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Conversion optimale de la puissance fournie par une pile à combustible microbienne

Sebei, Sonya (2016). Conversion optimale de la puissance fournie par une pile à combustible microbienne. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La pile à combustible microbienne (PCM) est un système électrochimique et biologique qui produit de l’électricité à partir de l’oxydation des composés organiques présents dans le combustible (eaux usées). Elle consiste en un réacteur dans lequel les bactéries présentes dans le compartiment anodique dégradent la matière organique et libèrent des électrons qui seront dirigés à travers un circuit externe reliant les deux électrodes. Bien que ce système permette à la fois le traitement des eaux usées et la production de l’énergie électrique, de nombreux obstacles retardent son implantation industrielle. La puissance électrique générée par la PCM dépend de plusieurs facteurs entre autres la concentration du substrat, la température et le pH. Ces perturbations fréquentes et inévitables font varier la résistance interne, par conséquent, diminuer la puissance générée. Un branchement continu de la PCM à une charge occasionne la diminution de la puissance dans le temps.

Dans cette étude, l’approche de la connexion intermittente a été utilisée pour permettre d’adapter les impédances afin de régler le problème de la diminution de la puissance du mode d’opération continu de la PCM. Un ajustement dynamique du commutateur, qui assure le mode intermittent, a permis d’atteindre la puissance optimale en tout temps. Deux scénarios ont été réalisés afin de comparer entre la puissance générée en mode continu et intermittent.

Le premier scénario est la commande par bornes de tension du commutateur intégré entre la PCM et la charge (un condensateur en parallèle avec une résistance). La commande du commutateur a été possible grâce à l’ajustement des seuils de tension minimal et maximal mesurés aux bornes du condensateur. Les résultats expérimentaux ont permis de conclure qu’effectivement la connexion intermittente de la PCM permet d’atteindre de meilleures performances en puissance à long terme.

Le deuxième scénario est la connexion intermittente du modèle électrique équivalent de la PCM afin d’alimenter une pile. Un convertisseur BOOST a été intégré entre le commutateur et la pile. Les résultats de simulation ont montré que l’ajustement du rapport cyclique du commutateur a permis au mode intermittent d’atteindre les performances du mode continu. Cependant, le modèle électrique équivalent de la PCM ne décrit pas son aspect biologique. Ce dernier provoque une dégradation des performances de la PCM à long terme lorsqu’elle est branchée en continu.

Titre traduit

Optimal conversion of microbial fuel cell power

Résumé anglais

The microbial fuel cell (PCM) is an electrochemical and biological system that produces electricity from the oxidation of organic compounds in the fuel (waste water). It consists of a reactor in which the bacteria present in the anode compartment degrade organic matter and release electrons which are directed through an external circuit connecting the two electrodes. Although this system allows the wastewater treatment and the production of electrical energy, many obstacles may delay its industrial application. The electric power generated by the PCM is dependent on several factors including the concentration of the substrate, the temperature and pH. These frequent and unavoidable disturbances make the internal resistance varying, therefore, affect the generated power.

In this study, the approach of the intermittent connection was used to manage the impedance mismatch problem and investigate the problem of power decrease in PCM continuous operation mode. A dynamic adjustment of the switch, which ensures the intermittent mode, allowed monitoring the optimum power at all times. Two scenarios were performed to compare the generated power of the continuous mode to the one generated in an intermittent mode of operation.

The first scenario is the terminals voltage control of the integrated switch between the PCM and the load (a capacitor in parallel with a resistor). The switch control has been possible thanks to the adjustment of minimum and maximum thresholds of the voltage reached by the capacitor. The experimental results aim to conclude that the intermittent connection of the PCM allows better long-term power performances.

The second scenario is the intermittent connection of the electrical equivalent model of the PCM to feed a battery. A BOOST converter has been built between the switch and the battery. Simulation results have shown that the duty cycle adjustment of the switch allowed the intermittent mode to achieve performance continuously. However, the equivalent electrical model of the PCM does not describe its biological aspect. It causes degradation in long-term performance when the PCM is connected continuously.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique". Bibliographie : pages 117-120.
Mots-clés libres: Piles à combustible microbiennes. Convertisseurs électriques. Impédance électrique. Commutation (Électricité) connexion, électrique, intermittent, optimal, puissance, adaptation des impédances, convertisseur BOOST, conversion optimale
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Woodward, Lyne
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 19 mai 2016 15:09
Dernière modification: 19 mai 2016 15:09
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1664

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