Étude d’un système autonome à pile à combustible (production d’hydrogène et conversion d’énergie)

Abstract

This research proposes an advanced modeling approach for PEM electrolyzers, focusing on predicting the dynamic behavior of the cells. The first chapter addresses aspects related to the history, operating mechanism, types of fuel cells, and their components, as well as hydrogen production methods. We have also focused on the vision and challenges of green hydrogen in Algeria. The second chapter analyzes hydrogen storage and transport, and develops a mathematical model of its performance (in both production and consumption modes), while integrating batteries and supercapacitors to ensure grid stability. Finally, the third chapter presents the electrical modeling of a PEM electrolyzer using an Equivalent Circuit Model (ECM) and a semi-empirical model implemented in MATLAB. Validé against experimental data from a commercial HOGEN 40® stack, this model enables the analysis of current-voltage (I-V) characteristic curves under varying conditions of temperature, pressure, and membrane conductivity. This work concludes with a general conclusion and future research perspectives. ------------------------------------------------------------------- يقترح هذا البحث منهجاً متقدماً للنمذجة الخاصة بالمحللات الكهربائية من نوع غشاء تبادل البروتونات، مع التركيز على التنبؤ بالسلوك الديناميكي للخلايا. يتناول الفصل الأول الجوانب المتعلقة بالتاريخ، وآلية التشغيل، وأنواع خلايا الوقود ومكوناتها، بالإضافة إلى طرق إنتاج الهيدروجين. كما ركّزنا فيه أيضًا على رؤية وتحديات الهيدروجين الأخضر في الجزائر. ويحلل الفصل الثاني تخزين الهيدروجين ونقله، ويطور نموذجاً رياضياً لأدائه (في وضعي الإنتاج والاستهلاك)، مع دمج البطاريات والمكثفات الفائقة لضمان استقرار الشبكة. أخيراً، يقدم الفصل الثالث النمذجة الكهربائية للمحلل الكهربائي ذي غشاء تبادل البروتونات باستخدام نموذج الدائرة الكهربائية المكافئة ونموذج شبه تجريبي على برنامج مصفوفة المختبر MATLAB. تتيح هذه النمذجة، بعد التحقق من صحتها بناءً على البيانات التجريبية لمجموعة خلايا تجارية من نوع هوجين أربعين المسجلة، تحليل منحنيات الخصائص (التيار والجهد) تبعاً لتغيرات درجة الحرارة، الضغط، والناقلية الكهربائية للغشاء. وينتهي هذا العمل بخاتمة عامة وآفاق للبحوث المستقبلية. -------------------------------------------------------------------- Cette recherche propose une approche de modélisation avancée pour les électrolyseurs PEM, focalisée sur la prédiction du comportement dynamique des cellules. Le premier chapitre aborde les aspects liés à l'histoire, au mécanisme de fonctionnement, aux types de piles à combustible et à leurs composants, ainsi qu'aux méthodes de production d'hydrogène. Nous nous y sommes également concentrés sur la vision et les défis de l'hydrogène vert en Algérie. Le deuxième chapitre analyse le stockage et le transport de l'hydrogène, et développe un modèle mathématique de ses performances (en modes production et consommation), tout en intégrant les batteries et les supercondensateurs pour garantir la stabilité du réseau. Enfin, le troisième chapitre présente la modélisation électrique d’un électrolyseur PEM à l’aide d’un circuit électrique équivalent (ECM) et d’un modèle semi-empirique sous MATLAB. Validé à partir des données expérimentales d’un stack commercial HOGEN 40®, ce modèle permet d’analyser les courbes caractéristiques courant-tension (I-V) en fonction de la température, de la pression et de la conductivité de la membrane. Ce travail s’achève par une conclusion générale et des perspectives de recherche futures.