Etude du fonctionnement et optimisation de la conception d'un système pile à combustible PEM exploité en cogénération dans le bâtiment.

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Hubert, Charles-Emile (2005) Etude du fonctionnement et optimisation de la conception d'un système pile à combustible PEM exploité en cogénération dans le bâtiment. Doctorat Energétique, ENSMP - CEP Centre Energétique et Procédés, ENSMP.

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Résumé

La pile à combustible à membrane polymère (PEMFC) est une technologie prometteuse pour la micro-cogénération et pourrait voir son marché se développer au moment de la libéralisation du marché européen de l’énergie, portée par des incitations fiscales grâce à sa relative vertu environnementale.

Cette thèse vise à étudier le comportement et la conception d'une PEMFC alimentée par un mélange riche en hydrogène obtenu par reformage de gaz naturel, en situation réelle dans un bâtiment, exploitée en cogénération d’électricité et de chaleur. L’étude et l’optimisation de ce système sont menées en s'appuyant sur le fonctionnement d’un prototype réel, le RCU-4500 (4 kW électriques, 6 kW thermiques), expérimenté dans le cadre d'un projet de recherche national.

En premier lieu, l'analyse approfondie du fonctionnement du prototype installé permet de comprendre qualitativement et quantitativement un exemple de ce type de système, en le situant dans son contexte technologique. Des mesures de consommation, de puissance électrique produite et de puissance thermique valorisée sont effectuées et une analyse du contrôle-commande est dressée. Une modélisation en régime permanent est développée et validée grâce aux nombreuses données expérimentales fournies par le projet.

En second lieu, l'utilisation prédictive du modèle permet de proposer trois variantes de systèmes virtuels avec une nouvelle architecture et stratégie de gestion. Cela est fait en optimisant le rendement électrique puis la valorisation de la chaleur et la récupération de l’eau pour avoir un dispositif globalement autosuffisant en eau. Ces variantes s'appuient aussi sur des améliorations réelles de fonctionnement, réalisées avec succès lors d'essais sur l'une des cinq unités du projet.

L’appréhension du procédé dans son ensemble, en tenant compte des interactions entre les différents sous-systèmes, est une nouveauté par rapport aux autres travaux publiés sur ce type de système.

Références Bibliographiques

[3M_MEA] 3M, Product bulletin, document commercial de l'entreprise 3M, disponible sur : www.3m.com/…./probull.fdf

[ADAMS04] K-A. ADAMSON, D. JOLLIE, Fuel Cell Market Survey : Small Stationary Applications, Fuel Cell Today, novembre 2004.

[AHMED02] S. AHMED, J. KOPASZ, R. KUMAR et M. KRUMPELT, Water balance in a polymer electrolyte fuel cell system, J. Power Sources, vol. 112, p. 519-530, 2002.

[ALBRI99] N. ALBRIEUX, Utilisation du modèle "RFC SimSys" pour la simulation d'un système de stockage d'énergie à module électrolyseur / pile à combustible réversible (H2 et O2 purs), rapport de stage, Ecole des Mines de Paris, 1999.

[AMPHL95] J.C. AMPHLETT et al., Performance modeling of the Ballard Mark IV Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, J. Electrochem. Soc, vol. 142. n°1, 1995.

[Bahar99] B. Bahar, C. Cavalca et al, Effective selection and use of advanced membrane electrode power assemblies, J. of New Mat. for the Elec. Systems, 2, p. 179-182, 1999.

[BAKER04] A. BAKER, D. JOLLIE, Fuel Cell Market Survey : Large Stationary Applications, Fuel Cell Today, 06 octobre 2004.

[BECK04] P. BECKHAUS, A. HEINZEL, J. MATHIAK et J. ROES, Dynamics of H2 production by steam reforming, J. Power Sources, vol. 127 (1-2), p. 294-299, 2004.

[BELAC05] J. BELACK et I. KUNDLER, High Temperature PEM Fuel Cell Technology : Celtec-P Membrane-Electrode-Assemblies for Reformed Hydrogen Fuel Cells (RHFC) Applications, Proc. 3rd European PEFC Forum, Lucerne, 2005.

