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Theses Year : 2005

Study of the operation and optimisation of the design of a PEM fuel cell based small cogeneration

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

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Charles-Émile Hubert
  • Function : Author

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.
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.
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Dates and versions

pastel-00002331 , version 1 (07-06-2007)

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  • HAL Id : pastel-00002331 , version 1

Cite

Charles-Émile Hubert. Étude du fonctionnement et optimisation de la conception d'un système pile à combustible PEM exploité en cogénération dans le bâtiment. Sciences de l'ingénieur [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2005. Français. ⟨NNT : 2005ENMP1349⟩. ⟨pastel-00002331⟩
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