Générateur pile à combustible modulaire de puissance-traction 30kW

Historique des piles à combustible

               La première pile à combustible fut réalisée en 1839 par Sir William Grove. Il s’agissait d’une pile hydrogène/oxygène en milieu acide sulfurique de très faible puissance. En 1895 la première pile à combustible de puissance (1,5kW) fut construite par W.W. Jacques. Elle utilisait un électrolyte d’hydroxyde de potassium (KOH) fondu et ses performances laissaient entrevoir une utilisation pour un usage domestique ou pour un véhicule. En 1930, les travaux de T. Bacon ont permis d’initier le développement industriel des PàC grâce à la construction d’une pile en milieu KOH aqueux qui conduisit à un prototype 3 ans plus tard de quelques kilowatts. Son développement s’est poursuivi, en particulier pour des applications dans le programme spatial américain avec une pile à électrolyte polymère solide pour le programme GEMINI et une pile alcaline pour les missions lunaires APOLLO. La réussite des premiers programmes a encouragé les recherches sur les piles à combustible et de nombreux prototypes ont vu le jour aux États-Unis, au Japon mais aussi en Europe. A partir de 1987, les piles à membrane échangeuse de protons ont eu un développement spectaculaire grâce aux travaux de la compagnie Canadienne BALLARD Power System, aujourd’hui leader dans ce domaine. Depuis une dizaine d’années, des unités de production électrique et de chaleur (cogénération) qui mettent en œuvre des piles à combustible sont implantées dans le monde. De plus, grand nombre de constructeurs automobiles ont désormais un ou plusieurs prototypes de véhicules alimentés par une pile à combustible.

Les plaques bipolaires

                Les plaques bipolaires sont situées de part et d’autre des électrodes. Elles servent, grâce à un réseau de canaux usinés, à l’alimentation des gaz avec côté cathode l’oxygène et côté anode l’hydrogène. Il existe plusieurs dispositions de canaux, les plus courants sont la disposition : parallèle, cascade, interdigité ou en serpentin (Figure 4). La conception des plaques est importante car elles doivent assurer une répartition homogène des gaz sur toute la surface des électrodes et servent à évacuer l’eau des cellules. En plus de la distribution des gaz, elles ont pour rôle la collecte des électrons issus de la réaction d’oxydation à l’anode. Les électrons sont donc collectés à l’anode pour être conduis à la cathode par l’intermédiaire un circuit externe. Les plaques bipolaires ont donc une bonne conductivité électronique et doivent être stables chimiquement (et ainsi résister à l’acidité de la membrane). La réaction d’oxydoréduction au sein de la pile produit une forte quantité de chaleur qu’il faut dissiper. Les piles de faible puissance ont un refroidissement à air, par l’intermédiaire d’un ou plusieurs ventilateurs. Pour les piles de moyenne et forte puissance, un refroidissement par air n’est plus suffisant. Ainsi un circuit de refroidissement, dans lequel circule un liquide caloporteur, est en général intégré dans l’épaisseur des plaques toutes les 2- 3 cellules. Des plaques de graphite usiné ont longtemps été utilisées, néanmoins leur épaisseur et surtout leur prix élevé (de 300 à 400€ les 200m²) ont orienté les recherches vers des plaques moins coûteuses à produire comme des plaques moulées en matériaux composites imprégnées de carbone [S. Besse et al. 2008] ou des tôles métalliques embouties [André et al. 2010].

