Les systèmes pile à combustible (SPAC) sont prometteurs pour la production d'énergie électrique. Les applications potentielles concernent les secteurs portable, stationnaire ou transport. La pile à combustible (PAC) est alimentée en hydrogène ; l'hydrogène peut être produit à partir d'un procédé d'électrolyse en utilisant des énergies renouvelables ou à partir d'hydrocarbures transformés en un gaz riche en hydrogène. Un SPAC contient, parmi d'autres éléments, deux composants clés : l'unité de production de combustible et l'empilement de cellules (stack). L'utilisation d'un SPAC alimenté en hydrocarbure comme unité de puissance auxiliaire dans le transport peut être un point de départ intéressant pour cette technologie dans la mesure où elle utilise l'infrastructure de distribution existante.<br /><br />Les SPAC alimentés en hydrocarbure sont des systèmes complexes, multi physiques qui combinent différent domaines énergétiques c'est à dire électro-chimique, électrique, pneumatique et thermique. Un tel système fonctionne seulement dans des conditions opérationnelles bien définies. La mise en oeuvre d'un SPAC demande donc un système de contrôle bien adapté. L'approche classique du développement d'une commande suppose souvent de définir la fonction de transfert du système complet ce qui est difficile, voire impossible, compte tenu de la complexité du système considéré. En conséquence, la structure de commande des systèmes complexes multi-domaines se base souvent sur des observations empiriques ou sur l'expertise. Il s'agit ici de trouver une approche systématique qui permet de déduire la structure de la commande à partir de la description du système. Une telle approche vise à simplifier le développement de la structure de commande pour des systèmes complexes multi domaines et à assurer que la structure de la commande est adaptée aux besoins du système.<br /><br />Dans ce travail, un modèle complet d'un SPAC basse température alimenté en diesel commercial est présenté. Il est adapté au développement de la structure de commande. Le SPAC étudié est destiné à fournir d'une part une puissance électrique de 25kW, d'autre part de la chaleur valorisée sous cette forme ou utilisée pour la climatisation.<br />Dans le chapitre 2, différentes méthodologies de modélisation sont présentées. Leur degré de pertinence est évalué pour modéliser des systèmes complexes multi domaines et pour être utilisé pour le développement de la structure de la commande. La Représentation Énergétique Macroscopique (REM) est identifiée comme la méthodologie la mieux adaptée.<br />Dans le chapitre 3 un modèle de dispositif de transformation du combustible est présenté et implanté dans Matlab/Simulink(TM). Pour obtenir un mélange riche en hydrogène, l'hydrocarbure doit être fractionné. Par la suite, le mélange de gaz doit être purifié afin d'éviter la contamination de la pile à combustible par des dérivés soufrés et/ou par du monoxyde de carbone.<br />Dans le chapitre 4, un modèle de stack est présenté. Il prend en compte les débits gazeux dans les différentes couches, l'humidification de la membrane et la tension de pile.<br />Il existe deux technologies de piles à combustibles basse température. Le modèle est développé pour la technologie la plus connue (Polymer Electrolyte Fuel Cell - PEFC), mais la technologie émergente (High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell - HTPEMFC) montre des avantages concernant le volume du système et l'utilisation de la chaleur. Ainsi, les modèles du fuel processeur et du stack pile à combustible ont été adaptés à la technologie émergente. La simplicité de l'adaptation souligne l'avantage de l'utilisation d'une approche modulaire pour la modélisation.<br />Le modèle est validé à partir de valeurs mesurées, de valeurs de la littérature et de valeurs fournies par le constructeur du système.<br />Pour confirmer que le modèle peut être utilisé pour le développement de la structure de commande, celle concernant la température et les débits de gaz pour le SPAC est développée au chapitre 5. La structure de commande peut être obtenue par une inversion bloc par bloc du modèle. L'approche donne une structure de commande mais le choix des régulateurs et leur paramétrage est du ressort du développeur. L'application de la commande montre qu'en utilisant la REM, il est possible de dériver la structure de la commande a partir du modèle d'un système complexe multi domaine, sans avoir besoin de la fonction de transfert du système entier.<br /><br />Le travail est accompli dans le cadre du projet national française GAPPAC composante du programme PAN-H de l'Agence National de la Recherche (ANR). Il regroupe des partenaires industriels (N-GHY, Airbus et Nexter) et <br />universitaires (LMFA, Armines, IFFI, INRETS LTN et l'institut FCLAB).