[BERG05] J. BERG, FP5 Project “Virtual Fuel Cell Power Plant” and outlook next steps, présentation au European Hydrogen & Fuel Cell Technology Platform - Second Annual Event, 2005. disponible sur www.hfpeurope.org

[BINDE01] M.J. BINDER et al., experience with the DOD fleet of 30 fuel cell generators, Proc. 2001 international gas research conference, Amsterdam, 2001.

[BONT94] A. BONTEMPS et al., Échangeurs de chaleur – Définitions et architecture générale, Techniques de l'Ingénieurs, B 2 340, 1994.

[BRUIJN02] F.A. de Bruijn, D.C. Papageorgopoulos, E.F. Sitters et G.J.M. Janssen, The influence of carbon dioxide on PEM fuel cell anodes, J. Power Sources, vol. 110 (1) p. 117-124, 2002.

[BUSQU04] S. BUSQUET, C-E. HUBERT, J. LABBE, D. MAYER, R. METKEMEIJER, A new approach to empirical electrical modelling of a fuel cell, an electrolyser or a regenerative fuel cell, J. Power Sources, vol. 134 (1) p. 41-48, 2004.

[CHAN00] S.H.Chan, H.M.Wang, Thermodynamic analysis of natural-gas fuel processing for fuel cell applications, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 25, p. 441-449, 2000.

[CHOI03] Y. CHOI et H.G. STENGER, Water gas shift reaction kinetics and reactor modeling for fuel cell grade hydrogen, J. Power Sources, vol. 124, p. 432-439, 2003.

[Cleg03] S. CLEGHORN, J. KOLDE et W. LIU, Catalyst coated composite membranes, Handbook of Fuel Cells, Volume 3, chap. 44, Wiley, 2003.

[COHEN91] R. COHEN, Fuel cell evaporative cooling using fuel as a carrier gas, Brevet U.S. n° 4,994,331. date du brevet : 1991

[COLEL03] W.C. COLELLA, Modelling results for the thermal management sub-system of a combined heat and power (CHP) fuel cell system (FCS), J. Power Sources, vol. 118, p. 129-149, 2003.

[CROPP02] M. CROPPER, Fuel Cell Market Survey : Residential Applications, Fuel Cell Today, février 2002.

[CSHPF01] CONSEIL SUPERIEUR D’HYGIENE PUBLIQUE DE FRANCE, Gestion du risque lié aux légionnelles, Rapport du Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France, 2001. disponible sur www.sante.gouv.fr

[DELAG03] J. DELAGRANDANNE, Etat de l’art, Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC), rapport de stage, Gaz de France, diffusion interne, 2003.

[DIPPE04] R. DIPPEL, Das Viessmann Brennstoffzellenheizgerät, Stand der Entwicklung, Internationaler Brennstoffzellen-Technologietag, Aachen, 10-11-2004.

[DODFC] www.dodfuelcell.com/pafc (PAFC) et www.dodfuelcell.com/res (PEM) - site web du programme du ministère de la défense américain "DoD Fuel Cell".

[ECHIG03] M. ECHIGO et T. TABATA, A study of CO removal on an activated Ru catalyst for polymer electrolyte fuel cell applications, Appl. Catal. A 251, p. 157, 2003.

[ECHIG04] M. ECHIGO, N. SHINKE, S. TAKAMI et T. TABATA, Performance of a natural gas fuel processor for residential PEFC system using a novel CO preferential oxidation catalyst, J. Power Sources, vol. 132, p. 29-35, 2004.

[FCHAN00] EG&G SERVICES PARSONS INC., Fuel-Cell Handbook, 5ème edition, US Department of Energy, 2000.

[FEITE05] A. S. FEITELBERG et al., Reliability of Plug Power GenSys™ fuel cell systems,

J. Power Sources, vol. 147, p. 203-207, 2005.

[FOWLE02] M.W. FOWLER, R.F. MANN, J.C. AMPHLETT, B.A. PEPPLEY et P.R. ROBERGE, Incorporation of voltage degradation into a generalised steady state electrochemical model for a PEM fuel cell, J. Power Sources, vol. 166, p. 274-283, 2002.

