Sjöfarten är idag dominerad av förbränningsmotorer som är beroende av fossila drivmedel. Elektrifiering är en av huvudstrategierna för att möjliggöra fossilfri energiförsörjning inom internationell sjöfart. Polymerelektrolytbränslecellen (PEMFC) omvandlar vätgas till elektricitet med hög verkningsgrad och är för närvarande kommersiellt tillgängligt upp till MW-skala för ett fartyg. Vätgas är en utmärkt energibärare för att tillgodose hög energidensitet hos ett fraktfartyg. Rippelströmmar från elkraftskomponenter påstås accelerera åldring av materialen i PEMFC och kan därför skapa negativa effekter över tid som påverkar livslängden av systemet.  De tillgängliga studier som utvärderar rippelströmmars påverkan på åldring i PEMFC är begränsade. Resultaten i dessa studier är tvetydiga och saknar tydliga kopplingar mellan rippelströmmarnas inverkan på åldringsfenomen, som på sikt kan påverka den tekniska livslängden. Målet med examensarbetet var att identifiera effekten av rippelströmmar på åldring av bränslecellen vid typiska körförhållanden för ett fraktfartyg. Tester genomfördes på en PEMFC genom att applicera en sinusformad (70 Hz, 50 % amplitud) rippelström på en dynamisk last som simulerar ett fraktfartyg. En konstant lastcykling vid 0.4 A/cm2 utfördes som ett komplement för att verifiera den dynamiska lastens inverkan på bränslecellen.  Alla tester resulterade i prestandaförluster både under den konstanta och dynamiska lasten, med eller utan rippelström. Men resultaten indikerade att effekten av en sinusformad rippelström inte orsakade någon signifikant åldring varken vid konstant respektive dynamisk lastcykel. / The marine shipping industry is dominated by fossil fuel driven propulsion. Electrification of marine vessels is one of the main strategies to enable emission-free propulsion. Hydrogen is an excellent energy carrier to meet the power demand of a marine vessel. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) is a commercially available alternative for converting hydrogen into electricity. However, durability issues of the PEMFC is a constraint with the technology which limits technical lifetime. Research around ripple currents impact on degradation of PEMFC is scarce and the reported results are ambiguous and lack clear correlation between the effects of the ripple current on the lifetime of a PEMFC. This master thesis evaluates the impact on degradation of a single cell PEMFC by imposing a sinusoidal (70 Hz, 50 % amplitude) AC ripple to a dynamic load cycle. The dynamic load cycle is designed to simulate typical operating conditions of a marine vessel. Constant load cycling at 0.4 A/cm2 with the same ripple characteristics was also conducted to verify the dynamic load cycling impact on the performance losses of the PEMFC. The in-situ characterization showed performance losses both during the dynamic and constant load cycling, for the ripple current and reference tests. To conclude, no significant effects on degradation by the sinusoidal ripple current of 70 Hz and 50% amplitude is found when applied to a single cell PEMFC despite of performance losses for all cases.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la production et de l'utilisation du vecteur énergétique hydrogène dont le potentiel est très prometteur dans un paysage énergétique renouvelé. Plus exactement, cette étude traite des électrolyseurs et des piles à combustible de technologie PEM (membranes échanges de protons) fonctionnant à basse température. Dans une très large majorité, les études présentées ici se sont inscrites en partenariat étroit avec HELION Hydrogen Power, notamment dans le cadre du projet ANR AIRELLES (2008- 2011). Tout d'abord sont posées les bases de modèles (quasi-statique, dynamique petits signaux, dynamique forts signaux) génériques et applicables à une pile à combustible et à un électrolyseur. Les méthodologies de caractérisation ainsi que les techniques de paramétrisation de ces modèles utilisées sont ensuite exposées. L'intérêt de croiser toutes ces approches pour caractériser au plus juste les composants est illustré. A partir de cette vision commune des deux composants, le document est scindé en trois parties : - Une première partie porte sur une validation et une exploitation des modèles proposés via différentes études sur des piles à combustible alimentées en H2/air : 1) La recherche de signatures d'un engorgement et d'un assèchement d'une pile alimentée en H2/air. Ces signatures sont comparées à celles d'une pile alimentée en H2/02. 2) L'analyse des impacts d'harmoniques de courant hautes fréquences (représentatives d'un convertisseur continu-continu de type boost) sur un coeur de pile. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration avec le laboratoire FEMTO-ST/FCLAB (projet CNRS CO-CONPAC). - Une seconde partie porte sur la validation et la paramétrisation des modèles proposés pour l'électrolyseur. Deux techniques originales ont été proposées et testées : la première consiste en une approche multispectres d'impédance et la seconde en une approche multibalayages basses fréquences. - Une troisième partie décrit les moyens d'essais qui ont été conçus et déployés au cours de cette thèse aboutissant à une plateforme significative de tests dédiée à l'hydrogène sur le site l'INPT (Toulouse Labège). / This thesis is part of the production and use of hydrogen energy vector whose potential is very promising in a renewable energy landscape. More precisely, this study focuses on electrolysers and fuel cell using PEM technology (proton exchange membrane) operating at low temperature. Almost all the studies