Brevet FR2836205A1 — publié le 20030822

Procédé de détermination de la température instantanée d'un gaz sous pression, notamment d'un gaz pour une pile à combustible L'invention concerne un procédé pour déterminer cycliquement la température instantanée d'un gaz sous pression contenu dans un récipient. L'invention concerne plus particulièrement un procédé pour déterminer cycliquement la température instantanée d'un gaz sous pression contenu dans un récipient dont la paroi est délimitée par une surface interne et une surface externe, et comportant au moins une entrée d'alimentation. Ce type de réservoir de stockage de gaz sous pression est notamment utilisé dans des véhicules propulsés par : - un moteur à combustion interne alimenté au gaz naturel ou autre ; - une pile à combustible alimentée par de l'hydrogène stocké sous forme comprimée ou fabriqué dans un reformeur embarqué, à partir de gaz naturel stocké sous forme comprimée. L'alimentation en gaz de tels véhicules est prévue pour être réalisée par un procédé d'alimentation qui permet le remplissage du réservoir à un débit de gaz dit normal ou nominal. Il existe également des procédés d'alimentation en gaz du réservoir permettant d'augmenter le débit de gaz afin de remplir le réservoir plus rapidement. Le réservoir est considéré comme rempli lorsque sa pression interne atteint une pression de seuil. Selon un procédé d'alimentation employé, la température du gaz à la fin du remplissage du réservoir est proportionnelle à la vitesse de remplissage. Par exemple, le gaz peut atteindre 500C lors du remplissage du réservoir à un débit normal, mais il peut atteindre 100 C ou plus à la fin d'un remplissage à grand débit. Il n'est pas connu de déterminer la température du gaz contenu dans des réservoirs de ce type. Compte tenu des variations importantes de la température du gaz, notamment lors des phases de remplissage, l'absence d'information sur la température du gaz contenu dans le réservoir présente plusieurs inconvénients. Ainsi la détermination de la masse d'un gaz nécessite de connaître le volume du contenant, la pression du gaz et sa température. Or, la masse de gaz contenue dans ce type de réservoir est actuellement estimée à partir du volume du réservoir, de la mesure de pression à l'entrée d'alimentation du réservoir et d'une température de référence fixée à 15 C. Les variations importantes de la température réelle du gaz par rapport à la température de référence lors du remplissage du réservoir se répercutent de manière sensible sur l'estimation de la masse réelle de gaz contenue dans le réservoir. Le fait de ne pas connaître la température du gaz, notamment lors des phases de remplissage, produit donc une erreur de jaugeage non négligeable, qui est notamment proportionnelle au débit de gaz avec lequel le réservoir est rempli. Pour des raisons de sécurité liées à la structure du réservoir, sa température interne ne doit pas s'élever au delà d'une température critique. Il peut ainsi être préjudiciable pour le véhicule et ses passagers de ne pas connaître la température du gaz contenu dans le réservoir, notamment après un remplissage à grand débit. Dans le but d'apporter une solution à ces problèmes, l'invention propose un procédé du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape de mesure d'une première température intermédiaire, en un point situé dans l'épaisseur de la paroi du récipient au moyen d'un dispositif de mesure, une deuxième étape de mesure d'une deuxième température intermédiaire audit point de mesure, et une troisième étape de détermination de la température du gaz contenu dans le récipient. Selon d'autres caractéristiques du procédé selon l'invention : - le procédé est réalisé cycliquement selon une fréquence d'échantillonnage proportionnelle au coefficient de diffusivité du matériau constituant localement la paroi du réservoir ; - lors du premier cycle de détermination de la température du gaz, la première mesure de la température intermédiaire est une mesure nouvelle, et lors des cycles suivants, la première étape d'un cycle constitue la seconde étape du cycle précédent ; - les étapes de chaque cycles sont distinctes ; - la première étape d'un cycle de référence constitue la première étape des cycles suivants ; - le récipient est un réservoir de stockage de gaz sous pression qui a la forme d'une bouteille cylindrique ; - la paroi du réservoir comporte deux couches formant une enveloppe intérieure et une enveloppe extérieure ; - l'enveloppe extérieure comporte au moins une couche de matériau composite ; - la température intermédiaire est mesurée à la surface périphérique externe de l'enveloppe intérieure ; - le dispositif de mesure de la température comporte une thermistance ; - la thermistance est constituée d'un filament de métal dont les deux extrémités sont reliées à deux fils électriques et qui est disposée selon une direction axiale du réservoir. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé, dans lequel : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un réservoir de gaz sous pression équipé d'un dispositif de mesure de la température selon les enseignements de l'invention. La figure 1 représente un réservoir 10 équipé d'un dispositif 12 de mesure de la température selon les enseignements de l'invention. Il s'agit ici d'un réservoir 10 qui a globalement la forme d'une bouteille cylindrique et de section transversale circulaire. Il comporte une paroi 14 continue d'épaisseur sensiblement constante qui est délimitée par une surface interne 16 et par une surface externe 18 et qui forme à une extrémité du réservoir 10 un goulot d'alimentation ou de remplissage 20. La paroi 14 est ici constituée de deux couches formant respectivement une enveloppe intérieure 22 et une enveloppe extérieure 24. Dans un mode de réalisation, l'enveloppe intérieure 22 est constituée de matériau composite ou de métal, qui est avantageusement de l'aluminium. Selon les enseignements de l'invention, le réservoir 10 est équipé d'un dispositif 12 de mesure de la température entre les deux enveloppes 22 et 24 et plus particulièrement de la température à la surface périphérique externe 28 de l'enveloppe intérieure 22. Un mode de réalisation du dispositif 12 est représenté à la figure 1. Il comporte notamment une thermistance 26, qui est ici une mèche 26 constituée d'un matériau dont la résistance électrique varie avec la température. La mèche 26 peut être par exemple constituée de fibres de carbone ou de métal. La mèche 26 est plaquée contre la surface périphérique externe 28 de l'enveloppe intérieure 22 et elle orientée selon une direction axiale du réservoir 10 qui est la direction dans laquelle le réservoir 10 subit le moins de déformations sous la force exercée par la pression interne. Les extrémités 30 et 32 de la mèche 26 sont reliées chacune à un fil conducteur 34 et 36. L'enveloppe extérieure 24 recouvre à la fois la surface périphérique externe 28 de l'enveloppe intérieure 22 et le dispositif 12. L'enveloppe extérieure 24 est destinée à augmenter les propriétés de résistance mécanique du réservoir 10, notamment la résistance à la pression exercée sur la surface interne 16 du réservoir 10 par le gaz comprimé. Elle sert également a protéger le réservoir 10 des chocs externes. A cet effet elle est avantageusement constituée de matériau composite. Les fils conducteurs 34 et 36 du dispositif 12 sont agencés entre l'enveloppe intérieure 22 et l'enveloppe extérieure 24 de manière à sortir de la paroi 14, par exemple au niveau du goulot d'alimentation 20. La configuration précédemment décrite permet au dispositif 12 de mesurer la température dans l'épaisseur de la paroi 14, et plus particulièrement à la surface périphérique externe 28 de l'enveloppe intérieure 22 du réservoir 10. Pour ce faire, les deux fils conducteurs 34 et 36 forment un circuit électrique en reliant la thermistance 26 en série avec un générateur de courant (non représenté) selon un agencement de ce type de thermistance. La thermistance permet ainsi de mesurer une température dite intermédiaire T,. Selon l'invention, le procédé de détermination cyclique de la température instantanée du gaz Tgaz à l'intérieur du réservoir 10 comporte, pour un cycle numéroté CN, trois étapes E1, E2 et E3 : - une première étape E1 de mesure d'une première température intermédiaire T, ION par le dispositif de mesure 12, en un point qui est ici à la surface périphérique externe 28 de l'enveloppe intérieure 22 ; - une deuxième étape E2 de mesure d'une deuxième température intermédiaire T, 2cN audit point de mesure par le même dispositif de mesure 12 ; et - une troisième étape E3 de détermination de la température