[FREY04] H. FREY, M. EDEL, A. KESSLER et W. MÜNCH, Stationary fuel cells at EnBW, Proc. 2nd France-Deutschland Conference, Belfort, 2004.

[GAST03] H.A. GASTEIGER et al, Beginning-of-life MEA performance - Efficiency loss contributions, Handbook of Fuel Cells, Volume 3, chap. 46, Wiley, 2003.

[GEIGE03] S. GEIGER, M. CROPPER, Fuel Cell Market Survey : Small Stationary Applications, Fuel Cell Today, juillet 2003.

[GICQU01] R. GICQUEL, Systèmes Énergétiques, Les presses de l'Ecole des Mines, Paris, 2001.

[GIGLI04] G. GIGLIUCCI, L. PETRUZZI, E. CERELLI, A. GARZISI et A. LA MENDOLA, Demonstration of a residential CHP system based on PEM fuel cells, J. Power Sources, vol. 131, p. 62-68, 2004.

[GU04] T. GU, W.-K. LEE, J.W. VAN ZEE et M. MURTHY, Effect of Reformate Components on PEMFC Performance, J. Electrochem. Soc, vol. 151, (12), p. A2100-A2105, 2004.

[GULZ00] E. GULZOW et al., Dry layer preparation and characterisation of polymer electrolyte fuel cell components, J. Power Sources, vol. 86, p. 352–362, 2000.

[GUNES01] M.B GUNES, Investigation of a fuel cell based Total Energy System for residential applications, rapport de “Master of Science” de l’Université d’état de Virginie, USA, 2001.

[HEINZ02] A. HEINZEL, B. VOGEL et P. HUBNER, Reforming of natural gas – hydrogen generation for small scale stationary fuel cell systems, J. Power Sources, vol. 105, p. 202-207, 2002.

[HOLC03] F. H. HOLCOMB, Plug Power fuel cell demonstration project at the Watervliet arsenal, Interim Final Project Report, 2003, disponible sur www.dodfuelcell.com

[HSIEH05] S.-S. HSIEH, S.-H. YANG, J.-K. KUO, C.-F. HUANG et H.-H. TSAI, Study of operational parameters on the performance of micro PEMFCs with different flow fields, Energy Conversion and Management, article in press, 2005.

[HUBER04] C-E. HUBERT, P. ACHARD et R. METKEMEIJER, Study of a small heat and power PEM fuel cell system generator, Proc. 2nd France-Deutschland Conference, Belfort, 2004.

retenu pour une sélection dans J. of Power Sources, "article in press" au 15/12/2005

[IDAT05] IDATECH LLC., IdaTech 2003 PEM Demonstration Program in Rappahannock, VA with Fort AP Hill/Rappahannock Electric Cooperative, Midpoint Progress Report - FY03, 2005, disponible sur www.dodfuelcell.com

[INAKA02] H. INAKA et al., The development of effective heat and power use technology for residential in a PEFC co-generation system, J. power sources, vol. 106, p. 60-67, 2002.

[JACUB98] I. JACUBOWIEZ, Dénitrification des gaz de combustion, Techniques de l'Ingénieurs, J 3 922, 1998.

[JANS01] G. J. M. JANSSEN et M. L. J. OVERVELDE, Water transport in the proton-exchange-membrane fuel cell : measurements of the effective drag coefficient, J. Power Sources, vol. 101, p. 117-125, 2001.

[KIM95] J. KIM, S.M. LEE, S. SRINIVASAN, C.E. CHAMBERLIN, Modeling of PEMFC with an empirical equation, J. Electrochem. Soc, vol. 142, n°8, p. 2670-2674, 1995.

[KREUT00] T. G. KREUTZ, J. M. OGDEN, Assessment of hydrogen-fueled proton exchange membrane fuel cells for distributed generation and cogeneration, Proceedings of the 2000 U.S. DOE Hydrogen Program Review, 2000.

[LACAS03] S. LACASSAGNE et P. SCHILKEN, Les outils de planification énergétique territoriale - Bonnes pratiques de villes européennes. Rapport pour le compte de l’ADEME, 2003.

