement en utilisant la méthode de Newton Raphson. De par le développement de ce modèle sensible à un défaut, un algorithme de détection de défaut ainsi que la stratégie de diagnostic ont été développé en utilisant des réseaux de neurones artificiels (RNN). Ces derniers ont été utilisés pour la classification supervisée de défaut permettant ainsi le diagnostic
In recent years, according to the upcoming challenge of pollution, fuel saving, to use on FCEV is increasing. It can be that fuel cell power train divided in the PEMFC, Batteries, DC/DC converters, DC/AC inverters and electrical motors. The Proton Exchange Membrane Fuel cells (PEMFC) have consistently been considered for transportation application. Characteristic features of PEMFC include lower temperature (50 to 100 °C) and solid polymer electrolyte membrane. In this work, experiments have shown that the temperature distributions can significant influence on the performance of the PEMFC. Also analytical studies have indicated improvement of ionic resistivity of the electrolyte membrane, kinetics of electrochemical reaction and gas diffusion electrodes have directly related to temperature. This work evaluated the effectiveness of temperature on a single and stack fuel cell. In addition, a 3D model is developed by effective of temperature on performance on the fuel cell. In this thesis, two PEM fuel cells have been considered to find out the relationship and analyze the behaviors of the cell voltage and temperature distributions under various operating conditions. An experimental study for voltage and temperature has been executed, using one cell, 12 thermocouples and 12 voltage sensors have been installed at different points of the cell. In this work a new model was proposed to improve the lifetime and reliability of the power train and to detect online faults. Besides, current distributions in different points of the cell based on varying operating conditions are calculated by the Newton Raphson method. On the basis of the developed fault sensitive models above, an ANN based fault detection; diagnosis strategy and the related algorithm have been developed. The identified patterns ANN have been used in the supervision and the diagnosis of the PEMFC drivetrain. The ANN advantages of the ability to include a lot of data made possible to classify the faults in terms of their type

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Said, Mohamed Mariama. "Architecture et étude d’un système électrique hybride destine à l’autonomie d’une zone rurale." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2021. http://www.theses.fr/2021LORR0044.

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Le travail présenté est axé sur l’étude de l’architecture d’un système électrique hybride (SEH) constitué de différentes sources. Dans un premier temps, nous avons étudié une configuration constituée de sources, photovoltaïque, éolienne, pile à combustible de type PEM et de systèmes de stockage, batteries, électrolyseur et réservoir d’hydrogène. Puis dans un second temps, nous avons conservé de la configuration présentée uniquement le stockage par hydrogène afin d’assurer l’autonomie électrique d’une zone rurale aux Comores. Le couplage de ces différentes sources a pour but d’améliorer les performances, la disponibilité du réseau électrique résultant, la fourniture d’électricité sur des périodes beaucoup plus longues et surtout la satisfaction des besoins en utilisant chaque source de façon raisonnée. Nous avons d’abord effectué une étude détaillée des principaux composants de notre système. Ensuite, nous avons établi les modèles mathématiques qui décrivent le comportement des différentes parties de notre système d’énergie hybride, modèles utiles pour la modélisation de l’ensemble. Les systèmes PV et éolien sont contrôlés par l’application d’une commande MPPT pour maximiser la puissance délivrée. Dans la première configuration, le processus de charge/décharge de la batterie contribue à la stabilisation de la tension du bus continu. La pile à combustible est utilisée pour rendre le système plus durable. Elle contribue également à la stabilisation de la tension du bus continu, en cas de trop forte décharge des batteries. Nous montrons ensuite que l’utilisation d’un filtre d’harmonique constitue une technique efficace pour réduire le taux de distorsion harmonique. Ce qui montre que le système proposé est bien compensé aux niveaux des harmoniques et du réactif quel que soit le mode de fonctionnement, normal ou déséquilibré. Les résultats de simulation présentés ont illustré le fonctionnement des différents composants du SEH en régimes transitoires et permanents. La solution proposée, analysée avec le logiciel HOMER, permet d’envisager une solution aux problèmes d’alimentation d’une zone rurale située aux Comores ou dans des endroits soufrant de surcharge ou même d’affaiblissement de la tension en ayant uniquement recours au stockage de dihydrogène
The presented work focuses on the study of the architecture of a hybrid electric system (HES) made of different sources. First, we studied a configuration consisting of photovoltaic, wind, PEM fuel cell as sources and batteries, electrolyser and hydrogen tank as storage elements. Then in a second phase, only hydrogen storage is considered to ensure the electrical autonomy of a rural area in Comoros. The coupling of these different sources aims to improve the performance, the availability of the resulting electrical network, the supply of electricity over much longer periods and, above all, the satisfaction of the uses by operating each source in a reasoned way. First, we have analysed the main components of our system. Then, we established the mathematical models that describe the behaviour of the different parts of our hybrid energy system which is here the formalism used for the modelling. The modelling and simulation of the PV and wind systems use a MPPT control to maximize the delivered power. In the first configuration, the battery charge/discharge process is controlled to stabilize the DC bus voltage. The fuel cell makes the system more durable. It also helps to stabilize the DC bus voltage, in case of too much battery discharge. Thus, the use of a harmonic filter reduces the rate of harmonic distortion. Harmonics are compensated as well than the reactive current component in normal or unbalanced operating conditions. The presented simulation results have illustrated the behaviour of the different components of the HES in transient and steady states. Finally, the proposed system, analysed with the help of HOMER, would be able to provide a solution to the demand of a rural area in the Comoros or in any place suffering of a weak grid by using only hydrogen storage