Tgaz à la surface interne 16 de la paroi 14 du réservoir 10 par calcul. Les deux premières étapes E1 et E2 de mesure des températures intermédiaires T, 1 CN et T, 2cN se déroulent comme suit : -a) le générateur de courant produit un courant d'une intensité connue 1 qui circule dans la thermistance 26 ; -b) la thermistance 26 dans l'épaisseur de la paroi 14, est à la même température T,cN ou T, 2cN que la surface périphérique 28 de l'enveloppe intérieure 22. Elle a une résistance électrique inconnue R (T) qui est fonction de sa température T, 1 CN ou TI2cN. Un voltmètre (non représenté) permet de mesurer la différence de potentiel U (T) entre les deux extrémités 30 et 32 de la thermistance 26 ; -c) la résistance R (T) est déterminée en divisant la différence de potentiel U (T) par l'intensité 1. -d) la résistance R (T) permet d'obtenir la résistivité p de la mèche à partir de l'équation 1 suivante : dans laquelle L et S désignent respectivement la longueur de la thermistance 26 et sa section transversale ; -e) les températures interméd iaires T, 1 CN et Ti2cN sont obtenues, en unité Kelvin, à partir de l'équation 2 suivante : dans laquelle po et ao sont respectivement la résistivité à 0 C et le coefficient de température du matériau constituant la thermistance. La troisième étape E3 utilise, pour la détermination de la température du gaz Tgaz, l'équation de diffusion de la chaleur de la surface interne 16 jusqu'à la surface périphérique externe 28 de l'enveloppe intérieure 22. L'équation 3 qui régit ce phénomène est la suivante : T = T, 2 (CN)-T, 1 (CN) *erf (u) 1-erf (u) dans laquelle T, 1 (CN) et TI2 (CN) sont respectivement la première et la deuxième mesure de la température intermédiaire d'un cycle CN du procédé et erf (u) est la fonction d'erreur erf (u) = - -. je. du, dans laquelle u désigne l'équation 4 suivante 2 0 dans laquelle a désigne le coefficient de diffusivité de la paroi du réservoir, x l'épaisseur locale de l'enveloppe intérieure 22 au point de mesure et t le temps écoulé entre les deux mesures T, 1 (CN) et TI2 (CN). Il existe trois variantes pour réaliser le procédé selon l'invention. La première variante consiste à enchaîner les étapes E1, E2 et E3 cycliquement en réalisant chronologiquement une première mesure nouvelle de la température Til (CN) au cours de l'étape E1, puis une seconde mesure nouvelle de la température TI2 (CN) au cours de l'étape E2 puis, à partir de ces deux mesures nouvelles T, 1 (CN) et TI2 (CN), à déterminer la température interne Tgaz lors de la troisième étape E3. Ce cycle tel qu'il est décrit peut ensuite être réitéré autant de fois que nécessaire. Cette variante est adaptée avantageusement à des variations fréquentes de températures dans le réservoir. Dans une seconde variante du procédé, un cycle d'initialisation C1 se déroule selon la première variante. Les cycles ultérieurs CN, à partir de C2, se déroulent comme suit. La seconde mesure nouvelle de température TI2 (CN-1) constitue la première mesure de la température T, 1 (CN) du cycle suivant. Ainsi dans cette variante, la première étape E1 d'un cycle CN se confond avec la deuxième étape E2 du cycle CN-1. Lors de la seconde étape E2, la seconde mesure nouvelle de la température TI2 (CN) est réalisée. La détermination de la température interne Tgaz est réalisée lors de la troisième étape E3. L'avantage de cette variante est que le nombre de prises de mesures est limité et qu'elle est adaptée à des variations fréquentes de température à l'intérieur du réservoir. La troisième variante du procédé est initialisée par un cycle de référence CR réalisé selon la première variante. Puis les cycles CN (N > R) suivants sont réalisés comme suit. La première mesure de la température TI1 (CN) est la première mesure de température du cycle de référence TI1 (CR). Puis une seconde mesure nouvelle de la température TI2 (CN) est réalisée. La détermination de la température interne Tgaz est réalisée lors de la troisième étape E3. L'avantage de cette variante est que l'écart de temps entre deux mesures de températures permet d'obtenir une extrapolation meilleure de la température interne T,. Le cycle de référence peut être réalisé avant chaque variation de température prévisible dans le réservoir 10, et notamment avant et après chaque remplissage. Quelle que soit la variante, la détermination de la température interne Tgaz est avantageusement réalisée cycliquement selon une fréquence d'échantillonnage proportionnelle au coefficient de diffusivité a du matériau constituant localement la paroi 14 du récipient 10. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer cycliquement la température instantanée (Tgaz) d'un gaz sous pression contenu dans un récipient (10) dont la paroi (14) est délimitée par une surface interne (16) et une surface externe (18) et comportant au moins une entrée d'alimentation (20), chaque cycle étant numéroté chronologiquement de (C1) à (CN), caractérisé en ce qu'il comporte, pour un cycle quelconque (CN) : - a) une première étape (E1) de mesure d'une première température intermédiaire (T11 (CN)), en un point de mesure situé dans l'épaisseur de la paroi (14) ou à la surface externe (18) de celle-ci, au moyen d'un dispositif de mesure de la température (12) ; et - b) une deuxième étape (E2) de mesure d'une deuxième température intermédiaire (T, 2 (CN)) audit point de mesure ; et - c) une troisième étape (E3) de détermination de la température (Tgaz) de la surface interne (16) de la paroi (14) du récipient (10) par calcul à partir : - desdites première et deuxième températures intermédiaires (T, 1 (CN), T, 2 (CN)) ; - de l'épaisseur de la paroi (14) du récipient (10) entre le point de mesure et la surface interne (16) de la paroi (14) du récipient (10) ; et - des propriétés mécaniques et thermiques du ou des matériaux constituant localement la paroi (14) du récipient (10) entre le point de mesure et la surface interne (16) de la paroi (14) du récipient (10). 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est réalisé cycliquement selon une fréquence d'échantillonnage proportionnelle au coefficient de diffusivité (a) du matériau constituant localement la paroi (14) du récipient (10). 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que : - lors du premier cycle (C 1) de détermination de la température instantanée du gaz (Tgaz), les mesures de la première température intermédiaire (Tj1 (ci)) et de la deuxième température intermédiaire (T, 2 (cl sont des mesures distinctes et nouvelles ; - lors des cycles suivants (CN) de détermination de la température instantanée du gaz (Tgaz), la mesure de la première température intermédiaire (T, 1 (CN)) est la mesure de la deuxième température intermédiaire (T, 2 (CN-1)) du cycle précédent (CN-1). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour chaque cycle (CN) de détermination de température, les mesures de température (T, 1 (CN)) et (T, 2 (CN sont nouvelles. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour chaque cycle (CN) succédant à un cycle de référence (CR), la mesure de la première température intermédiaire (T, 1 (CN)) est confondue avec la mesure de la première température intermédiaire (T, 1 (CR)) dudit cycle de référence (CR). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récipient (10) est un réservoir (10) de stockage de gaz sous pression qui a la forme d'une bouteille cylindrique et qui est embarqué à bord d'un véhicule automobile. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la paroi (14) du réservoir comporte deux couches formant respectivement une enveloppe intérieure (22), délimitée extérieurement par une surface périphérique externe (28) et une enveloppe extérieure (24) de renfort. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure (24) de renfort comporte au moins une couche de matériau composite. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite température intermédiaire (T, 1 (CN), TI2 (CN)) est mesurée à la surface périphérique externe (28) de l'enveloppe intérieure (22) du réservoir (10). 10. Dispositif de mesure de la température (12) pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une thermistance (26) dont la résistivité électrique varie en fonction de la température. 11. Dispositif de mesure de la température (12) selon la revendication précédente prise en combinaison avec l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la thermistance (26) est constituée d'un filament de métal dont les deux extrémités (30,32) sont reliées à deux fils électriques (34, 36) et qui est disposée selon une direction axiale du réservoir (10) entre l'enveloppe intérieure (22) et l'enveloppe extérieure (24) de renfort.