[LEE03] W-K. LEE, S. SHIMPALEE et J.W. VAN ZEE, Verifying Predictions of Water and Current Distributions in a Serpentine Flow Field Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, J. Electrochem. Soc, vol. 150 (3), A341-A348, 2003.

[LENOC05] D. LENOC, Rapport annuel d'avancement du projet EPACOP. Période du 11/2003 au 11/2004. document interne au projet, 2005.

[LI03] Q. LI, J. O. JENSEN, R. HE, N. J. BJERRUM, New polymer electrolyte membranes for fuel cells operating above 100°C - approaches and recent progress, Proc. 1st European Hydrogen Energy Conference, Grenoble, 2003.

[LINNH83] B. LINNHOFF, E. HINDMARSH, The Pinch Design Method of Heat Exchanger Networks, Chemical Engineering Sc., Vol. 38, n° 5, p. 745-763, 1983.

[LIPMA04] T. LIPMAN, J. EDWARDS et D. KAMMEN, Fuel cell system economics: comparing the costs of generating power with stationary and motor vehicle PEM fuel cell systems, Energy Policy, vol. 32, p. 101-125, 2004.

[LIU02] Z.-W. LIU, K.-W. JUN, H.-S. ROH ET S.-E. PARK, Hydrogen production for fuel cells through methane reforming at low temperatures, J. Power Sources, vol. 111 (2), p. 283-287, 2002.

[LOMBA04] Ch. LOMBARD, Analyse et performance du système de traitement du combustible des unités RCU 4500 de la société H Power, Rapport final de la contribution du LSGC au projet EPACOP, 2004.

[LUTZ03] A. E. LUTZ, R. W. BRADSHAW, J. O. KELLER, D.E. WITMER, Thermodynamic analysis of hydrogen production by steam reforming, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 28, p. 159-167, 2003.

[MANN00] R.F. MANN, J.C. AMPHLETT et al., Development and application of a generalised steady-state electrochemical model for a PEM fuel cell, J. Power Sources, vol. 86, p. 173-180, 2000.

[MATHI04] J. MATHIAK, A. HEINZEL, J. ROES, TH. KALK, H. KRAUS et H. BRANDT, Coupling of a 2.5 kW steam reformer with a 1 kWel PEM fuel cell, J. Power Sources, vol. 131, p. 112-119, 2004.

[METKE94] R. METKEMEIJER, Contribution à l'étude des possibilités de réalisation et caractérisation partielle d'un générateur d'électricité constitué d'une pile à combustible alcaline alimentée avec un mélange hydrogène azote issu du reformage de l'ammoniac, rapport de thèse, Ecole des mines de Paris, 1994.

[MING02] Q. MING, T. HEALEY, L. ALLEN et P. IRVING, Steam reforming of hydrocarbon fuels, Catal. Today, vol. 77, p. 51-64, 2002.

[MOHTA03] R. MOHTADI, W.-K. LEE, S. COWAN, J. W. VAN ZEE et M. MURTHYB, Effects of Hydrogen Sulfide on the Performance of a PEMFC, J. Electrochem. Soc, vol. 6 (12), p. A272-A274, 2003.

[MORIS01] O. MORISOT et al., Évaluation et analyse technico-économique des systèmes Piles à combustible. Rapport final du projet EASYPAC, réseau PACO, 2001.

[MurtH01] M. MURTHY, M. ESAYIAN, A. HOBSON, S. MACKENZIE, W-K LEE et J. W. VAN ZEE, The performance of a PEM Fuel Cell exposed to transient CO concentrations, J. Electrochem. Soc., vol. 148 (10), A1141-A1147, 2001.

[MurtH03] M. MURTHY, M. ESAYIAN, W-K LEE et J. W. VAN ZEEB, The effect of temperature and pressure on the performance of a PEMFC exposed to transient CO concentrations, J. Electrochem. Soc, vol. 150 (1), A29-A34, 2003.

[NGUYE93] T.V. NGUYEN et al., A water and heat management model for PEMFC, J. Electrochem. Soc, vol. 140, n°8, p. 2178-2186, 1993.