Alimentation des fluides

                  La cathode est dans la majeure partie des cas, alimentée en air. L’air est introduit sous pression et il est, pour les piles de forte puissance, humidifié. Le circuit d’air est donc généralement constitué d’un compresseur et d’un humidificateur. L’alimentation de l’anode en hydrogène peut se faire de deux façons :
 L’hydrogène est produit à bord du véhicule à l’aide d’un reformeur. Dans ce cas l’hydrogène est produit à partir d’un carburant qui est généralement le gaz naturel, l’essence ou le diesel. L’inconvénient majeur, lorsque le reformeur est associé à une PEMFC, est le risque de contamination du cœur de pile par du monoxyde de carbone (CO) produit lors de l’étape de reformage [Geraldo de Melo Furtado et al. 2010; Mathiak et al. 2004; Ersoz et al. 2006].
 L’hydrogène est stocké à bord. Dans ce cas-ci, la production d’hydrogène est déportée du véhicule, cela implique le développement d’un réseau de distribution d’hydrogène qui, pour l’heure, n’en est qu’à l’étape de démonstration [Air Liquide 2007]. Néanmoins, stocker l’hydrogène permet de s’assurer une alimentation de la pile avec un hydrogène pur et sans contaminant. Le stockage le plus utilisé pour l’heure est le stockage sous pression (de 350 à 700 bar) qui est facile à mettre en œuvre. il a néanmoins l’inconvénient d’être peu favorable à la quantité emmagasinée par unité de volume. L’hydrogène peut être stocké à l’état liquide à une température comprise entre 20 et 30 K, il est alors 800 fois plus dense qu’à l’état gazeux. Cependant l’isolation thermique, aussi bonne soit elle, n’est pas totale ainsi du gaz repasse en permanence à l’état gazeux. L’hydrogène gazeux augmente la pression dans le réservoir et doit donc régulièrement être évacué. Il y a donc une perte d’hydrogène journalière. Une troisième possibilité de stockage de l’hydrogène est dans des solides comme des hydrures métalliques. Elle offre le meilleur rapport quantité stockée/volume. Son défaut majeur est le poids des hydrures métalliques.

La PàC dans les transports collectifs

                 De nombreux bus équipés de piles à combustible ont été développés et testés dans le monde. Dès 1997 Daimler présente le Nebus, équipé d’une pile de 250kW. Il a parcouru plus de 12000km. Le bus CITARO est présenté en 2002 et offre les mêmes caractéristiques que le Nebus. Il servira de base aux projets européens CUTE et ECTOS. Pour le projet CUTE [Lozano 2006; FC bus club 2004], 27 bus CITARO ont circulé dans 9 grandes villes européennes pendant 2 ans, parcourant plus d’un million de kilomètres. Pour le projet ECTOS, 3 bus ont circulé dans Reykjavik sur 2 ans. Suite aux bons retours d’expériences du projet CUTE, une suite du projet nommée HyFLEET:CUTE est lancée en 2006. Elle a pour but de comparer les bus à PàC face à des bus à combustion interne alimentés en hydrogène [HyFLEET:CUTE 2011]. Aux USA, un premier bus proposé par l’université de Georgetown est présenté en 2000, suivi en 2005 d’un autre bus équipé d’une pile de 120kW. 12 de ces bus sont actuellement utilisés sur une ligne commerciale par l’entreprise AC transit [California FC Partnership 2011]. Au Japon, un premier bus hybride FCHV-BUS est présenté par Toyota en 2001 équipé d’une pile de 90kW. Une version améliorée, équipée de 2 piles de 90kW, a ensuite circulé sur une ligne Tokyo-aéroport entre 2003 et 2004. En 2005, 8 bus sont mis en circulation, parcourant un total de 125000km. Dans une tout autre application que les bus, la pile PEM a aussi été utilisée dans des moyens de transport lourd tels que des locomotives. Aux USA, Miller et al. ont développé une locomotive hybride qui peut délivrer un pic de puissance de 1MW. Une première version est équipée de huit piles « FORZA » de 150kW du constructeur Nuvera [A. R. Miller 2004]. Une seconde version hydride est par la suite équipée de 2 stacks de 150kW, construits par Balard, et de batteries acide-plomb [A. R. Miller et al. 2007]. Au Japon, une locomotive équipée de 8 piles de 100 cellules pour un total de 120kW a été étudiée. Chaque pile est commandée indépendamment des autres [Yoneyama et al. 2007]. En France, dans le cadre du projet ANR PLATHEE, une locomotive électrique hybride de démonstration de la SNCF a été étudiée [Thiounn & A. Jeunesse 2008]. Elle est composée d’un générateur diesel, de batteries, de supercapacités et d’un générateur PEMFC. Ce dernier est constitué de deux stacks de 50kW et a été développé par la société Helion en parallèle du projet PLATHEE dans le projet ANR SPACT 80 [Alexandre De Bernardinis et al. 2009; Guillet et al. 2007].

