Gestion d'énergie d'un système pile à combustible alimentée par un réservoir d'hydrogènes à hydrures

par Santiago Suarez

Projet de thèse en Sciences pour l'Ingénieur

Sous la direction de Abdesslem Djerdir.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques , en partenariat avec FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) et de Département Énergie (equipe de recherche) depuis le 07-10-2019 .


  • Résumé

    Ces travaux s'inscrivent dans une thématique de recherche portant sur la source d'énergie « hydrogène-Pile à combustible » constituée d'un générateur pile à combustible de type PEMFC alimenté à partir d'un réservoir à hydrogène à hydrures métalliques et l'oxygène de l'air ambiant. Le choix de stockage d'hydrogène à basse pression (entre 2 et 10 bars) permet de palier au problème de sécurité posé par le stockage d'hydrogène à haute pression (entre 300 et 700 bars). Ceci afin de renforcer l'idée que les sources d'énergie à base de pile à combustible sont une solution crédible techniquement et acceptable socialement, au regard des problèmes de pollutions posés par les autres systèmes actuellement utilisés dans les domaines du transport. La gestion de l'énergie du système réservoir-pile doit satisfaire les besoins énergétiques du réservoir tout en produisant l'énergie permettant l'alimentation de la chaine de traction ainsi que les auxiliaires du module énergie et du réseau de bord du véhicule. Les sollicitations thermiques très variables (hiver/été) lors de l'utilisation du véhicule font partie intégrante du fonctionnement de toute la chaine et devront également être prises en compte dans le management énergétique des composants de la source hybride incluant le système de stockage du combustible (procédures de démarrage à froid, procédures d'arrêt, adaptation aux températures extrêmes). Dans ce contexte, la connaissance experte du comportement du réservoir d'énergie embarqué dans toutes conditions d'usage devient indispensable pour la fiabilisation complète de la source hybride. L'originalité de cette technologie de stockage d'hydrogène fait que le niveau de connaissance sur sa durabilité reste encore à développer. Ainsi, ce travail de thèse, consistera d'abord à mener une étude de modélisation des réservoirs à hydrures métalliques en tenant compte des conditions réelles d'usage à savoir, nombre de charge/décharges, températures environnementales extrêmes ainsi que fortes sollicitations vibratoires. L'approche préconisée est basée sur la combinaison des tests expérimentaux de longues durées (divers cycles transports) et la simulation multiphysique. La connaissance en temps réel de l'état de charge en hydrogène (SOH-H) du réservoir ainsi que la maîtrise de ses performances de sortie (à l'entrée de la pile) en termes de pression et de débit, constituent les paramètres de contrôle commande permettant une gestion efficiente et fiable de l'énergie à bord du véhicule. La connaissance experte des phénomènes thermiques et chimiques permettra de formuler des préconisations sur les caractéristiques des matériaux constituant le réservoir ainsi que sur les contraintes en termes d'échange thermique avec la pile à combustible. Par ailleurs, les phénomènes de dégradations constatés seront modélisés et intégrés dans une stratégie de gestion d'énergie fiabilisée pour assurer une disponibilité maximale de la source hybride.

  • Titre traduit

    Energy management of a fuel cell system powered by a hydrogen hydride reservoir


  • Résumé

    This work is part of a research theme focusing on the 'hydrogen-fuel cell' energy source consisting of a PEMFC fuel cell generator fed from a metal hydride hydrogen tank and the oxygen from the ambient air. The choice of hydrogen storage at low pressure (between 2 and 10 bar) overcomes the safety problem posed by the storage of hydrogen at high pressure (between 300 and 700 bar). This is to reinforce the idea that fuel cell based energy sources are a technically credible and socially acceptable solution to the pollution problems posed by the other systems currently used in the transport sector. The energy management of the tank-battery system must satisfy the energy needs of the tank while producing the energy necessary to supply the traction chain as well as the auxiliaries of the module energy and the vehicle's onboard network Highly variable thermal loads (winter / summer) when using the vehicle are an integral part of the operation of the entire chain and should also be taken into account in the energy management of components of the hybrid source including the fuel storage system (cold start procedures, shutdown procedures, adaptation to extreme temperatures). In this context, expert knowledge of the behavior of the on-board energy reservoir under all conditions of use becomes indispensable for the complete reliability of the hybrid source. The originality of this hydrogen storage technology means that the level of knowledge about its durability has yet to be developed. Thus, this thesis work will first consist of conducting a modeling study tanks with metal hydrides taking into account the actual conditions of use namely, number of charges / discharges, extreme environmental temperatures as well as high vibratory stresses. The recommended approach is based on the combination of long-term experimental tests (various transport cycles) and multiphysics simulation. Real-time knowledge of the state of charge in hydrogen (SOH-H) of the reservoir as well as the control of its output performance (at the input of the battery) in terms of pressure and flow, constitute the control-command parameters allowing an efficient management and reliable energy on board the vehicle. The expert knowledge of thermal and chemical phenomena will make it possible to formulate recommendations on the characteristics of the materials constituting the reservoir as well as only on the constraints in terms of heat exchange with the fuel cell. In addition, the observed deterioration phenomena will be modeled and integrated into a reliable energy management strategy for ensure maximum availability of the hybrid source.