La pile à combustible est un générateur électrique qui s'appuie sur un effet électrochimique découvert au 19èmesiècle par Christian Schönbein. Cette technologie a connu des périodes de développement et de désintéressementsuccessives jusqu'à nos jours. Suite à une flambé du prix du baril de pétrole et à la sensibilisation des populationsaux problèmes environnementaux engendrés par les rejets de gaz à effet de serre, la quantité annuelle depublications sur la pile à combustible a augmenté d'une manière continue. Son rendement, souvent supérieur àcelui des technologies de production d'énergie par combustion, et la possibilité d'utiliser des carburants non fossileset non polluants en font un candidat de substitution attractif. Cependant, son cout, sa durée de vie, sa puissancemassique et d'autres problèmes liés au stockage de son carburant ne lui permet pas de détrôner les technologiesactuelles qui sont bien rodées et qui profitent d'une économie d'échelle. Il faut donc continuer à améliorer la pile àcombustible pour qu'elle devienne un jour économiquement viable.L'une des voies pour atteindre cet objectif, est la modélisation qui permet une réflexion, une meilleurecompréhension de la pile à combustible, ainsi que la possibilité de tester des idées à moindre cout.Malheureusement, la pile à combustible est un système complexe combinant des phénomènes fluidique, thermiqueet électrochimique. Des modèles en 1 dimension et en temps réels ont déjà été développés. Mais pour étudiercorrectement ce qui se passe à l'intérieur, il faut au moins disposer d'un modèle en 2 dimensions. Cependant lesmodèles en 2 dimensions demandent des méthodes de calcul par éléments finis qui nécessitent des ressources decalcul importantes, ainsi, jusqu'ici, ils ne permettaient pas de réaliser des calculs en temps réel. C'est pourtant ledéfi relevé par cette thèse : développer un modèle en deux dimensions ou plus et être capable de le faire tourner entemps réel sur un ordinateur comme sur un processeur embarqué.Pour arriver à cette performance, les concepts physiques, mathématiques et informatiques ont été combinés etintégrés grâce à des astuces organisationnelles en un programme en langage C, peu gourmand en mémoire et enpuissance de calculs. Toutes les hypothèses simplificatrices et les méthodes mathématiques modifiées etimplantées selon des schémas informatiques peu communément utilisés dans ce domaine ont fait apparaitre denouveaux problèmes. Des nouvelles méthodes de calculs ont dû alors être développées pour gérer ces nouveauxproblèmes.Finalement, un modèle de pile à combustible multidimensionnel et temps réel a été conçu et ses paramètresphysiques ont été ajustés par un programme pour faire correspondre les résultats à ceux d'une pile à combustibleréelle sur laquelle des essais ont été réalisés. Les résultats obtenus ont été analysés à l'aide d'un procédéd'observation structuré. Le résultat de ces observations a permis d'arriver à des conclusions dans le domaine de lamodélisation multidimensionnelle et multiphysique de la pile à combustible pour des applications en temps réel. / The fuel cell is an electric generator which uses an electrochemical effect discovered in 18 century by ChristianSchönbein. This technology has gotten successively periods of development and periods of void in the pastdecades. After the petrol barrel price rising and the people¿s awareness of environmental problem such asgreenhouse effect, the research in fuel cell field has been increasing constantly. Its higher efficiency compared tothermal technology to produce electricity, the possibility to use no fossil fuel and no pollution final products make thefuel cell an attractive substitution candidate for energy production. However, its cost, life time, power density andother problems related to the fuel storage do not allow it to replace immediately the actual technology which is elderand benefit about scale economy effect. Thus, the fuel cell technology must be improved to become economicallyviable.One of the ways to do it, is to model the fuel cell in order to reflect, analyze and better understand its behavior with aminimal cost. Unfortunately, the fuel cell is a complex system which combines fluidic, thermic and electrochemicaleffects. In literature, many one dimensional real time models have been developed. But to analyze and predict localphenomena, a 2 dimensional model is needed. However, the general two dimensional models use finite elementcalculation methods that cannot be done in real time due to their complex mathematical calculation. In spirit toovercome this calculation complexity problem, the challenge of this thesis is defined: develop a 2 dimensional modelwho are able to be executed in real time on an ordinary computer or an embedded system.In order to achieve the desired real time performance, the physical, mathematical and computer concepts of realtime 2D fuel cell model are developed, combined and integrated with specific organization methods in a C languageprogram which does not requires an important calculation power or memory to run. All the modeling assumptionsand the modified mathematic methods are implanted following an innovative modeling approach.Finally, a 2D, multiphysique, multidimensional real time fuel cell model is developed and its parameters are adjustedwith a real fuel cell stack from different experiments. The results are then analyzed with a structured observationmethod with conclusions given at last.