[NGUYE03] T.V. NGUYEN et W. HE, Interdigitated flow field design, Handbook of Fuel Cells, Volume 3, chap. 28, Wiley, 2003.

[NIELS03] M. P. NIELSEN et S. K. KAER, Modelling a PEM fuel cell natural gas reformer, ECOS conferenc,DTU, Copenhagen, 2003.

[NIST] National Institute of Standards and Technology, agence fédérale US qui développe des technologies, la métrologie et des standards de concert avec l'industrie, données thermodynamiques des fluides disponibles sur : webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

[OHARA04] H. OHARA et al. Operation Characteristics and Results of the 5 kW PEFC Co-Generation System, IHI Engineering Review, vol. 37, n°1, 2004.

[PERRY97] Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7ème édition, 1997.

[PICOT98] D. PICOT, Étude numérique et expérimentale des écoulements dans une pile à combustible PEM adaptable aux applications embarquées, rapport de thèse, Ecole des Mines de Paris, janvier 1998.

[POKOJ04] M. POKOJSKI, Die erste 250 kW PEM Brennstoffzelle in Europa - Betriebserfahrungen, rapport de projet de la campagne d'essais de Bewag, 2004

[PLUG04] PLUG POWER Inc, PEM Fuel Cell Demonstration, United States Naval Support Unit (NSU) - Saratoga Springs, NY, Final Project Report, FY02, 2004, disponible sur www.dodfuelcell.com

[PREVO04] H. PREVOT, B. DE JUVIGNY, F. LEHMANN, M. LOUVOT et CH. IZART, Rapport d’enquête sur les prix de l’électricité, Rapport pour le Ministère de l'Economie, des Finances et de l'Industrie, 2004, disponible sur www.industrie.gouv.fr

[PURMA02] M. PURMANN et Z. STYCZYNSKI, Influence of operating parameters on the efficiency of PEM fuel cells in stationary applications, Proc. 1st France-Deutschland Conference, Forbach-Saarbrücken, 2002.

[ROSSO05] I. ROSSO et al., Effect of impurities of a reformate gas on PEMFC membrane electrode assemblies, Proceedings of the Hysydays, Turin, 2005.

[ROSTR03] J.R. ROSTRUP-NIELSEN et K. AASBERG-PETERSEN, Steam reforming, ATR, partial oxidation : catalysts and reaction engineering, Handbook of Fuel Cells, vol. 3, chap. 14, Wiley & Sons, 2003.

[ROUVE98] L. ROUVEYRE, Contribution a l’optimisation d’un système de génération d’électricité comprenant une pile à combustible pour le véhicule électrique, rapport de thèse, Ecole des Mines de Paris, avril 1998.

[RT2000] Réglementation thermique 2000, disponible sur : www.rt2000.net

[SAVIN02] R.F. SAVINELL, M.H. LITT, J.S. WAINRIGHT, High temperature polymer electrolyte for PEM fuel cells, présentation au Symposium “Honoring Huk Cheh”, Columbia University, New York, 2002, disponible sur : www.cwru.edu/.../Columbia502.pdf

[SCHIL01] P. SCHILKEN, Les actions de villes européennes sur l’utilisation des nouvelles technologies de petite cogénération. État de l’Art pour le compte de l’ADEME. contrat n° 99/07.071. 2001.

[SEO02] Y.-S. SEO, A. SHIRLEY et S. T. KOLACZKOWSKI, Evaluation of thermodynamically favourable operating conditions for production of hydrogen in three different reforming technologies, J. Power Sources, vol. 108, p. 213-225, 2002.

[STAUD04] R. STAUDT et J. BOYER, Developments of Polybenzimidazole-based, High Temperature Membrane and Electrode Assemblies for Stationary and Automotive Applications, présentation au 2004 DOE Hydrogen, Fuel Cells, & Infrastructure Technologies Program Review. disponible sur www.eere.energy.gov

[STELL] STELLISMODUL, e.l.m. leblanc (groupe Bosch), Notice technique et d’installation, Chaudières murales à gaz à condensation. disponible sur www.elmleblanc.fr/…/Stellis_modul.pdf

[STEVE00] P. STEVENS, F. NOVEL-CATTIN, A. HAMMOU, C. LAMY, M. CASSIR, Piles à Combustible, Techniques de l'Ingénieurs, D 3 340, 2000.