presented here were executed in close partnership with HELION Hydrogen Power; particularly in the context of the ANR project "AIRELLES" (2008-2011). Firstly are presented bases for models (steady-state, small signal dynamics, large signal dynamics) that are generic and applicable to a fuel cell and an electrolyzer. The characterization methodologies and parameterization techniques used are then presented. The interest to interbreed all these approaches to exactly characterize the components is illustrated. Using this common view of the two components, the document is divided into three parts: - The first part focuses on validation and exploitation of the proposed models through various studies on H2/air fuel cells: 1) The search for signatures of a flooding or a drying stack fuelled in H2/air. These signatures are compared with stack fuelled in H2/02. 2) The analysis of the impacts of high frequency current harmonics (representative of a DC-DC boost converter) on a cell heart. This work is part of collaboration with the laboratory FEMTO-ST/FCLAB (CNRS project CO-CONPAC). - A second part focuses on the validation and parameterization of models proposed for the electrolyzer. Two new techniques have been proposed and tested: the first one is a multispectral impedance approach and the second one a low frequencies multi sweep approach. - The third part describes the test facilities that have been designed and implemented in this thesis leading to a significant test platform dedicated to hydrogen on INPT site (Toulouse Labège).

Cette thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration de la performance de la machine synchrone à réluctance variable pour des applications à vitesse variable en général et pour les applications automobiles en particulier. Les deux axes de développement sont la conception de la machine et l’injection des harmoniques de courants de phase. Le rotor est un élément important dans la conception de la machine, et un intérêt particulier est dédié à la conception et l’évaluation du rotor pour améliorer la performance de la machine. Une méthode analytique est proposée dans la thèse pour concevoir le rotor. Plusieurs éléments tels que les ponts qui maintiennent le rotor mécaniquement résistant, ainsi que le rapport d’isolation d’axe q (rapport air-acier) sont étudiés. Une étude de conception assistée par ordinateur basé sur un problème d’optimisation paramétrique est présentée aussi. Les trois familles des algorithmes d’optimisation sont évaluées pour la procédure d’optimisation: un algorithme à base de gradient (algorithme de Newton Quasi), un algorithme non-évolutionnaire sur la base de non-gradient (Nelder Mead Simplex) et un algorithme évolutif sur la base non-gradient (algorithme génétique). Les designs de machines basées sur la procédure analytique et la procédure d’optimisation sont testés sur un banc d’essai. Le deuxième axe d’études de la thèse est l’injection d’harmoniques dans les courants de phase de la machine à réluctance variable synchrone. L’interaction des harmoniques de courant avec les harmoniques spatiales des inductances est étudiée et formalisée pour une machine à m-phases. Ensuite, le concept d’injection d’harmoniques est évalué dans le cas particulier d’une machine à deux phases. Cette étude montre l’avantage de l’injection d’harmoniques dans la réduction de l’ondulation de couple de la machine. Un design d’une machine est finalement développé pour une application automobile sur la base de l’optimisation paramétrique du stator et du rotor. Cette conception est évaluée pour les spécifications imposées électromagnétiques par une application de traction à puissance moyenne / This thesis is dedicated to the evaluation and the improvement of the synchronous reluctance machine’s performance for variable speed drive applications in general and for automotive applications in particular. The two axes of development are machine design and phase current harmonics injection. The rotor is an important element in the machine design and particular emphasis is placed to the design and evaluation of the rotor for enhancing the machine performance. An analytical procedure is proposed for the rotor design. The rotor elements like the ribs and the bridges that maintain the rotor mechanically strong as well as the q-axis insulation ratio (air-to-steel ratio) are studied. A computer-aided design study based on a parametric optimization problem is presented as well. The main three families of the optimization algorithms are evaluated for the optimization procedure: a gradient-based algorithm (Quasi Newton Algorithm), a non-gradient based non-evolutionary algorithm (Nelder Mead Simplex) and a non-gradient based evolutionary algorithm (Genetic Algorithm). The machine designs based on the analytical procedure and the optimization procedure are both manufactured and tested on a bench. The second axis of study of the thesis is the injection of harmonics in the phase currents of the synchronous reluctance machine. The interaction of current harmonics with the spatial inductance harmonics is studied and formalized for an m-phase machine. Then, the harmonics injection concept is evaluated in the particular case of a 2-phase machine. This study shows the benefi t of harmonics injection in the reduction of the machine torque ripple. A synchronous reluctance machine design is fi nally developed for an automotive application based on parametric optimization of the stator and rotor. This design is evaluated for the electromagnetic specifi cations imposed by a mid-power electric vehicle traction application