Les questions environnementales, en particulier le réchauffement de la planète en raison de l'effet de serre, estdevenu de plus en plus critique au cours des dernières décennies. Candidate potentielle parmi les différentessolutions alternatives d'énergie verte pour le développement durable, la pile à combustible à membrane échangeusede protons (PEMFC en anglais) a fait l'objet de nombreux travaux de recherche, dans les domaines de l'énergie etdes transports. Les PEMFC peuvent produire de l'électricité directement à partir de la réaction électrochimique entrel'hydrogène et l'oxygène de l'air, avec comme seul sous-produits de l'eau et de la chaleur. Si l'hydrogène est produità partir de sources d'énergie renouvelables, cette conversion de l'énergie est complètement écologique.Cependant, la durée de vie relativement courte des PEMFC fonctionnant dans des conditions dynamiques (pour lesvéhicules, par exemple) empêche son utilisation massive. La prévision précise de leurs mécanismes devieillissement peut ainsi aider à concevoir des modèles de maintenance appropriés des PEMFC en fournissant desinformations prévisibles sur la dégradation des performances. De plus, la prédiction pourrait également contribuer àatténuer la dégradation indésirable des systèmes PEMFC en cours d'exploitation. Ces travaux proposent unenouvelle approche guidée par les données pour prédire la dégradation des performances des PEMFC en utilisantune méthode d'apprentissage améliorée (Relevance Vector Machine : RVM).Tout d'abord, la description théorique des PEMFC en fonctionnement est présentée. Ensuite, une illustrationdétaillée de l'impact des conditions opérationnelles sur la performance des PEMFC est exposée, ainsi que desmécanismes de dégradation de chaque composant des PEMFC.Une méthode de prédiction de performance en utilisant la RVM améliorée est ensuite proposée et démontrée. Lesrésultats de prédiction basés sur des zones d'apprentissage différentes à partir des données historiques sontégalement discutés et comparés avec les résultats de prédiction utilisant les machines à vecteurs de support(Support Vector Machine : SVM).En outre, une méthode de prédiction RVM à noyau auto-adaptatif (Self-Adaptive Kernel) est présentée. La matricede conception de la formation du RVM est également modifiée afin d'acquérir une plus grande précision lors de laprédiction. Les résultats de la prévision sont illustrés et discutés en détails.En résumé, ces travaux permettent de discuter principalement de l'analyse de la prédiction de la performance desPEMFC en utilisant des méthodes d'apprentissage statistique. / The environmental issues, especially the global warming due to greenhouse effect, has become more and morecritical in recent decades. As one potential candidate among different alternative "green energy" solutions forsustainable development, the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) has been received extensiveresearch attention since many years for energy and transportation applications. The PEMFC stacks, can produceelectricity directly from electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air, with the only by-productsof water and heat. If the hydrogen is produced from renewable energy sources, this energy conversion is 100% ecofriendly.However, the relatively short lifespan of PEMFCs operating under non-steady-state conditions (for vehicles forexample) impedes its massive use. The accurate prediction of their aging mechanisms can thus help to designproper maintenance patterns of PEMFCs by providing foreseeable performance degradation information. In addition,the prediction could also help to avoid or mitigate the unwanted degradation of PEMFC systems during operation.This thesis proposes a novel data driven approach to predict the performance degradation of the PEMFC using animproved relevance vector machine method.Firstly, the theoretical description of the PEMFC during operation will be presented followed by an extensivelydetailed illustration on impacts of operational conditions on PEMFC performance, along with the degradationmechanisms on each component of PEMFC. Moreover, different approaches of PEMFC performance prediction inthe literature will also be briefly introduced.Further, a performance prediction method using an improved Relevance Vector Machine (RVM) would be proposedand demonstrated. The prediction results based on different training zones from historical data will also bediscussed and compared with the prediction results using conventional Support Vector Machine (SVM).Moreover, a self-adaptive kernel RVM prediction method will be introduced. At the meantime, the design matrix ofthe RVM training will also be modified in order to acquire higher precision during prediction. The prediction resultswill be illustrated and discussed thoroughly in the end.In summary, this dissertation mainly discusses the analysis of the PEMFC performance prediction using advancedmachine learning methods.

