Brevet FR2845524A1 — publié le 20040409

i "Procédé de régulation du débit d'air dans une pile à combustible" L'invention concerne un procédé de régulation du débit d'air admis dans la cathode d'une pile à combustible. s L'invention concerne plus particulièrement un procédé de régulation du débit d'air admis dans la cathode d'une pile à combustible qui est embarquée à bord d'un véhicule automobile, du type dans lequel la pile à combustible comporte une conduite d'alimentation cathodique qui alimente la cathode en air, et io notamment en oxygène, et une conduite d'évacuation cathodique qui évacue l'air après consommation d'oxygène par la cathode, et dans lequel la conduite d'alimentation cathodique comporte un organe commandé de régulation du débit d'air d'admission, notamment en fonction de paramètres de fonctionnement du 15 moteur. Une pile à combustible est constituée principalement de deux électrodes, une anode et une cathode, qui sont séparées par un électrolyte. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydo20 réduction suivantes: - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, qui alimente l'anode en continu; et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la cathode en continu. Les piles à combustible utilisées pour fournir de l'énergie électrique à bord de véhicules automobiles sont généralement du type à électrolyte solide, notamment à électrolyte en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) en guise de combustible et de comburant 30 respectivement. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec les gaz d'échappement une quantité non négligeable de substances polluantes, la pile à combustible offre notamment l'avantage de ne rejeter que de l'eau qui est produite par la réaction de réduction à la cathode. De plus, le comburant d'une pile du type décrit précédemment peut être de l'air ambiant dont l'oxygène (02) est réduit. La puissance électrique produite par la pile est proportionnelle aux débits de comburant et de carburant. Pour réguler la puissance électrique produite par la pile à combustible, il est connu de faire varier les débits d'air et d'hydrogène qui alimentent la pile à combustible. Les débits d'air et d'hydrogène sont généralement prédéterminés en fonction de 1o la puissance électrique requise pour le véhicule. Comme énoncé précédemment, la pile à combustible consomme uniquement l'oxygène (02) contenu dans l'air. En faisant correspondre un débit d'air déterminé en fonction de la puissance électrique demandée à la pile, l'air est considéré 15 comme comportant un taux d'oxygène sensiblement constant. Cependant, le taux d'oxygène (02) présent dans l'air varie selon le lieu o se trouve le véhicule. Ainsi dans un endroit fermé, tel qu'un parking sous-terrain, l'air peut être plus pauvre en oxygène que sur une route de campagne. Aussi, lorsque le véhicule évolue dans un environnement dont l'air est appauvri en oxygène (02), le débit d'air déterminé pour un air contenant un taux d'oxygène normal ne permet pas une alimentation suffisante en oxygène de la pile à combustible. La pile à combustible ne peut donc pas fournir la puissance 25 électrique demandée. Pour résoudre ce problème, la présente invention propose un procédé du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte: - a) une étape de mesure de la différence de concentration 30 en oxygène entre un gaz de référence et l'air circulant dans la conduite d'évacuation cathodique; et - b) une étape de calcul de la différence entre ladite valeur mesurée et une valeur de référence; et - c) une étape de détermination d'un débit optimal d'air d'admission en fonction du résultat dudit calcul; et - d) une étape de commande de l'organe de régulation pour l'obtention dudit débit d'air optimal. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la mesure de l'étape de mesure est réalisée au moyen d'une sonde lambda qui est située dans la conduite d'évacuation cathodique et qui mesure la différence de concentration en oxygène entre l'air atmosphérique et l'air circulant dans la io conduite d'évacuation cathodique; - l'organe de régulation du débit d'air est une installation de compression de l'air située en amont de la cathode; - l'organe de régulation du débit d'air est un motoventilateur agencé dans la conduite d'alimentation cathodique; - si la valeur mesurée est inférieure à un seuil déterminé, alors un signal d'alerte est émis dans l'habitacle du véhicule; - si la valeur mesurée est inférieure à un seuil déterminé, le fonctionnement de la pile à combustible est interrompu. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 20 apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique annexée qui représente schématiquement une installation de production d'électricité qui est équipée d'une pile à combustible et qui comporte un dispositif pour réaliser le procédé 25 selon les enseignements de l'invention. On a représenté à la figure unique une installation de production d'électricité 10 qui est embarquée à bord d'un véhicule automobile. L'installation 10 comporte notamment une pile à combustible 12 qui produit de l'électricité lorsqu'elle est alimentée 30 en comburant et en carburant. La pile à combustible 12 comporte une anode 14 et une cathode 16 qui sont ici séparées par une membrane en polymère 18 formant électrolyte. La cathode 16 comporte un orifice d'alimentation cathodique 20 par lequel elle est alimentée en comburant, qui est ici de l'air, et elle comporte un orifice d'évacuation cathodique 22 par lequel l'excédant de comburant est évacué. De même, l'anode 14 comporte un orifice d'alimentation anodique 24 par lequel elle est alimentée en carburant, qui est ici un reformât notamment constitué d'hydrogène (H2), et elle comporte un orifice d'évacuation anodique 26 par lequel l'excédant de carburant est évacué. no L'installation 10 comporte un premier circuit d'alimentation 28 de la cathode 16 en comburant, et notamment en air, et elle comporte un second circuit d'alimentation 30 de l'anode 14 en carburant, et notamment en hydrogène (H2). Le premier circuit d'alimentation 28 de la cathode 16 se 15 compose notamment d'un module d'admission d'air atmosphérique 32 dans lequel l'air atmosphérique est admis via un tronçon d'entrée 34, et qui alimente la cathode 16 en air par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation cathodique 36 qui est raccordée à l'orifice d'alimentation cathodique 20. Le module d'admission d'air 32 est notamment destiné à réguler le débit d'air admis dans la cathode 16. Le module d'admission d'air 32 comporte selon ce mode de réalisation de l'invention un compresseur (non représenté). Dans un autre mode de réalisation de l'invention non 25 représenté, le module d'admission d'air 32 comporte un motoventilateur qui est agencé dans la conduite d'alimentation cathodique 36. Le second circuit d'alimentation 30 de l'anode 14 se compose principalement d'un réservoir 38 contenant un 30 hydrocarbure tel que de l'essence, et d'un reformeur 40. Une tubulure d'alimentation en hydrocarbure 42 est raccordée par une première extrémité 44 au réservoir 38 et par une seconde extrémité à un orifice d'entrée 46 du reformeur 40. Le reformeur 40 est ici destiné à extraire l'hydrogène (H2) contenu dans l'hydrocarbure. Après extraction de l'hydrogène (H2), il rejette par un orifice de sortie 48 un carburant, ou reformât, contenant de l'hydrogène (H2) dans une tubulure 5 d'alimentation 50 de l'anode 14 qui est raccordée à l'orifice d'alimentation anodique 24. Lors du fonctionnement de la pile à combustible 12, l'anode 14 consomme une partie de l'hydrogène (H2) contenue dans le reformât, le reformât excédentaire étant rejeté par l'orifice io d'évacuation anodique 26. L'orifice d'évacuation anodique 26 débouche dans une tubulure d'évacuation anodique 52 qui conduit le reformât excédentaire jusqu'à un orifice d'alimentation 54 d'un brleur 56 qui est intégré au reformeur 40. Le brleur 56 est notamment 15 destiné à consumer le reformât excédentaire de façon à fournir la chaleur nécessaire au fonctionnement du reformeur 40. Lors du fonctionnement de la pile à combustible 12, la cathode 16 consomme une partie de l'oxygène (02) contenu dans l'air, l'air excédentaire étant rejeté