Modélisation par Représentation Energétique Macroscopique et Commande d'un Système Pile à Combustible basse Température, alimenté en Hydrocarbure

• Main Author: Chrenko, Daniela
• Language: ENG
• Published: Université de Franche-Comté 2008
• Subjects: [SPI:NRJ] Engineering Sciences/Electric power; pile à combustible; PEFC; HTPEMFC; générateur d'hydrogène; reformeur; diesel; modélisation; control
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00358312; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/36/33/11/PDF/PhD_Daniela_CHRENKO_-_FC_with_diesel_model_and_control.pdf; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/36/33/11/ANNEX/Synthese_de_these_Daniela_Chrenko.pdf

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).