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Bahrami, Milad. "Contribution to the development of a fuel cell management system." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2020. http://www.theses.fr/2020LORR0025.

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L'intermittence des ressources constitue le principal défi de l'utilisation de la production d'électricité à partir d'énergies renouvelables. Par conséquent, de nouveaux moyens de stockage de l'électricité sont inévitables. L'hydrogène, en tant que vecteur énergétique, peut résoudre ce problème. L'hydrogène peut être produit en utilisant l'énergie excédentaire des sources d'énergie renouvelables. C'est pourquoi une pile à combustible à membrane électrolytique polymère (PEMFC), en tant que dispositif capable de convertir directement l'énergie de l'hydrogène en électricité, est un élément important de cette solution. Le coût et la durabilité sont les principaux défis à relever pour permettre la diffusion de cette technologie sur le marché de masse. Dans le cadre d'un micro-réseau multi-vecteurs, un système de gestion des piles à combustible (FCMS) est proposé et conçu dans cette thèse. Il permet d'optimiser la fiabilité et la durée de vie des PEMFC en contrôlant l'état de fonctionnement des cellules pour éviter les instabilités électrochimiques. Une méthode de diagnostic ainsi qu'une nouvelle architecture d'électronique de puissance hybride sont le cœur de ce FCMS. La méthode de diagnostic peut détecter la plupart des instabilités du FCMS grâce à un nouveau modèle en temps réel. Ce modèle peut simuler une cellule dans son environnement de pile. Une architecture d'électronique de puissance hybride est développée pour ce FCMS qui garantit un meilleur vieillissement du système en contrôlant séparément la puissance fournie par les cellules. L'architecture d'électronique de puissance proposée est hybridée par un supercondensateur (SC) qui peut compenser la faible dynamique des PEMFC en fournissant les profils de charge dynamiques rapides. Une méthode de contrôle en logique floue (FLC) est développée dans le cadre du FCMS pour modifier la puissance de référence des groupes de cellules sur la base des données du modèle. Le système proposé et ses différentes parties sont validés par les résultats de la simulation et de l'expérimentation
The essential challenge in using renewable energy-based electricity generation is the intermittency of resources. Therefore, new ways to store electricity is inevitable. Hydrogen as an energy carrier can deal with this issue. Hydrogen can be produced by using the excess energy of renewable energy sources. Therefore, a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) as a device that can directly convert hydrogen energy to electricity is an important part of this solution. The cost and durability are the major challenges to enable the diffusion of this technology in the mass market. In the frame of a multi-vectors microgrid, a Fuel Cell Management System (FCMS) is proposed and designed in this thesis that allows optimizing the reliability and life of PEMFCs through controlling the operating condition of cells to avoid electrochemical instabilities. A proposed diagnostic method along with a new hybrid power electronics architecture is the core of this FCMS. The diagnostic method can detect most of the FCMS instabilities by a new comprehensive real-time model. This model can simulate a cell in its stack environment. A hybrid power electronics architecture is developed for this FCMS that guarantees better aging of the system by separately manipulating the supplied power of cells. The proposed power electronics architecture is hybridized by a Supercapacitor (SC) that can compensate for the low dynamic of PEMFCs in supplying the fast dynamic load profiles. A Fuzzy Logic Control (FLC) method is developed as a part of the FCMS to change the reference power of the cell groups based on the model data. The proposed system and its different parts are validated through the simulation and experimental results

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