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Theoretical study of a power generation unit based on the hybridization of a fuel cell stack and ultra capacitors

Garcia Arregui, Marcos (2007) Theoretical study of a power generation unit based on the hybridization of a fuel cell stack and ultra capacitors. (Etude théorique d'un groupe électrogène basé sur l'hybridation d'une pile à combustible et des supercondensateurs : application à la conception d'un réseau électrique de secours d'avion.)

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Abstract

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la conception d’un réseau électrique à base d’une pile à combustible et son organe de stockage associé. Le contexte de ce travail se place dans une application aéronautique. Les piles à combustible à air comprimé ont besoin de certains dispositifs auxiliaires qui permettent la bonne diffusion des gaz à travers les canaux du stack. A cause de ces dispositifs auxiliaires, la dynamique globale du système est limitée, et une hybridation avec une source de puissance auxiliaire peut être nécessaire. En outre, l’hybridation a un impact positif sur la taille du système, et peut mener à la réduction du poids et du volume du système global. Les supercapacités semblent bien adaptées pour cette mission. L’introduction d’un organe de stockage dans le réseau électrique permet un vaste nombre d’architectures possibles. En effet, les variations de tension de la pile et l’organe du stockage lors de son fonctionnement, imposent l’usage d’une interface d’électronique de puissance, permettant d’assurer le cahier des charges imposé par le réseau électrique. En conséquence, le comportement global du système dépend à la fois du positionnement des convertisseurs et des organes de stockage au sein du réseau électrique. La conception du convertisseur, le comportement électrique des architectures proposées et le contrôle du système global sont étudiés dans ce travail. Etant donné que notre système est dédié à une application embarquée, le volume, le poids, le coût ainsi que la consommation d’hydrogène sont des paramètres clés pour le choix de l’une des architectures proposées. Cependant, le couplage du système et le nombre important des variables de conception rendent impossible un choix définitif basé juste sur le savoir faire de l’ingénieur d’études. Alors, un outil d’optimisation multicritère, permettant de comparer les architectures, doit être implémenté. ABSTRACT : The presented work deals with the design and conception of an electrical network from a fuel cell stack and its associated storage device. The framework of this project is an aeronautical and transport application. Air pressurized fuel cell stacks need some auxiliary devices that permits a correct gas flow through the fuel cell stack. Due to the auxiliary devices, the fuel cell dynamics performances may be limited, and a power buffer is required to support power peaks. Furthermore, hybridization has a positive effect in the system size, and can lead to reduce the global system weight and volume. Ultracapacitors seem to be well adequate for this purpose. Nevertheless, the introduction of a storage device in the electrical network opens a wide range of possible architectures. Indeed, due to the important voltage variations of the supercapacitor bank and the fuel cell stack, some power electronics interfaces may be placed in order to assure the electrical network requirements. Thus, the system behaviour varies according to the position of the power converters and the storage device in the electrical network. Therefore, the power converter conception, the retained electrical architecture characteristics and its associated control laws are studied in this work. Due to the transport application, the system hydrogen consumption, volume, weight and cost are essential parameters, and become the key to choose one of the retained architectures. Furthermore, the system couplings and the important number of design variables makes impossible to design the system without the help of a software tool. Therefore, and in order to compare fairly all the proposed architectures, a multiobjective optimization tool is developed

Department:Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie - LAPLACE (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Astier, Stéphan and Turpin, Christophe
Uncontrolled Keywords:Pile à combustible - Dimensionnement - Supercapacités - Convertisseur DC-DC - Hybridation - Optimisation. Keywords : Fuel cell stack - System sizing - Ultracapacitors - DC-DC converter - Hybridization - Multiobjective optimization
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:04 April 2008

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