Pile foundations for bridges must often resist lateral loads produced by earthquakes and thermal expansion and contraction of the superstructure. Right-of-way constraints near bridge abutments are leading to an increased use of mechanically stabilized earth (MSE) walls below the abutment. Previous research has shown that lateral pile resistance can be greatly reduced when piles are placed close to MSE walls but design codes do not address this issue. A full-scale MSE wall was constructed and 24 lateral load tests were conducted on pipe, square and H piles spaced at distances of about 2 to 5 pile diameters from the back face of the wall. The MSE wall was constructed using welded-wire grid and ribbed strip inextensible reinforcements. This paper focuses on four lateral load tests conducted on steel pipe piles located behind a 20-ft section of MSE wall reinforced with welded-wire grids. Results showed that measured lateral resistance decreases significantly when pipe piles are located closer than about 4 pile diameters from the wall. LPILE software was used to back-calculate P-multipliers that account for the reduced lateral resistance of the pile as a function of normalized spacing from the wall. P-multipliers for this study were 0.95, 0.68, and 0.3 for piles spaced 4.3, 3.4 and 1.8 pile diameters from the wall, respectively. Based on results from this study and previous data, lateral pile resistance is relatively unaffected (p-multiplier = 1.0) for piles spaced more than approximately 3.9 pile diameters (3.9D) from the MSE wall. For piles spaced closer than 3.9D, the p-multiplier decreased linearly as distance to the wall decreased. P-multipliers were not affected by differences in reinforcement length to height (L/H) ratio or reinforcing type. Lateral pile loads induce tensile forces in the soil reinforcement such that, as pile load increases the maximum induced tensile force increases. Results also indicate that maximum tensile forces typically occurred in the soil reinforcement near the pile location. Past research results were combined with data from this study and a statistical regression analysis was performed using all data associated with welded-wire grid reinforcements. A regression equations was developed to predict the peak induced tensile force in welded-wire grids based on independent variables including lateral pile load, normalized pile distance (S/D), transverse distance (T/D), L/H ratio, and vertical stress. The equation has an R2 value of 0.79, meaning it accounts for approximately 79% of variation for all welded-wire grid reinforcements tested to date.

Les piles à combustible, dont l'efficacité énergétique est potentiellement supérieure à celle des meilleures batteries Li-ion actuellement proposées sur le marché, laissent entrevoir des autonomies considérables pour les appareils nomades. Un des objectifs à atteindre pour leur commercialisation est la gestion de l'eau. Le travail de cette thèse s'intègre dans cette problématique. Il a pour but premier d'étudier l'influence de différents paramètres aussi bien environnementaux (température, humidité relative,...) que structuraux (épaisseur du collecteur cathodique, couche de diffusion à la cathode, packaging,...) sur la gestion de l'eau afin de proposer des solutions permettant de gérer l'assèchement ainsi que le noyage d'une micropile à combustible. Une des particularités des micropiles étudiées ici est qu'il s'agit de pile dite à respiration, c'est-à-dire utilisant directement l'oxygène de l'air comme comburant. Il ressort de cette étude que ces micropiles à combustible sont extrêmement sensibles aux conditions environnementales et que si des performances optimales sont attendues sur une large gamme de température et d'humidité relative, une gestion totalement passive de l'eau sera insuffisante. A l'issue des différents résultats obtenus au cours de cette thèse, des perspectives sont avancées, et un premier prototype composé de neuf micropiles à combustible avec une gestion active de l'eau a été réalisé.

