Hubert, Charles-Emile (2005) Study of the operation and optimisation of the design of a PEM fuel cell based small cogeneration. PhD thesis Energétique, ENSMP - CEP Centre Energétique et Procédés, ENSMP.

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Abstract

The Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEMFC) is an attractive technology for small cogeneration of heat and power. It could be widely spread at the time of opening European market of energy, supported by public funds owing to its environmentally friendly properties.

This PhD thesis aims at studying both the operation and the design aspects of a PEMFC, fed by a hydrogen rich gas obtained by reforming of natural gas, operated as a cogeneration, in real life conditions in a building. The study and optimisation of this system are done thanks to experimental data of a prototype, the RCU-4500 (4 kW of AC power, 6 kW of heat), tested in the frame of a French research project.

Firstly, a complete analysis of the operation of the unit tested allows to understand and evaluate this type of system as a small cogeneration unit; comparing it to similar ones. Measurements of inputs and outputs of the unit are done. An analysis of the control is performed. A steady-state model is developed and validated thanks to the numerous experimental data.

Secondly, three cases of a redesigned system are developed with the model. This is done by optimising electrical efficiency, thermal efficiency and process water recovery, in order to reach a water self-sufficient system. Some of these virtual cases are inspired by the results of the tests carried out on the prototype to improve its efficiency, with operating conditions different from the designed ones.

This analysis and optimisation of the whole process, pointing out the links between different sub-systems, is new compared to the publications found on this type of system.

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Table of content

Premier chapitre

I Démonstration et expérimentation de systèmes pile à combustible stationnaires alimentés en gaz naturel

I.1Systèmes de moyenne taille

I.2Petits systèmes

I.2.1Aux Etats-Unis

I.2.1.1Installations de Plug Power : GenSys

I.2.1.2Installations de H Power : RCU-4500

I.2.1.3Installations de Nuvera : Avanti

I.2.1.4Installations de IdaTech : EtaGen

I.2.1.5Discussion

I.2.2Au Japon

I.2.3En Europe

I.2.4Conclusion du I.2

IIEtat de l'art scientifique et technologique

II.1La transformation et traitement du combustible

II.1.1Le réacteur de reformage

II.1.1.1Le reformage à la vapeur

II.1.1.2Le reformage autotherme

II.1.1.3Comparaison

II.1.2La réaction du gaz à l’eau

II.1.3L’élimination du monoxyde de carbone

II.1.3.1Oxydation sélective du CO

II.1.3.2Méthanation sélective du CO

II.2La cellule et le stack

II.2.1Cellule d’une PEM : principe et différents rendements

II.2.2Les technologies liées à la cellule

II.2.2.1L’électrolyte

II.2.2.2Les catalyseurs

II.2.2.3Distribution des gaz et couche de diffusion

II.2.3Le stack

II.2.4Paramètres de fonctionnement

IIIEtat de l’art de la modélisation

III.1La cellule et le stack

III.1.1Modèles déterministes

III.1.2Modèles semi-empiriques et empiriques

III.1.2.1Modèle de Chamberlin et Kim

III.1.2.2Modèle développé au CEP

III.1.2.3Modèle simplifié utilisé par la suite

III.2Modélisation du vapo-reformage

III.3Modélisation du système complet

IVConclusion du chapitre

Deuxième chapitre

IDescription fonctionnelle du prototype

I.1Présentation générale

I.2Partie fluidique : transformation du combustible et pile à combustible

I.2.1Transformation et traitement du combustible

I.2.2Partie pile à combustible

I.2.2.1Description du stack

I.2.2.2Fonctionnement du stack et gestion de la chaleur

I.2.2.3Humidification et chauffage de l’air entrant

I.3Compartiment électrique

I.3.1Description du compartiment électrique

I.3.2Définition des puissances électriques mises en jeux

I.4Auxiliaires externes

I.4.1Déioniseur d’eau

I.4.2Convertisseur SMD

I.4.3Chargeur de batteries

I.5Contrôle-commande, instrumentation et interface

I.5.1Instrumentation du RCU-4500

I.5.2Régulation électrique : comment le stack "suit la charge"

I.5.3Régulation des principaux auxiliaires électriques

IIInstrumentations du projet et analyses de gaz

II.1Instrumentation "utilisateur"

