THESE preparee par modelisation dynamiqu

Année 2009 N˚ d’ordre : 111 THÈSE préparée par Ahmad HADDAD DEA Commande et Exploitation des Systèmes Complexes Ingénieur des Systèmes de Commande en vue de l’obtention du diplôme de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE DE BELFORT-MONTBÉLIARD École Doctorale : Sciences Physiques pour l’Ingénieur et Microtechniques Spécialité : Automatique Modélisation dynamique non linéaire de la pile combustible du type PEM : Application la régulation de l’humidité dans la membrane électrolytique Date de la soutenance : 25 Juin 2009 Composition du Jury : M Pierre M Dimitri Mme Irène M Mohamed M Maurizio M Abdellah M Rachid BORNE LEFEBVRE ZAMBETTAKIS BENREJEB CIRRINCIONE EL MOUDNI BOUYEKHF École Centrale de Lille Université du Havre IUT de Tarbes ENIT, Tunis UTBM, Belfort UTBM, Belfort UTBM, Belfort Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Directeur de thèse Co-Encadrant de thèse Thèse préparée au laboratoire Système et Transport de l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard i A mon père Mohamad et ma mère Maha A mes soeurs Diala, Nivine et Aya A ma très chère épouse Mounifa ii Remerciements Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été menés au laboratoire Système et Transport (SET) au sein de l’équipe Évaluation et Conduite de Systèmes (ECS) Mes premiers remerciements iront M Abdellah EL MOUDNI, Professeur l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard et directeur du SET et de l’équipe ECS, de m’avoir accueilli dans son laboratoire et de m’avoir accepté dans son équipe de recherche Je le remercie également pour avoir accepté d’être mon directeur de thèse La pertinence de ses remarques, de ses conseils, des échanges que nous avons pu avoir, a éclairé mon chemin durant ces trois années de thèse Mes remerciements les plus vifs vont M Rachid Bouyekhf, Mtre de conférences l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, pour avoir encadré ce travail de thèse Ces quelques lignes ne suffiront pas exprimer toute ma gratitude Entre autres, je le remercie pour toute la rigueur qu’il a apportée, pour le temps et les conseils qu’il n’a pas comptés, pour l’enthousiasme insatiable dont il fait preuve pour la recherche Je le remercie également pour son extrême gentillesse ainsi que pour sa bonne humeur Je tiens ensuite remercier les membres du jury de thèse : M Pierre BORNE, Professeur l’École Centrale de Lille, ainsi que M Dimitri LEFEBVRE, Professeur l’Université du Havre, pour avoir accepté d’être les rapporteurs du mémoire et pour l’intérêt qu’ils y ont porté, et pour les différentes remarques constructives dont ils ont fait preuve dans leur rapport Je remercie également Mme Irène ZAMBETTAKIS, Professeur l’IUT de Tarbes, M Mohamed BENREJEB, Professeur l’École Nationale d’Ingénieurs de Tunis et M Maurizio CIRRINCIONE, Professeur l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard J’exprime toute ma reconnaissance M Maxime WACK, Mtre de conférences l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Je le remercie pour les moyens qu’il a mis ma disposition, permettant ainsi l’avancée de mes travaux dans le meilleur environnement qui soit Ses conseils pertinents me seront fort utiles quelles que soient mes futures orientations professionnelles iv Je tiens également remercier M Abdel Jalil ABBAS-TURKI, Mtre de conférences l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard ainsi que tout le personnel du SET, les enseignantschercheurs, le personnel administratif et les thésards Que ce modeste travail vienne récompenser ma femme, mes parents et mes soeurs, ainsi que toute ma famille pour leur amour, leur soutien et leur encouragement Je remercie infiniment ma femme pour la patience qu’elle m’a montrée durant ces longues études Résumé Bien que les piles combustible de type PEM (pile membrane échangeuse de protons) représentent de composantes majeures capables de provoquer l’évolution du domaine énergétique, il reste néanmoins de nombreux problèmes résoudre avant d’envisager leur développement et leur commercialisation grande échelle Le caractère très fortement couplé des phénomènes physico-chimiques se produisant dans le cœur de la pile (réactions électrochimiques, phénomènes hydrauliques, thermiques, mécaniques, électriques ) rend cette dernière très complexe et difficile mtriser En particulier, la gestion d’eau dans la membrane est l’un des problèmes les plus délicats qui affectent les performances de la pile Dans ce contexte, la modélisation mathématique se positionne comme un outil précieux pour la compréhension, la prédiction et l’amélioration du comportement des systèmes piles combustible Parmi les différentes approches de modélisation existantes, nous nous sommes intéressés la représentation d’état qui présente des avantages vis-à-vis de l’analyse, de la commande et de la prédiction des processus internes Ce travail de thèse propose une modélisation dynamique non linéaire qui prend en compte le couplage entre les différents phénomènes physiques internes afin de traduire aussi bien que possible le comportement réel du système Nous élaborons des modèles sous forme de représentation d’état destinés respectivement aux applications stationnaires et de transport Le circuit électrique équivalent proposé pour la cellule permet de coupler les différents phénomènes étudiés Les modèles qui sont évalués par des simulations, sont ensuite validés expérimentalement sur une pile PEM de puissance 50 W Le modèle de transport est exploité pour élaborer une stratégie de commande assurant une régulation de l’humidité en fonction de la demande de puissance La régulation proposée permet d’améliorer le rendement électrique du système Mots clés Pile combustible, Modélisation dynamique, Systèmes non linéaires, Applications stationnaires et de transport, Représentation d’état, Régulation d’humidité, Amélioration du rendement électrique vi Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cells are important devices that can cause improvements in the energetic domain However, they still have many problems preventing their development and marketing The highly coupled nature of physico-chemical phenomena occurring inside the fuel cell makes this system very complex and difficult to control In particular, the membrane water management is one of the most delicate problems that affect the system performances In this context, mathematical modeling represents an important tool for the comprehension, prediction and improvement of the fuel cell behaviour Among the different modeling approaches, we are interested in the state-space representation because it represents many advantages towards the internal processes analysis, control and prediction This work proposes a non linear dynamical modeling taking into account interactions between physical phenomena in order to describe as much as possible the real system behaviour Models stated in this work are dedicated for stationary and transport applications respectively We propose an equivalent electrical circuit for the cell integrating the studied phenomena Simulation results show that models are in agreement with fuel cell real operating principles Models are validated through experimental tests done on a 50 W PEM fuel cell A detailed study of the water transport phenomenon, leads to the model development and make it suitable for water management in transport applications Finally, a regulation of the membrane humidity is proposed It shows an improvement in the fuel cell electrical efficiency Keywords Fuel cell, Dynamic modeling, Non linear system, Stationary and Transport applications, Statespace representation, Humidity regulation, Electrical efficiency improvement viii