L'ambition du projet Européen « FELICITAS » est le développement de générateurs piles à combustible performants pour les applications transport de type ferroviaire, routier lourd et maritime. Les travaux présentés concernent plus particulièrement l'évaluation d'une hybridation de sources originale où sont couplées en série une pile haute température de type oxyde solide (SOFC) alimentée en diesel et une pile basse température de type électrolyte polymère (PEFC). La SOFC participe ainsi à la fourniture de puissance électrique et contribue également au procédé de purification du combustible destiné à la PEFC en oxydant une fraction du monoxyde de carbone.<br /><br />Une approche de modélisation macroscopique a été développée. La complexité d'une pile à combustible réside notamment dans la prise en compte de son caractère multiphysique : elle est le siège des phénomènes électrochimique, fluidiques et thermiques. Cette difficulté a été surmontée en utilisant une analogie avec un circuit électrique équivalent pour unifier ses trois aspects, implanter et coupler ces sous-modèles dans un logiciel unique sous Matlab/Simulink™. <br /><br />Un modèle de pile SOFC est proposé, appliquant le principe d'analogie électrique pour les circuits anodiques et cathodiques ainsi qu'une méthode nodale pour le comportement thermique. Le combustible considéré est un mélange d'hydrogène, d'azote, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau, dont la composition est proche de celle obtenue à la sortie d'un reformeur. Un banc d'essai spécifique a été conçu et réalisé pour le test de petits empilements afin de valider le modèle. Deux types de conception de stack ont été étudiés : une technologie à combustion libre du gaz anodique dans le fluide et une technologie à collecteur de gaz d'échappement anodique.<br /><br />Un modèle de pile PEFC isotherme a également été développé sur le même principe. La validation expérimentale a été faite sur un banc disponible au laboratoire. Une bibliothèque des éléments fluidique d'un générateur à pile à combustible a été enrichie (électrovanne, régulateur de débit, détendeur...) notamment par un modèle simplifié de compresseur d'air.

L'objectif de cette thèse est le dimensionnement, l'optimisation et la commande de l'interfaçage électrique pour groupes électrogènes à base de pile à combustible (PAC) pour des applications transport et stationnaire. Cette thèse a d'abord sélectionné la structure la mieux adaptée pour des PAC de 100 kW en se focalisant sur les applications les plus prometteuses. Cette structure a été optimisée par un procédé combinant les algorithmes génétiques et une méthode déterministe. Les différents niveaux de contrôle de l'interface de puissance ont été ensuite conçus et analysés. Concernant le niveau intermédiaire, divers correcteurs ont été proposés pour chaque convertisseur. Ils sont testés et validés en simulation. Les correcteurs concernant l'onduleur de tension sont validés expérimentalement. Finalement, la thèse propose trois stratégies globales de gestion des flux énergétiques. Elles sont validées et comparées en simulation grâce à des données réelles issues d'applications choisies.

