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International audience

Face au changement climatique, différentes solutions s'offrent à nous pour réduire notre consommation d'énergies fossiles et nos émissions de gaz à effet de serre. Les piles à combustibles et les convertisseurs électrochimiques, qui disposent d'un rendement supérieur aux machines thermiques dites “conventionnelles” (moteurs, chaudières, turbines) [1,2] peuvent être utilisés comme moyens de production d'énergie électrique et thermique. Cet article décrit comment la cogénération et la trigénération (électricité, chaud et froid) à partir de piles à combustible dans les applications stationnaires (bâtiments notamment) permettent de réduire les émissions de gaz à effet de serre et d'améliorer l'efficacité énergétique des systèmes. Dans un premier temps, nous présentons les deux technologies de piles à combustible les plus utilisées dans le domaine stationnaire, les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) et les PEMFC (Protons Exchange Membrane Fuel Cell) [3,4], avec leurs avantages et inconvénients. Puis, selon l'état de l'art, nous posons les avantages qu'offrent les piles à combustible pour la cogénération par rapport aux systèmes conventionnels. Nous détaillons ensuite l'utilisation des piles à combustible pour la trigénération. Enfin nous présentons le cas d'un système de cogénération (électricité et froid) et nous verrons l'importance de la qualité de la gestion des flux d'énergie. Le système présenté utilise le rayonnement solaire comme source d'énergie primaire, dont la prévision sera faite à l'aide d'outils basés sur l'intelligence artificielle afin de piloter au mieux l'installation. Le rayonnement solaire ainsi converti en électricité par le biais de panneaux photovoltaïques alimente de manière directe les équipements électriques (éclairage, prises électriques, climatisation par compression mécanique), ou, dans le cas d'une surproduction, sera stocké sous forme chimique grâce à un électrolyseur. L'hydrogène ainsi créé par l'électrolyseur est stocké dans un réservoir afin de pouvoir alimenter une pile à combustible pour fournir de l'électricité lorsque la source primaire n'est pas disponible. Au cours de son fonctionnement, la pile dégage de la chaleur qui peut être utilisée pour faire du stockage thermochimique [6]. Enfin, la production de froid est assurée par une pompe à chaleur qui peut être alimentée électriquement par les panneaux photovoltaïques et/ou alimentée thermiquement par la chaleur dégagée par la pile à combustible. L'ensemble du système est ensuite piloté par un algorithme pour la gestion et l'optimisation des flux énergétiques au sein du système. \footnotesize{ \noindent ~[1] T. Elmer, M. Worall, S. Wu, et S. B. Riffat, « Fuel cell technology for domestic built environment applications: State of-the-art review », Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 42, p. 913‑931, févr. 2015. DOI : 10.1016/j.rser.2014.10.080 \noindent ~[2] V. Dorer, R. Weber, et A. Weber, « Performance assessment of fuel cell micro-cogeneration systems for residential buildings », Energy Build., vol. 37, no 11, p. 1132‑1146, nov. 2005. DOI : 10.1016/j.enbuild.2005.06.016 \noindent ~[3] D. Carter et J. Wing, « The Fuel Cell Industry Review 2013 ». Sept 2013 \noindent ~[4] M. van der Hoeven, « Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells ». Juin 2015. \noindent ~[5] « micro-réseau isolé de cogénération intelligente d'électricité/froid », Agence nationale de la recherche. [En ligne]. Disponible sur: https://anr.fr/Projet-ANR-18-CE05-0043. [Consulté le: 08-oct-2019] \noindent ~[6] F. Ferrucci, D. Stitou, P. Ortega, et F. Lucas, « Mechanical compressor-driven thermochemical storage for cooling applications in tropical insular regions. Concept and efficiency analysis », Applied Energy, vol. 219, p. 240‑255, juin 2018.}

International audience; Two major issues are still to be solved in research on fuel cell systems: reducing the costs and increasing the durability. To do this, three main topics have to be addressed: material & design, assembly, and optimization of the stack’s operation inside a system. In order to improve the lifetime and the durability of fuel cell systems, some long and expensive ageing tests are performed to study the behavior of the fuel cell with the aim of making it resistant to permanent change over time. In that case, the accelerated stress tests are a key solution to ageing testing with reasonable time and testing costs. A state-of-the-art of the accelerated stress tests dedicated to PEMFC is proposed in this paper.

