Production d’hydrogène par un système de reformage de bioéthanol en vue de l’alimentation d’une pile à combustible PEM

Hydrogen production from a bio-ethanol reforming system to feed PEM fuel cells

• Auteur / Autrice : Thi Chi Le
• Direction : Patrick Achard, Rudolf Metkemeijer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Bioéthanol

Hydrogène (combustible)

Piles à combustible

Résumé

Dans un contexte de réduction d’émissions des gaz à effet de serre, l’hydrogène apparaît comme prometteur car c’est un vecteur énergétique respectueux de l’environnement. L’utilisation d’une pile à combustible alimentée en hydrogène pour les applications automobiles, portables ou stationnaires pourrait être une solution d’avenir. La production d’hydrogène in situ par reformage de bioéthanol (carburant propre du point de vue environnemental) en vue d’alimenter une pile, peut être une solution alternative au problème du stockage de l’hydrogène. Dans cette thèse, la solution alternative proposée est constituée d’un module de puissance (MdP) membranaire. Il est principalement constitué d’un vaporeformeur de bioéthanol, d’un purificateur membranaire du reformat, d’une pile à combustible de type PEM, et d’un brûleur alimenté par les gaz non perméés à travers la membrane. L’avantage de l’utilisation d’une membrane de purification est de réduire considérablement le volume du système complet par rapport à un système de purification chimique. Dans ce travail, des simulations théoriques sur la base de différentes architectures de MdP ont montré l’intérêt indéniable d’un MdP membranaire par rapport à des MdP avec purification chimique en termes de rendement énergétique global et d’encombrement. De plus, un banc d’essai expérimental de reformage / purification membranaire a été conçu et monté, et les essais menés ont en particulier permis l’élaboration d’un modèle cinétique du vaporeformage de bioéthanol et de perméation de membrane, en vue du dimensionnement de ces unités. A partir de ces modèles, deux MdP membranaires optimisés l’un pour une application automobile, l’autre pour une application stationnaire ou portable de faible puissance sont proposés sur la base du meilleur compromis performance / encombrement.

In the reduction of greenhouse gas emissions context, the use of hydrogen is a promising solution since it is a clean source of energy. Therefore, PEM fuel cells that convert hydrogen into electricity by an electrochemical way, appear to be a future alternative for automotive, portable or stationary applications. Because the storage and distribution of hydrogen actually still show difficulties, the on-board hydrogen production from bio-ethanol reforming – an environmentally friendly fuel – is an alternative solution. Therefore, a new kind of power plant has been designed in this work. It is mainly made up of a bio-ethanol steam reforming unit, a reformate purification system based on a hydrogen permeating membrane, a PEM fuel cell and a burner fed by the non-permeated gases. The benefit of using a membrane instead of a classical chemical purification way is that it considerably reduces the volume of the system. In this work, theoretical simulations of different architectures of power plants have shown the interest of using a membrane power plant instead of a chemical purification power plant in terms of global energetic yield and dimensions. Furthermore, an experimental setup made of reforming and membrane purification units has been designed and built, and experiments have been carried out to develop a kinetic model of the bio-ethanol steam reforming and a permeance model, in order to design these units. Based on these models, two membrane power plants are proposed: the first one is optimized for automotive application; the second one is optimized for stationary or small portable power use, with the best compromise between performance and dimensions.