Les travaux présentés tout au long de ce mémoire ont pour objectif la conception d'un convertisseur destiné à produire, à partir d'une PAC de 2,5 kW, un réseau autonome 230V-50Hz. Ces recherches ont été menées en partenariat avec la société Axane (Air Liquide). L'accent a été plus particulièrement mis sur l'étage DC-DC afin de répondre au mieux aux contraintes spécifiques de la PAC, le rendement et la compacité étant les deux principaux critères à améliorer. Sur la base d'une structure de conversion adaptée aux entrées basse tension, nous avons voulu aborder les principaux aspects qui contraignent le concepteur : les semiconducteurs, les composants magnétiques ainsi que les problèmes thermiques. Ces divers points, modélisés à des degrés variables de finesse, nous permettront d'estimer le rendement, de cerner les points à améliorer mais aussi de tenter une optimisation plus globale en prenant en compte un maximum de variables. L'effort a plus particulièrement porté sur les composants magnétiques qui représentent un point d'achoppement à fort courant, ce qui nous a conduit à établir un processus de dimensionnement optimisé pour les inductances. La mise en oeuvre pratique de ce convertisseur fait l'objet de la dernière partie de ce mémoire. Nous proposons à cette occasion une variante originale à commutation douce qui ouvre des perspectives d'amélioration du rendement.

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 travaux de thèse exposés dans ce mémoire ont pour thèmes la modélisation physique et la commande multivariable d'un système thermo-pneumatique complexe dans un contexte automobile. Ils ont été menés dans le cadre d'une collaboration industrielle entre le Département d'Automatique de Supélec et la Direction de la Recherche de Renault, et ont pour application principale le système d'alimentation en air d'un véhicule à pile à combustible avec reformeur de carburant embarqué. Il faut préciser que la conception et la commande d'un tel système déterminent de manière significative les caractéristiques et les performances d'un véhicule électrique intégrant une pile à combustible, la complexité augmentant lorsque la production d'hydrogène à bord du véhicule par reformage remplace le stockage d'hydrogène comprimé à haute pression.<br /><br />Les différentes étapes de la thèse ont d'abord abouti au développement de modèles dynamiques représentatifs des non-linéarités et des couplages inhérents aux phénomènes acoustiques dans les fluides compressibles, et à l'identification des modèles des différents actionneurs et capteurs retenus pour cette application. Un modèle réduit et conditionné du système à commander a alors été dérivé du modèle non-linéaire global du système d'air, puis utilisé comme support de l'analyse et de la synthèse de stratégies de commande multivariables. L'approche multivariable se justifie clairement par l'action de découplage des effets produits par les divers actionneurs, et par la capacité à respecter les spécifications dynamiques du cahier des charges.<br /><br />Enfin, une part importante du travail a été consacrée à la réalisation d'un banc d'essai expérimental reconstituant le système d'alimentation en air, et prenant en compte les exigences futures d'intégration à bord d'un véhicule. L'exploitation de ce moyen d'essai a permis de tester les divers composants devant intégrer à terme le système "pile à combustible" du projet RESPIRE (Réduction des Émissions avec Système PIle à combustible et Reformeur Essence), mais aussi de valider les modèles et lois de commande du système d'air développés au cours de la thèse.

Les systèmes hybrides sont des systèmes qui combinent des composantes discrètes et des composantes continues. Les composantes continues peuvent représenter un environnement physique obéissant à des règles de changement continu, par contre les composantes discrètes peuvent représenter des contrôleurs discrets qui sondent et manipulent les composantes continues en temps réel. Deux approches peuvent être adoptées pour spécifier ces systèmes, la première étant basée sur des automates (hybrides) et utilise des méthodes d'analyse algorithmiques. La seconde est basée sur les logiques et utilise des preuves formelles comme méthodes d'analyse. Dans une première partie de cette thèse nous considérons l'approche basée sur les automates. Nous étudions la décidabilité du problème de la vérification pour certaines classes de systèmes hybrides linéaires. Nous prenons comme modèles des automates hybrides linéaires avec des structures de données discrètes non bornées. Nous exhibons différents cas de tels systèmes dont le problème de la vérification est décidable. Dans une seconde partie nous considérons l'approche basée sur les logiques et plus particulièrement celle basée sur le «Calcul de Durées». Nous étudions les relations existantes entre cette approche et la précédente ; nous montrons comment cette liaison permet de mettre en évidence un fragment important du «Calcul de Durées» pour lequel le problème de la vérification est décidable