Étude théorique et expérimentale du reformage d'essence assisté par plasma hors équilibre

Thèse confidentielle jusqu'au 28 juin 2011, levée de la confidentialité mars 2012.The direct use of hydrogen as an energy vector is currently made difficult due to both the lack of distribution infrastructure, and to technical limitations concerning hydrogen storage. Before the attainment of a "direct hydrogen" economy, a possible transitional step could be the production of onboard hydrogen synthesis from conventional car fuels. Non-thermal, plasma-assisted reforming provides an alternative to conventional industrial catalytic reforming, which has limitations when applied to an onboard system. This study is the fruit of fifteen years of research in the field of plasma hydrocarbon conversion, initiated at the Center for Energy and Processes at the Ecole des Mines de Paris. The work involved the development and characterization of a nonthermal, plasma-reforming test bench. The experimental system, composed of a plasma torch and its individual power supply, was developed using two power supplies : a conventional one, based on a high-voltage transformer system, and an original electronic converter, based on resonant converter technology, which allows the continuous control of the mean discharge current under high-voltage, low-current conditions. The non-reactive, electrical characterization of the system composed of the plasma torch and the resonant converters revealed three discharge regimes that were highly dependent on thermal regimes and gas flow. Based on a thermodynamic study and on three chemical kinetics models, the octane-reforming modeling made clear both the main operating parameter influences and the role of plasma activity on reforming reactions. Experiment results were in line with theoretical results and compared with published work. Lastly, a study of the plasma reforming device as component of a global fuel cell / reformer system was presented, as well as outlooks of the current plasma technology.L'utilisation directe d'hydrogène comme vecteur énergétique pour des applications embarquées doit actuellement faire face à l'absence d'infrastructure de distribution et à des difficultés technologiques liées au problème du stockage de l'hydrogène. Une étape transitoire possible avant le passage à une économie " direct hydrogène " consiste à produire l'hydrogène à bord du véhicule à partir des carburants automobiles traditionnels. Le reformage assisté par plasma hors équilibre constitue une alternative au reformage catalytique qui, bien que largement utilisé à l'échelle industrielle, reste peu adapté aux contraintes des systèmes embarqués. Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherches menées depuis une quinzaine d'années par le Centre Energétique et Procédés de l'Ecole des Mines de Paris, dans le domaine de la conversion d'hydrocarbures par voie plasma. Il a conduit à la réalisation et à la caractérisation d'un banc d'essai de reformage assisté par plasma hors équilibre. Le développement du dispositif expérimental, constitué d'une torche plasma et de son alimentation électrique, s'est appuyé sur la mise au point de deux types de générateurs : un générateur conventionnel basé sur un transformateur haute tension et un générateur électronique original de type convertisseur à résonance qui permet le contrôle continu du courant de décharge dans des conditions de haute tension-faible courant. La caractérisation électrique du système convertisseur / torche plasma, en fonctionnement non réactif à l'air, a permis de distinguer différents régimes de décharge fortement dépendants des régimes thermiques et des paramètres d'écoulement du gaz. La modélisation du reformage de l'octane a montré, au travers d'une étude thermodynamique et d'une étude cinétique basée sur trois approches de complexité croissante, l'influence des principaux paramètres opératoires et a permis de mettre en évidence le rôle du plasma sur les réactions de reformage. Les résultats expérimentaux, en accord avec les résultats théoriques obtenus, ont été comparés aux résultats issus de la littérature. Dans une dernière partie, l'utilisation d'un procédé de reformage plasma comme composant du système global : reformeur / pile à combustible a été étudiée et quelques perspectives d'évolution de la technologie plasma ont été présentées