[SUISS00] SUISSE ENERGIE, Dimensionnement des chaudières à mazout et à gaz, document de l’Office fédéral de l’énergie, 2000. disponible sur www.energie-schweiz.ch/…/.6.pdf

[TEKIN04] M. TEKIN, D. HISSEL, M.C. PERA et J.M. KAUFFMANN, Energy consumption reduction of a PEM fuel cell motor-compressor group thanks to efficient control laws, Proc. 2nd France-Deutschland Conference, Belfort, 2004.

[UMIC05] UMICORE FUEL CELLS, Brochure d'information, Fuel cell expo, Tokyo, 2005.

[URBAN05] R. URBANCZYK et N. YALNIZ, Development, construction and tests of a dynamic natural gas fuelled steam reformer (on the basis of metal foams) for hydrogen rich gas production as fuel for polymer membrane fuel cells (PEMFC), Proceedings of the Hysydays, Turin, 2005.

[VAILL03] VAILLANT GmbH, Das Vaillant Brennstoffzellen-Heizgerat, Stand der Entwicklung und Feldtests, Présentation du constructeur, 2003.

[VIESS] VIESSMANN GmbH, Les chaudières à condensation, Dossier technique du constructeur. disponible sur www.viessmann.fr/…/fr-brennwerttechnik.pdf

[WAINR95] J.S. WAINRIGHT, J-T. WANG,.D. WENG, R.F SAVINELL et M.H. LITT, Acid-Doped Polybenzimidazoles, A New Polymer Electrolyte, J. Electrochem. Soc, vol. 142, L121-L123, 1995

[WAIN03] J.S. WAINRIGHT, M.H. LITT et R.F. SAVINELL, High-temperature membranes, Handbook of Fuel Cells, Volume 3, chap. 34, Wiley, 2003.

[WAN03] L. WANG, A. HUSAR, T. ZHOU et H. LIU, A parametric study of PEM fuel cell performances, Int. J. Hydrogen Energy, n°28, p. 1263-1272, 2003.

[WHITE04] M.K. WHITE et al., DOD Residential Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell, Demonstration Program, Volume I – Summary of the Fiscal Year 2001. disponible sur www.dodfuelcell.com. 2004.

[WILK03a] D.P. WILKINSON et O. VANDERLEEDEN, Serpentine flow field design, Handbook of Fuel Cells, Volume 3, chap. 27, Wiley, 2003.

[WILK03b] D.P. WILKINSON et J. SAINT-PIERRE, Durability, Handbook of Fuel Cells, Volume 3, chap. 47, Wiley, 2003.

[WILS00] M.S. WILSON, C. ZAWODZINSKI, G. BENDER, T.A. ZAWODZINSKI et D.N. BUSICK, PEMFC stacks for power generation, Proc. du “DOE Hydrogen program review” 2000. disponible sur www.eere.energy.gov

[WOOD98] D.L. WOOD, J.S. YI et T.V. NGUYEN, Effect of direct liquid water injection and interdigitated flow field on the performance of proton exchange membrane fuel cells, Electrochim. Acta, vol. 43, n° 24, p. 3795-3809, 1998

[XU89a] J. XU et G.F. FROMENT, Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I - Intrinsic Kinetics, AIChE Journal, vol. 35, n°1, 1989.

[XU89b] J. XU et G.F. FROMENT, Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: II. Diffusional limitations and reactor simulation, AIChE Journal, vol. 35, n°1, 1989.

[YI98] J.S. YI et T.V. NGUYEN, An along the channel model for PEMFC, J. Electrochem. Soc, vol. 145, n°4, p. 1149-1159, 1998.

[ZALC02] J.M. ZALK et D.G. LOFFLER, Fuel processing for PEM fuel cells : transport and kinetic issues of system design, J. Power Sources, vol. 111, p. 58-64, 2002.

Table des Matières

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 ?

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