Table des matières

Introduction
1. Premier chapitre La pile à combustible dans les applications de transport
1.1. Introduction
1.2. Les piles à combustible
1.2.1. Historique des piles à combustible
1.2.2. Les différentes technologies de pile à combustible
1.2.3. La pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC)
1.2.3.1. Les composants d’une cellule
1.2.4. La pile à oxyde solide (SOFC)
1.2.4.1. Principe de fonctionnement
1.3. Utilisation de la pile dans des applications de transport
1.3.1. La PàC dans les transports individuels
1.3.2. La PàC dans les transports collectifs
1.3.3. Synthèse sur l’utilisation des PàC et problématique de la montée en puissance
1.4. Les défaillances de la pile PEM
1.4.1. Les défauts transitoires
1.4.1.1. Le noyage
1.4.1.2. L’assèchement
1.4.1.3. Sous-alimentation en gaz
1.4.1.4. Migration de l’azote de la cathode vers l’anode
1.4.2. Les défauts permanents
1.4.2.1. Défauts liés aux membranes
1.4.2.2. Empoisonnement de la pile
1.4.2.3. Vieillissement de la pile
1.4.3. Autres défauts
1.4.3.1. Défaut du compresseur d’arrivée d’air
1.4.3.2. Défaut du système de refroidissement
1.4.3.3. Défaut du convertisseur statique
1.5. Conclusion
2. Deuxième chapitre Détection de défauts
2.1. Détection et corrections des défauts
2.1.1. Méthodes de détection
2.1.1.1. Méthodes utilisant des modèles
2.1.1.2. Méthodes sans modèle
2.1.2. Détection appliquée à la pile
2.1.3. Correction des défauts
2.2. Méthode de détection proposée
2.2.1. Observations des disparités au sein de la pile
2.2.2. Méthode de détection
2.2.3. Modélisation de la PEMFC
2.2.3.1. Comportement électrique d’une cellule
2.2.3.2. Comportement thermique de la pile
2.2.4. Simulation de la méthode de détection
2.2.5. Validation expérimentale
2.3. Conclusion
3. Troisième chapitre Gestion des défaillances par l’association pile-convertisseur
3.1. Introduction
3.2. Actions électriques possibles sur la pile en cas de défaillance
3.2.1. Action du type « tout ou rien »
3.2.2. Action graduée par le convertisseur
3.3. Convertisseurs pour une Liaison AC
3.3.1. Fonctionnement du convertisseur
3.3.1.1. Commande par déphasage
3.3.2. Utilisation dans un convertisseur multi-source
3.3.2.1. Dimensionnement des composants
3.4. Convertisseurs pour une liaison DC
3.4.1. L’onduleur de tension à double résonance.
3.4.1.1. Fonctionnement du convertisseur
3.4.1.2. Plage de fonctionnement du convertisseur
3.4.2. Le BOOST isolé à demi-pont
3.4.2.1. Fonctionnement du convertisseur
3.4.2.2. Plage de fonctionnement du convertisseur
3.4.3. Le BOOST isolé à pont complet
3.4.3.1. Plage de fonctionnement du convertisseur
3.4.4. Limitations des topologies à commutations dures
3.4.4.1. Fonctionnement des MOSFET en avalanche
3.4.5. Le BOOST isolé résonant
3.4.5.1. Fonctionnement du convertisseur
3.4.5.2. Plage de fonctionnement du convertisseur
3.5. Comparaison et synthèse des topologies
3.5.1. Efficacité énergétique des convertisseurs
3.6. Conclusion
4. Quatrième chapitre Convertisseur multi-ports
4.1. Introduction
4.2. Convertisseur multi-ports
4.2.1. Régulation du convertisseur multi-ports
4.2.2. Fonctionnement global du système 30kW
4.2.3. Gestion des modes dégradés
4.2.3.1. Générateur PàC seul alimentant la charge
4.2.3.2. Perspective vers un système hybride PàC et batterie
4.3. Prototypage
4.3.1. Dimensionnement des composants : Contraintes électriques et thermiques associées
4.3.1.1. Choix des éléments passifs
4.3.1.2. Choix des semi-conducteurs
4.3.1.3. Choix du dissipateur thermique
4.3.1.4. Choix des drivers
4.3.1.5. Choix des capteurs de mesure
4.3.2. Schéma complet du convertisseur
4.4. Conclusion
Conclusion
A. Annexes

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