Les réglementations sur les NOx émis par les avions sont sévères. Les techniques les réduisant ont des inconvénients. Pour les supprimer, deux pistes sont explorées. La première modifie l'architecture des chambres de combustion et les stabilise par une cavité. La seconde dope le kérosène au ralenti.Peu d'information est disponible sur les mécanismes de stabilisation et sur la structure de flamme des Trapped Vortex Combustor. Pour y remédier, un TVC est construit. L'étude de l'écoulement à froid ainsi que l'étude temporellement résolue de la flamme, mettent en avant les éléments stabilisateurs et déstabilisateurs. L'impact de la structure de flamme sur les émissions est évalué.La seconde partie porte sur l'effet de l'ajout d'hydrogène et de gaz de reformeur dans une chambre conventionnelle. Malgré une légère augmentation des émissions de NOx, l'ajout de composés hydrogénés réduit fortement les émissions de CO, augmente la stabilité et réduit la limite d'extinction pauvre.

Les réglementations sur les NOx émis par les avions sont sévères. Les techniques les réduisant ont des inconvénients. Pour les supprimer, deux pistes sont explorées. La première modifie l'architecture des chambres de combustion et les stabilise par une cavité. La seconde dope le kérosène au ralenti.Peu d'information est disponible sur les mécanismes de stabilisation et sur la structure de flamme des Trapped Vortex Combustor. Pour y remédier, un TVC est construit. L'étude de l'écoulement à froid ainsi que l'étude temporellement résolue de la flamme, mettent en avant les éléments stabilisateurs et déstabilisateurs. L'impact de la structure de flamme sur les émissions est évalué.La seconde partie porte sur l'effet de l'ajout d'hydrogène et de gaz de reformeur dans une chambre conventionnelle. Malgré une légère augmentation des émissions de NOx, l'ajout de composés hydrogénés réduit fortement les émissions de CO, augmente la stabilité et réduit la limite d'extinction pauvre. / Environmental standards on aircraff NOx emissions are strict. Technics for reducing them have drawbacks. Two options are explored in this study to supress them. The first one is to fundamentally change the current combustion chamber architecture, to stabilize them by a cavity, the second, to dope fuel at idle.Little information on the mechanisms of stabilization and on the flame structure on Trapped Vortex Combustor is available. To remedy this, a TVC is built. The stabilizing ans destabilizing parameters are pointed out by the cold flow investigation and the temporally resolved study of the combustion. The impact of the flame structure on pollutant emissions is also considered.The second part of this stud, deals with the addition of pure hydrogen an of reformer gas in a conventional combustuion chamber. Despite a slight increase in NOx emissions, the addition of hydrogenated compounds reduces drastically CO emissions, increases the flame stability and reduces the LBO limit.

Le contexte de cette thèse est l'étude de deux solutions technologiques en cours d'évaluation pour résoudre des problèmes énergétiques, environnementaux et économiques posés par le transport automobile. La première est une solution de rupture consistant à développer un groupe motopropulseur avec pile à combustible et reformeur embarqué. La deuxième solution, plus classique, tire profit des nombreux travaux faits sur les moteurs thermiques dépollués. Le travail réalisé concerne le développement de lois de commande et de diagnostic permettant d'optimiser le rendement dynamique du groupe motopropulseur sous contraintes d'autonomie, de pollution et de coût. Cela nous a conduit à proposer des modèles réduits des principaux phénomènes physico-chimiques mis en jeu dans les différents organes de deux groupes motopropulseurs. L'étude approfondie de ces deux systèmes nous a révélé plusieurs similitudes structurelles qui nous ont permis de formaliser un problème de commande commun à ces deux systèmes de conversion d'énergie. Nous avons alors proposé une loi de commande quasi optimale d'un groupe motopropulseur assez général sous les contraintes définies précédemment. Les différents modèles sont validés avec des essais expérimentaux et les algorithmes de commande et de diagnostic sont validés en simulation et en prototypages. Mots-clés Automatique : Modélisation, Réduction de modèles, Commande, Diagnostic Automobile : Groupe motopropulseur, Pile à combustible, Reformeur, Condenseur, Catalyseur d'oxydation, Filtre à particules Divers : Electrochimie, Thermique, Catalyse, Combustion, Condensation, Gestion d'énergie, Gestion de stocks, Dépollution