International audience; Declining reserves of the crude oil and increasingly serious environmental pollution have emphasized the requirement of a suitable substitute to our actual petroleum-based automobile market. An environmentally-friendly and efficient power generation device based on a sustainable energy source is attractive to settle this issue and realize cleaner production. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), which achieves zero emission, modular construction, high energy conversion ratio and etc., has been treated as one of the most promising solution for automobile applications. Nevertheless, many technical restrictions such as relatively short life cycle have still to be conquered before satisfying the requirements of large-scale commercialization.Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is an effective technique for fault detection of electrochemical system. This paper presents an on-line EIS detection strategy based on the proposed fuel cell stack connected step-up converter. No additional equipment is required compared with conventional detection process. Furthermore, the proposed 6-phase Interleaved Boost Converter (IBC) based on Silicon Carbide (SiC) semiconductors and inverse coupled inductors has achieved low input current ripple, high efficiency, high voltage gain ratio, high compactness and high redundancy. Benefiting from these advantages, the lifespan of fuel cell stack can be extended. The proposed online EIS detection has been realized and the results have been compared with theoretical analysis.

International audience; Cahier technique : La pile à combustible PEM

International audience; Proton Exchange Membrane Fuel Cells are promising energy converters that allow powering vehicles or buildings in a clean manner. Nevertheless, their performance are affected by faults and irreversible degradation mechanisms that are far from being fully understood. Consequently, during the last decade, researches have been conducted on the diagnostic of faults of this promising converter. Nevertheless, aging was never the subject of a particular attention concerning control. As a result, this paper proposes an aging tolerant control strategy for Proton Exchange Membrane Fuel Cells. It aims at generating the load current reference taking the state of health into account. Moreover, using a model inversion of an Energetic Macroscopic Representation with time-varying parameters, the coherent references of input flows of gas can be calculated. Finally, the paper details a method to identify and predict the maximum power the fuel cell is able to provide at present time based on a Maximum Power Point Tracking algorithm. Also this algorithm aims at forecasting the Remaining Useful Life for a given power reference. This method is validated on a simulation case.

International audience; This paper deals with the health assessment of electrochemical devices by using the entropy directly calculated from the wavelet transform. This approach provides relevant information regarding the state-of-health of the considered system, only based on the voltage measurement. The entropy-based method does not need any specification of the electrochemical device to detect a degradation. The aim of this paper is to present this robust method for health assessment of two different fuel cell types and batteries without any change on the initial parameters. This innovative approach should be combined to an ageing model to predict the remaining useful lifetime.

The deployment of a FC range extender can be asuited solution to overcome the battery autonomy limitations in electrical vehicles and hybridconfigurations. In the framework of the European project Glantleap, a Polymer Electrolyte MembraneFuel Cell (PEMFC) range extender is integrated in an electrical bus to support the batteries' packload demand. The prediction of both the FC ageing and its interactions with the balance of plant(BoP) is considered as a strategical approach to anticipate and consequently reduce the FC systemperformance degradations. A PEMFC stack model has been developed using the Energetic MacroscopicRepresentation formalism. The model integrates the stack ageing laws and is adapted for on-boardprognostic and health management purposes. This paper presents shortly the model and Itsvalidation. For this purpose, the voltage losses increase with the stack ageing is presented. Toprove the model genericity, two different ageing simulationresults are proposed and compared with long-term test results. Data are referred to two differentdata-sets linked to two PEMFC stacks of the same technology, but of different generation.