II.2Instrumentation supplémentaire de l’unité du Poste Central de Trafic

II.3Analyses de gaz

IIIDonnées de fonctionnement en régime permanent

III.1Définitions des rendements utilisés

III.1.1Rendements du système complet

III.1.2Rendements des sous-systèmes

III.1.3Rendements matière

III.2Incertitudes et précautions de méthode

III.3Mesures des rendements utilisateur

III.4Mesure du déficit en eau du système

IVModélisation descriptive du schéma de procédé

IV.1Méthode et choix de l’outil

IV.2Spécifications des différents modules

IV.2.1Vapo-reformeur

IV.2.2Réacteur shift

IV.2.3Réacteur Prox

IV.2.4Stack

IV.2.5Système d’humidification

IV.2.6Générateur de vapeur à deux fluides chauds

IV.2.7Condenseur

IV.3Calcul des échangeurs sans changement de phase

IV.4Utilisation et validation du modèle

IV.4.1Entrées du modèle et hypothèses

IV.4.2Bilans matières, comparaisons avec les analyses de gaz

IV.4.3Bilans de puissances

IV.4.3.1Bilan thermique et thermodynamique sur la ligne gaz

IV.4.3.2Bilan thermique sur le circuit de refroidissement

IV.4.3.3Répartition des pertes thermiques

VAnalyse temporelle du fonctionnement

V.1Transitoire entre deux régimes de fonctionnement

V.2Oscillations de température

V.2.1Températures du bloc reformeur

V.2.2Température dans le séparateur du reformat secondaire

V.2.3Températures du circuit de refroidissement et du stack

VIConclusion du chapitre

Troisième chapitre

IRemarques de méthode

IIDescription des essais

IIIRésultats

III.1Fonctionnement à pleine charge

III.1.1Résultats expérimentaux

III.1.1.1Débits, températures et analyses

III.1.1.1.1Principaux paramètres de fonctionnement

III.1.1.1.2Analyse de gaz en différents points du procédé

III.1.1.1.3Analyse des fumées en sortie

III.1.1.2Bilan de puissances thermiques dans le circuit de refroidissement et le secondaire

III.1.2Modélisation descriptive

III.1.2.1Evaluation des débits manquants

III.1.2.1.1Débit du circuit eau procédé

III.1.2.1.2Débit d’air au brûleur

III.1.2.2Calcul des débits et compositions en différents points

III.1.2.3Bilans de puissance

III.2Fonctionnement à charge partielle

III.2.1Résultats expérimentaux

III.2.2Modélisation descriptive

III.3Limites

III.3.1Limite des paramètres

III.3.2Limite du prototype

IVConclusion du chapitre

Quatrième chapitre

IVariante n°1 : reconception du schéma de procédé

I.1Schéma de procédé et hypothèses

I.2Etude paramétrique

I.2.1Etude à pleine charge

I.2.1.1Méthode pour trouver l’optimal

I.2.1.2Configuration optimale

I.2.1.3Etude de sensibilité

I.2.2Etude à charge partielle

I.3Valorisation thermique et bilan d'eau procédé

I.3.1Utilisation basse température

I.3.1.1Pleine charge

I.3.1.2Charge partielle

I.3.2Utilisation moyenne température

I.3.3Bilan d'eau procédé

I.3.3.1Bilan pour chaque cas considéré

I.3.3.2Etudes de sensibilité

I.4Discussion

IIVariante n°2 : ajout d'un stack de l'état de l'art

II.1Hypothèses pour le stack

II.2Système complet

II.3Valorisation thermique et bilan d'eau

II.3.1Valorisation basse température

II.3.2Valorisation moyenne température

II.3.3Bilan d'eau procédé et niveaux de température

II.3.4Utilisation pour de l’eau chaude sanitaire

IIIVariante n°3 : stack haute température refroidi par évaporation d'eau

III.1Hypothèses pour le stack

III.2Système complet

III.2.1Schéma de procédé

III.2.2Recherche de la configuration optimale

III.2.2.1Méthode et hypothèses

III.2.2.2Etude paramétrique à pleine charge

III.2.2.3Configuration optimale

III.2.2.4Procédé sans réacteur shif

III.2.2.5Cas d’un stack avec les rendements électriques de la variante n°2

III.3Valorisation thermique et bilan d'eau

IVConclusion du chapitre

IV.1Comparaison des rendements

IV.2Et si il n’y a pas de demande électrique ?

IV.3Quelle est la meilleure variante ?

Statistiques de consultation

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