Contribution to the development of a fuel cell management system

par Milad Bahrami

Thèse de doctorat en Énergie et mécanique

Sous la direction de Gaël Maranzana et de Serge Pierfederici.

Le président du jury était Seddik Bacha.

Le jury était composé de Gaël Maranzana, Serge Pierfederici, Christophe Turpin, Marie-Cécile Péra.

Les rapporteurs étaient Christophe Turpin, Marie-Cécile Péra.

  • Titre traduit

    Contribution à l'élaboration d'un système de gestion des piles à combustible


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    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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