International audience; Continuous depletion of the crude oil and gradual increase in the oil price have emphasized the need of a suitable alternative to our century-old oil-based economy. A clean and efficient power supply device based on a renewable energy source has to be available to face this issue. Among the different technological alternatives, fuel cell power generation becomes a more and more interesting and promising solution for both automotive industry and stationary power plants. However, different technological and socio-economics hurdles have still to be overcome before seeing competitive products in these fields.Among them, different issues must be solved regarding development of specific components (e.g. air compressors, high efficient power electronics, …), new on-line energy management strategies for fuel cell hybridized systems, efficient state-of-health estimation methodologies, able also to operate in real-time and with limited number of additional physical sensors. Moreover, regarding the increase of the durability and of the reliability of those systems, prognostic algorithms able to estimate the remaining useful lifetime of the fuel cell system under actual operating conditions are requested. Finally, cost reduction and public acceptance are key drivers in the introduction of all new disruptive technologies. The proposed presentation will provide a state-of-art on these different items.

International audience; Cet article présente la réalisation d’un dispositif permettant la caractérisation des sources électriques de puissance et l’évaluation de méthodes innovantes de contrôle et de diagnostic. L’objectif est de concevoir une électronique permettant de mettre en oeuvre aisément les mesures de spectroscopie d’impédance, de courbes de polarisation, et les essais de cyclage. L’électronique développée offre une grande souplesse de définition des essais adaptée à l’émulation du comportement des contrôleurs industriels et de l’environnement de la source étudiée. Elle est conçue autour d’un microcontrôleur virgule flottante dont les périphériques sont intégrés pour optimiser son efficacité. Associée à une charge électronique et à un ordinateur, ce dispositif faible coût constitue un outil performant de prospection et de validation des nouvelles techniques d’exploitation des piles à combustible, batteries, super-condensateurs ou panneaux photovoltaïques.

International audience; Le vieillissement des systèmes électrochimiques peut être de différent type. Il existe le "vieillissement calendaire" qui intervient lorsque la batterie ou la pile à combustible est au repos (stockage) et le vieillissement « en usage » ou « en cyclage ». Une approche innovante pour analyser le vieillissement « en usage » de sources électrochimiques est proposée : l'entropie de Shannon. Au préalable, la transformée en ondelettes est utilisée pour filtrer le signal afin de suivre l'évolution de la dégradation du système au cours du temps. L'intérêt est d'être capable d'agir sur les paramètres de contrôle du système afin d'en corriger la dégradation ou de détecter l'apparition d'un défaut, en conditions de fonctionnement rées.

International audience; Le sujet de cette étude est de modéliser des batteries intégrées dans une flotte de dix véhicules postaux à hydrogène,développés dans le cadre du projet européen Mobypost. Ce derniera permis de créer et enrichir une base de données, grâce à une instrumentation approfondie des véhicules. En utilisant cette base de données et un algorithme d’optimisation, cette étude présente un moyen rapide de modéliser le comportement électrique d’une batterie à l’aide de données d’usage réel avec une Normalized Root Mean Square Error en dessous de 0.02.

International audience; La performance des Piles à Combustible (PàC) dépend fortement des conditions de fonctionnement: notamment la température T, la pression des gaz à l'entrée, la surstœchiométrie de l'oxygène Sc et de l'hydrogène Sa , l'humidité relative des gaz entrants HR et le courant I. Un choix judicieux de ces paramètres peut décélérer le vieillissement de la pile et empêcher certaines dégradations. L'objectif de ce travail est d'étudier l'effet des conditions opératoires (T, Sc , Sa , I) sur la tension de la pile (indicateur de viellissement). Une campagne d'essai a été menée pour collecter une base de données expérimentale dédiée à valider un modèle quasi-statique de la pile. Un algorithme d'optimisation Big Bang-Big Crunch (BBBC) a été utilisé pour le calcul des paramètres du modèle. Le modèle choisi pour réaliser cette étude dépend des conditions opératoires (T, Sc, I, P et HRair). Néanmoins, dans le cadre de notre étude, on va s'intéresser uniquement aux effets de (T, Sc , Sa , I) sur la tension de la pile.

