Monitoring System for the Online Estimation of the Internal Parameters of a Microbial Fuel Cell Operated Intermittently

Cette étude décrit l'opération des Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) avec la connexion intermittente de la résistance externe (mode R-PWM). L'étude est composée de 2 sections : la première décrit l'opération de la PCM à basses et hautes fréquences, avec différents taux de connexion/déconnexion de la résistance externe. La deuxième partie rejoint le mode de fonctionnement RPWM à la solution analytique d'un Modèle de Circuit Équivalent (MCE), afin de développer une procédure de supervision en ligne. Cette stratégie rend le suivi périodique des paramètres internes de la PCM possible. Quant à la première partie du projet, l'analyse des profils de tension acquis démontrent la présence de composants dynamiques lents et rapides. Ceux-ci peuvent être décrits par un modèle de circuit équivalent simple, qui est d'ailleurs approprié pour des applications comme la commande de procédés. Aux fréquences d'exploitation plus élevées que 100 Hz, une amélioration considérable de la performance des PCMs est observée, avec une augmentation du 22 % au 43 % de la puissance de sortie, en comparaison avec l'opération de la PCM avec sa résistance externe continuellement connectée. Basé sur les dynamique identifiées pour la PCM à basse et haute fréquence, la solution analytique pour le modèle de circuit équivalent est ensuite utilisée comme base pour développer une stratégie de supervision en ligne. L'algorithme permet le calcul en ligne des paramètres internes de la PCM. Pour valider l'exactitude des valeurs estimées, les profils de tension électrique à bas et haute fréquence sont générés et statistiquement comparés aux profils réels de tension de la PCM. Quand les 2 profils sont comparés, des erreurs quadratiques moyenne de 5.26e-4 sont obtenues pour les profils de basse fréquence. À haute fréquence, l'erreur est 9.69e-6. Par ailleurs, les estimations en ligne des paramètres internes sont comparées à des paramètres calculés hors ligne. Les évolutions observées sont en effet semblables, même si les valeurs diffèrent. La stratégie de supervision en ligne a été testée sous 2 conditions d'opération différentes : d'abord, une PCM a été utilisé dans pour étudier l'évolution des paramètres en réponse aux changements de la charge organique. De plus, une deuxième PCM a été construite pour faire le suivi périodique de l'évolution des paramètres internes dans le temps, du démarrage de la PCM à sa maturité.

Abstract

This research study describes the operation of a Microbial Fuel Cell (MFC) under pulse-width modulated connection of the external resistor (RPWM mode). The study is composed of 2 main sections: the first one describes the MFC operation at low and high frequencies, and under varying periods of external resistance connection/disconnection or duty cycle (D). The second part blends the RPWM mode of operation to the analytical solution of a proposed Equivalent Circuit Model (ECM) in order to develop an on-line monitoring procedure. This monitoring strategy allows the periodic follow-up of the MFC internal parameters. Regarding the first part of this project, the analysis of the output voltage profiles acquired during R-PWM tests showed the presence of slow and fast dynamic components, which can be described by a simple equivalent circuit model (ECM) suitable for process control applications. At operating frequencies above 100 Hz a noticeable improvement in MFC performance was observed with the power output increase of 22–43% as compared to MFC operation with a constant external resistance. Based on the identified dynamics for the MFC dynamics at low and high frequency, the analytical solution for the equivalent circuit model is used as a basis for an on-line monitoring strategy. This algorithm allows the online estimation of the MFC internal parameters. To validate the accuracy of the estimations, low and high frequency voltage profiles are generated and statistically compared to actual voltage profiles for the MFC. When actual and online estimated profiles are compared, mean square errors of 5.26e-4 for low frequency profiles, and 9.69e-6 for high frequency profiles were obtained. On-line estimations of the MFC internal parameters are also compared to off-line estimated parameters, and similar evolution trends are observed. The on-line monitoring strategy was tested under 2 different operating conditions: first, one MFC was used in under to study parameter evolution under varying organic load. Then, a second MFC was newly built in order to make a periodic follow-up of the internal parameters' evolution in time, from the MFC start-up to its maturity.