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Modélisation et caractérisation de la pile PEM pour l'étude des interactions avec les convertisseurs statiques

Fontes, Guillaume (2005) Modélisation et caractérisation de la pile PEM pour l'étude des interactions avec les convertisseurs statiques. (Modelling and characterization of the PEM fuel cell to study interactions with power converters.)

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Abstract

Face aux enjeux énergétiques et environnementaux, l'hydrogène suscite beaucoup d'espoir. Dans divers domaines de la physique, de très nombreux travaux ont ainsi été entrepris sur la pile à combustible, maillon essentiel de la chaîne d'exploitation de l'hydrogène. En électronique de puissance, beaucoup d'études ont été menées sur la mise en oeuvre d'une production décentralisée ou sur des convertisseurs statiques dédiés. Cependant, très peu de travaux ont porté sur les interactions entre les piles à combustible et les convertisseurs. Cette thèse propose des modèles électriques (type circuit) dynamiques et forts signaux de pile à combustible PEM alimentée en hydrogène et oxygène purs. Ces modèles prennent en compte les différents phénomènes physico-chimiques au sein d'une pile à combustible. Des méthodes basées sur un nombre limité d'essais expérimentaux originaux (balayages en courant à basses fréquences de fortes amplitudes) permettent de paramétrer ces modèles. Ces modèles sont ensuite utilisés pour l'étude des interactions entre les piles à combustible PEM et les convertisseurs statiques les plus usités : hacheur abaisseur, hacheur élévateur, onduleurs de tension monophasé et triphasé. Le rôle fondamental des phénomènes de double couche dans ces interactions est démontré : ils interviennent avantageusement pour permettre à une pile à combustible de tolérer les harmoniques de courant générés intrinsèquement par les convertisseurs statiques. Des tendances pour le choix des éléments de filtrage à mettre en oeuvre en sont déduites. ABSTRACT : The climatic and energy challenges were now clearly stated. The use of hydrogen is one of the best ways which gives many hopes. Fuel cells are an essential link in the chain of the use of hydrogen. Thus, a lot of studies have been undertaken throughout the world on fuel cells in many fields of physics. Concerning the field of power electronics, a lot of work on distributed generation technologies using fuel cells has been realised too and a great number of power converters dedicated to fuel cells have been studied. However, very few studies have been undertaken on the interactions between fuel cells and power converters. The goals of this work are to study interactions between fuel cells and power converters. Some requirements for the power electronic engineer can follow from this work. This work proposes high signal dynamic models of a H2/O2 PEM fuel cell. These models include the different physical and chemical phenomena. Specific methods based on a limited number of original experiments (low frequency current sweeps) allow to extract the model parameters. These models are used to study the interactions between fuel cells and power converters which are the most used : buck chooper, boost chopper, inverters. The important part of the double layer capacitors has thus been underlined : they can filter the current harmonics created by the power converters. Finally, some choices of filtering elements to be connected to the fuel cell are proposed.

Department:Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle - LEEI (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Meynard, Thierry and Turpin, Christophe
Uncontrolled Keywords:Electronique de puissance – Convertisseurs - Pile à combustible – Modélisation – Caractérisation – Interactions - Harmoniques de courant - Méthodes d'identification de paramètres. KEYWORDS : Power Electronics - Power Converters - Fuel cell – Modelling – Interactions - Current harmonics - Parameter Identification
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:03 March 2006

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