International audience; voir fichier

International audience; Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), which is treated as one of the most attractive green power source, features different characteristics such as zero pollution, low operating temperature, fast start-up, long cell and stack life [1]. So far, general lifespan of PEMFC cannot reach the expectation of commercial application. For example, a typical life expectancy of the PEMFC under actual transportation constraints is around 3000 h, whereas transportation applications require at least 5000 h [2]. Hence, the operating conditions of PEMFC are essential to be monitored and controlled for the purpose of expending lifespan of power source. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is established as a powerful characterization tool to detect different failure mechanisms occurring in a fuel cell. As a high-current low-voltage power source, PEMFC system’s output voltage must be increased to approximately a few hundred volts to be suitable with vehicle powertrains. EIS detection based on fuel cell connected converter is an attractive method which is possible to realize on-line detection without any additional equipment. In light of these mentioned previously, a 6-Phase Interleaved Boost Converter (IBC) is selected as the power conversion interface of PEMFC for FCEV application. Silicon Carbide (SiC) semiconductors are selected for the purpose to operate at high switching frequency and good thermal performance. Inverse coupled inductors are introduced to achieve a more compact system, which is an important point for automotive applications, and meanwhile, the core losses can be decreased compared with uncoupled inductor. Furthermore, Sliding Mode Control (SMC) is utilized to satisfy the strict control requirements of the coupled inductor currents. Meanwhile, DC bus voltage can be well controlled either under nominal condition or diagnosis condition. Small sinusoidal perturbation is superposed with the current reference signal and in this way AC perturbation can be added to fuel cell voltage and current. The detected AC components of fuel cell voltage and current are analyzed by Discrete Fourier Transform (DFT) and the impedance spectrums are obtained. Therefore, EIS has been achieved by the proposed DC/DC converter without additional hardware, cost and volume. The proposed process allows real time using of EIS results for embedded diagnosis of PEMFC.

GIANTLEAP aims to integrate fuel cells (FCs) systems in public transport developing a FCrange extender to support electric buses batteries (B) on load demand. In this context toevaluate the FC stack ageing and its interactions with the balance of plant (BoP) is a mandatory point. As a consequence a model-based prognostic approach for on-boardapplications has been developed. The Prognostic model is developed through the EnergeticMacroscopic Representation (EMR) tool [1]. The PEMFC stack model proposed by Boulon etal. [1] is then adapted for prognostic and health management (PHM) purposes [2], integratingthe FC ageing behavior with respect to the load demand. The impact of the different voltagelosses (activation, ohmic and mass transport) evolution with ageing are then analyzed. Consequently, the ageing laws are created and integrated into the model. Long-term test dataare used to identify the ageing parameters. Results of the simulation showed the capability ofthe model to fit the stack voltage drop induced by ageing (figure 1). Subsequently the trend ofthe voltage drop is exploited to predict the stack end-of-life. Moreover, depending on the load demand control strategy, also the variations of the FC operations and the relatedconsumptions with ageing are analyzed. Currently, the BoP components are also modelledand future works are oriented to study and integrate the impact of the FC ageing into the ancillaries operations and vice-versa.

keine

International audience; MotivationsPart 1 – Fuel Cell technology and Hydrogen FC SystemsPart 2 – What are the targets for a mass market ?Part 3 – Open issues & ongoing research actionsConcluding remarks

International audience; L’objectif de cet article est de proposer un état des lieux sur l’utilisation de l’hydrogène, en tant que vecteur énergétique, pour diverses applications mettant en jeu de l’énergie électrique. Un point complet sera ainsi fait sur l’état de maturité de cette technologie, turité d ette technol les premières applications existantes, ainsi que sur les verrous technologiques restant à lever et les défis scientifiques auxquels il convient de se confronter. Cet article fait suite à la présentation faite lors de la cérémonie des grands prix de la SEE le 4 décembre 2017.

National audience; Pour le futur, l’un des enjeux majeurs de civilisation concerne l’énergie, son utilisation, son accessibilité. La population mondiale augmentant, même en limitant (voire réduisant ?) nos besoins énergétiques, ceux-ci ne vont pas tendre à baisser dans un futur proche. Si on y regarde de près, beaucoup de nouveaux développements technologiques sont associés à l’énergie, ainsi que, malheureusement bon nombre de tensions géopolitiques.

