Modelització i control d'un reactor de producció d'hidrogen per a l'alimentació de piles de combustible

Les piles de combustible permeten la transformació eficient de l’energia química de certs combustibles a energia elèctrica a través d’un procés electroquímic. De les diferents tecnologies de piles de combustible, les piles de combustible de tipus PEM són les més competitives i tenen una gran varietat d’aplicacions. No obstant, han de ser alimentades únicament per hidrogen. Per altra banda, l’etanol, un combustible interessant en el marc dels combustibles renovables, és una possible font d’hidrogen. Aquest treball estudia la reformació d’etanol per a l’obtenció d’hidrogen per a alimentar piles de combustible PEM. Només existeixen algunes publicacions que tractin l’obtenció d’hidrogen a partir d’etanol, i aquestes no inclouen l’estudi dinàmic del sistema. Els objectius del treball són el modelat i l’estudi dinàmic de reformadors d’etanol de baixa temperatura. Concretament, proposa un model dinàmic d’un reformador catalític d’etanol amb vapor basat en un catalitzador de cobalt. Aquesta reformació permet obtenir valors alts d’eficiència i valors òptims de monòxid de carboni que evitaran l’enverinament d’una la pila de combustible de tipus PEM. El model, no lineal, es basa en la cinètica obtinguda de diferents assaigs de laboratori. El reformador modelat opera en tres etapes: deshidrogenació d’etanol a acetaldehid i hidrogen, reformat amb vapor d’acetaldehid, i la reacció WGS (Water Gas Shift). El treball també estudia la sensibilitat i controlabilitat del sistema, caracteritzant així el sistema que caldrà controlar. L’anàlisi de controlabilitat es realitza sobre la resposta de dinàmica ràpida obtinguda del balanç de massa del reformador. El model no lineal és linealitzat amb la finalitat d’aplicar eines d’anàlisi com RGA, CN i MRI. El treball ofereix la informació necessària per a avaluar la possible implementació en un laboratori de piles de combustibles PEM alimentades per hidrogen provinent d’un reformador d’etanol.

The fuel cells allow the efficient transformation of the chemical energy of certain fuels at electrical energy through an electrochemical process. Of the different technologies of fuel cells, the fuel cells types PEM are the most competitive and have a great variety of applications. However, they have to feed only by hydrogen. On the other hand, the ethanol is an interesting fuel within the framework of the renewable fuels and is a possible source of hydrogen. This work studies the reformation of ethanol for the obtaining of hydrogen to feed fuel cells type PEM. There are only some publications that treat the obtaining of hydrogen from ethanol, and these do not include the dynamic study of the system. The goals of the work are the modeling and the dynamic study of reformers of ethanol of low temperature. Precisely, proposes a dynamic model of a catalytic ethanol steam reformer based on a cobalt catalyst. This reformation allows obtaining high values of efficiency and optimum values of carbon monoxide that will avoid the poisoning of fuel cells types PEM. The kinetics obtained from different laboratory test are based on the no linear model. The modeled reformer works in three stages: ethanol dehydrogenation to acetaldehyde and hydrogen, acetaldehyde steam reforming, and water gas shift reaction WGS (Water Gas Shift). The work also studies the sensitivity and controllability of the system, characterizing like this the system which it will be necessary to control. The controllability analysis is focused on the rapid dynamics due to mass balances and is based on a linearization of the complex non-linear model of the reformer. RGA, CN and MRI analysis tools are applied to the linear model. The work offers the necessary information to estimate the possible implementation in a laboratory of fuel cells types PEM feed by hydrogen from an ethanol reformer.