Energetic Macroscopic Representation Modeling and Control of a Low Temperature Fuel Cell System Fed by Hydrocarbons
Modélisation par Représentation Energétique Macroscopique et Commande d'un Système Pile à Combustible basse Température, alimenté en Hydrocarbure
Résumé
Fuel cell systems (FCS) are considered to be upcoming technology for electrical power generation. They can be used for portable, stationary and transportation applications. Fuel cells are run on hydrogen. Hydrogen can be produced either by electrolysis using electricity from renewable energy or by converting conventional hydrocarbons into a hydrogen rich gas. Among others, a FCS incorporates two main components, the fuel processing unit and the fuel cell stack. The use of hydrocarbon fueled FCS as auxiliary power units (APU) in transportation applications is a possible entry market for this technology that utilizes the existing infrastructure of fuel supply.
Hydrocarbon fueled FCSs are complex multi-domain systems combining aspects from various energetic regimes, like electro-chemical, electrical, pneumatical and thermal. These systems work only in a narrow and well defined range of operation. Therefore, this application requires a well adapted system control to respect these constraints. Classical control structure development often requires the transfer function of the system. This can be difficult or even impossible to derive for complex systems. Therefore, control structure development for complex multi-domain systems is often based on empirical observation and experience. It is desireable to find an approach that allows the development of a control structure based on system description. Such an approach will simplify control structure development and ensure that the control structure is adapted to the system needs. Model based control structure design is an approach that can meet these demands.
This thesis presents a complete model of a low temperature FCS fueled by commercial diesel, and is well adapted for model based control development. The studied FCS provides 25kW electric power, and at the same time the system waste heat is used for climatization.
In chapter 2 several modeling methodologies are introduced. Each is evaluated to see if it can be used to model a complex multi-domain system and if it can be used for model based control structure development. Energetic Macroscopic Representation (EMR) is identified as the best adapted methodology and is applied to chemical reactions and mass transfer.
In chapter 3 a model of the fuel processor is presented and implemented in Matlab/Simulink\texttrademark. To obtain a hydrogen rich gas, the supplied hydrocarbon has to be broken up. Subsequently, the gas has to be purified in order to avoid contamination of the fuel cell with sulfur and carbon monoxide.
In chapter 4 a model of the fuel cell stack is presented. It takes into account the gas flows in the different layers, describing membrane humidification as well as the voltage supplied by the fuel cell. The model also takes into account the influence of the membrane humidity on the stack voltage.
Among low temperature fuel cells, two technologies are available. The model is developed for the more common (Polymer Electrolyte Fuel Cell - PEFC), but the emerging technology (High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell - HTPEMFC) shows advantages with regard to system volume and heat use. Therefore, the models of the fuel processor and the fuel cell stack have been adapted to this emerging technology. The demonstrated adaptability underlines the advantage of using a modular modeling approach.
The models are validated successfully against measurements, literature values and values supplied by system manufacturer.
To confirm that the model can be used for model based control development, the control structure with regard to the temperature and the mass flow control for the FCS is developed in chapter 5. It is shown that the control structure of the system can be obtained by block wise inversion of the model. This approach gives the control structure; the choice of the controllers and their parameterization is up to the developer. The application of control proves that, using EMR, it is possible to derive a control structure from the model of a complex multi domain system without the need to derive its transfer function.
The presented work is accomplished in cooperation with the French national project GAPPAC from the PAN-H program of the French National Agency for Research (ANR). It gathers N-GHY, Airbus and Nexter as industrial partners and LMFA, Armines, IFFI, INRETS LTN and FCLAB Institute as research institutes.
Hydrocarbon fueled FCSs are complex multi-domain systems combining aspects from various energetic regimes, like electro-chemical, electrical, pneumatical and thermal. These systems work only in a narrow and well defined range of operation. Therefore, this application requires a well adapted system control to respect these constraints. Classical control structure development often requires the transfer function of the system. This can be difficult or even impossible to derive for complex systems. Therefore, control structure development for complex multi-domain systems is often based on empirical observation and experience. It is desireable to find an approach that allows the development of a control structure based on system description. Such an approach will simplify control structure development and ensure that the control structure is adapted to the system needs. Model based control structure design is an approach that can meet these demands.
This thesis presents a complete model of a low temperature FCS fueled by commercial diesel, and is well adapted for model based control development. The studied FCS provides 25kW electric power, and at the same time the system waste heat is used for climatization.
In chapter 2 several modeling methodologies are introduced. Each is evaluated to see if it can be used to model a complex multi-domain system and if it can be used for model based control structure development. Energetic Macroscopic Representation (EMR) is identified as the best adapted methodology and is applied to chemical reactions and mass transfer.
In chapter 3 a model of the fuel processor is presented and implemented in Matlab/Simulink\texttrademark. To obtain a hydrogen rich gas, the supplied hydrocarbon has to be broken up. Subsequently, the gas has to be purified in order to avoid contamination of the fuel cell with sulfur and carbon monoxide.
In chapter 4 a model of the fuel cell stack is presented. It takes into account the gas flows in the different layers, describing membrane humidification as well as the voltage supplied by the fuel cell. The model also takes into account the influence of the membrane humidity on the stack voltage.
Among low temperature fuel cells, two technologies are available. The model is developed for the more common (Polymer Electrolyte Fuel Cell - PEFC), but the emerging technology (High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell - HTPEMFC) shows advantages with regard to system volume and heat use. Therefore, the models of the fuel processor and the fuel cell stack have been adapted to this emerging technology. The demonstrated adaptability underlines the advantage of using a modular modeling approach.
The models are validated successfully against measurements, literature values and values supplied by system manufacturer.
To confirm that the model can be used for model based control development, the control structure with regard to the temperature and the mass flow control for the FCS is developed in chapter 5. It is shown that the control structure of the system can be obtained by block wise inversion of the model. This approach gives the control structure; the choice of the controllers and their parameterization is up to the developer. The application of control proves that, using EMR, it is possible to derive a control structure from the model of a complex multi domain system without the need to derive its transfer function.
The presented work is accomplished in cooperation with the French national project GAPPAC from the PAN-H program of the French National Agency for Research (ANR). It gathers N-GHY, Airbus and Nexter as industrial partners and LMFA, Armines, IFFI, INRETS LTN and FCLAB Institute as research institutes.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Le modèle est validé à partir de valeurs mesurées, de valeurs de la littérature et de valeurs fournies par le constructeur du système.
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.
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
universitaires (LMFA, Armines, IFFI, INRETS LTN et l'institut FCLAB).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Le modèle est validé à partir de valeurs mesurées, de valeurs de la littérature et de valeurs fournies par le constructeur du système.
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.
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
universitaires (LMFA, Armines, IFFI, INRETS LTN et l'institut FCLAB).
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