International audience; La fée hydrogène

From the study of materials to system integration, through electrochemistry, catalysis or solid chemistry, the CNRS research grouping "HySPàC" brings together the French academic community, in the hydrogen production, storage and conversion activities for stationary and mobile applications. HysPàC provides new knowledge on hydrogen and its use as a virtuous fuel. This article covers all facets of HySPàC illustrated by some examples of results showing the strengths of academic research and partnership on the subject., De l’étude des matériaux à l’intégration système, en passant par l’électrochimie, la catalyse ou la chimie du solide, le Groupement de Recherche du CNRS "HySPàC" fédère la communauté académique française, dans la "production", le "stockage" et la "conversion" de l'hydrogène pour des domaines d'applications "stationnaires" et "mobiles" de ce combustible. Il apporte de nouvelles connaissances sur l’hydrogène et son utilisation comme carburant vertueux. Cet Article couvre toutes les facettes de HySPàC illustrées par quelques exemples de résultats montrant les forces de recherches académiques et partenariales sur le sujet.

International audience; This paper aims to attain an efficient and optimized energy management operation of Hybrid Power System (HPS) by using Artificial Intelligent (AI) controllers. The HPS comprises Wind Turbines (WTs) and Photovoltaic (PV) panels such as primary Renewable Energy Sources (RESs) in addition to both Fuel Cells (FCs) and Gas Micro–Turbines (GMTs) which are used as Backup Sources (BKUSs).To avoid the undesired negative impacts on the HPS functionality because of the RESs intermittency, the Hydrogen Storage System (HSS) is integrated into the system. Two different energy management strategies based on Neural Networks (NN) and Fuzzy Logic Control (FLC) respectively are applied to the HPS for minimizing the energy production cost and keeping the buffer role of HSS. Using MATLAB™, the proposed two AI introduced solutions are used for reaching adequate energy management operation performance for the overall HPS during 24 h load variation. From the numerical simulations, the superiority of the FLC over the NN control approach is discussed. The proposed HSS can positively act as a buffer solution to avoid drawbacks of RESs during unexpected load peaks and/or discontinuous energy production.

International audience; Résumé : L’hydrogène, vecteur énergétique dual à l’électricité, apparaît aujourd’hui comme une alternative crédible aux carburants d’origine fossile. Pour évaluer les potentialités de ce vecteur énergétique à échelle 1, la DGA s’est engagée pour faire évoluer le banc d’essai mobile ECCE, véhicule hybride de 13 tonnes, en participant à l’installation sur ce véhicule d’une pile à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) destinée à la propulsion du véhicule. Par ailleurs, la DGA a également expérimenté la même pile à combustible à bord d’un locotracteur, en partenariat avec la SNCF. Ces projets collaboratifs ont permis de maîtriser de nombreux aspects scientifiques et technologiques dans la conduite et le pilotage de véhicules hybrides à hydrogène associant sources d’énergie permanente, transitoire et impulsionnelle.

International audience; Proton Exchange Membrane Fuel Cells are promising energy converters that allow to power vehicles or buildings in a clean manner. Nevertheless, their performance are affected by faults and irreversible degradation mechanisms that are far from being fully understood. Consequently, during the last decade, researches have been conducted on the diagnostic of faults of this promising converter. Nevertheless, aging was never the subject of a particular attention concerning control. As a result, this paper proposes an aging tolerant control strategy for Proton Exchange Membrane Fuel Cells. It aims at generating the load current reference taking the state of health into account. Moreover, usinga model inversion of an Energetic Macroscopic Representation with time-varying parameters, the coherent references of input flows of gas can be calculated. Finally, the paper details a Maximum Power Point Tracking algorithm which allows to identify the maximum power the fuel cell is able to provide at each time.

International audience; Reservoir Computing applied to diagnostic of fuel cells