par l'orifice d'évacuation 20 cathodique 22. L'orifice d'évacuation de la cathode 16 débouche dans une conduite d'évacuation cathodique 58 qui expulse l'air excédentaire vers l'atmosphère. Selon les enseignements de l'invention, une sonde de détection d'oxygène 60, qui est dans ce mode de 25 réalisation de l'invention une sonde de type lambda, est intercalée dans la conduite d'évacuation cathodique 58. Selon une utilisation traditionnelle connue de l'homme du métier, une portion de référence 62 de la sonde lambda 60 est en contact avec l'air ambiant qui est ici acheminé par un conduit d'air 30 64. L'installation 10 comporte aussi une unité de commande électronique 66 qui est destinée à piloter le fonctionnement de la pile à combustible 12. L'unité de commande électronique 66 est notamment reliée par des fils conducteurs électriques, représentés en trait interrompu à la figure unique, à la sonde lambda 60, au reformeur 40, au module d'admission d'air 32 et à un dispositif de commande de puissance 68 situé dans l'habitacle du véhicule et qui peut par exemple être une pédale d'accélération. Ainsi, lorsque le conducteur du véhicule requiert de la puissance électrique par l'intermédiaire de la pédale 68, l'unité de commande électronique 66 commande le module d'admission d'air 32 d'une part et le reformeur 40 d'autre part de façon à fournir io des débits de comburant et de carburant déterminés en fonction de la puissance de la puissance électrique requise. Nous allons à présent décrire le procédé mettant en oeuvre une telle installation 10 selon les enseignements de l'invention. Ce procédé est destiné à ajuster le débit d'air en fonction de sa i5 teneur en oxygène lorsque le conducteur requiert de la puissance électrique à la pile à combustible 12 pour le moteur du véhicule. La pile à combustible 12 est alors alimentée en comburant et en carburant et elle rejette par les orifices d'évacuation anodique et cathodique l'excès de reformât et d'air, respectivement. 20 Le procédé comporte ici quatre étapes principales - a) une première étape El de mesure de la différence omes de concentration en oxygène entre l'air ambiant et l'air circulant dans la conduite d'évacuation cathodique 58; et - b) une deuxième étape E2 de calcul de la différence 25 (Ornes- Oref) entre ladite valeur mesurée Omes et une valeur de référence Oref; et - c) une troisième étape E3 de détermination d'un débit optimal d'air d'admission en fonction du résultat (Omess Oref) dudit calcul et - d) une quatrième étape E4 de commande de l'organe de régulation pour l'obtention dudit débit d'air optimal. Lors de la première étape El, la conduite d'évacuation cathodique 58 guide jusqu'à la sonde lambda 60 l'air rejeté par l'orifice d'évacuation cathodique 22 après consommation d'une partie de son oxygène par la pile à combustible 12. La sonde lambda 60 émet alors vers l'unité de commande électronique 66 un signal électrique qui constitue la mesure Omes de la différence de concentration en oxygène entre l'air atmosphérique et l'air 5 circulant dans la conduite d'évacuation cathodique 58. Le signal électrique a en effet une intensité proportionnelle à la différence de concentration en oxygène entre l'air atmosphérique et l'air circulant dans la conduite d'évacuation cathodique 58. Ensuite, lors de la deuxième étape E2, l'unité de io commande électronique 66 soustrait la valeur de la mesure Omes émise par la sonde lambda 60 d'une valeur de référence 0ref. La valeur de référence Oref est entrée en mémoire dans l'unité de commande électronique 66. La valeur de référence Oref est ici la valeur théorique de la différence de concentration en oxygène 15 entre l'air atmosphérique et l'air circulant dans la conduite d'évacuation cathodique 58 lorsque l'air atmosphérique contient une proportion normale d'oxygène, c'est-à-dire environ 21%. Ainsi, lorsque la proportion d'oxygène de l'air ambiant est inférieure à la proportion normale, la valeur mesurée Omes diffère 20 de façon significative de la valeur de référence Oref. Lors de la troisième étape E3, l'unité de commande électronique 66 détermine un débit d'air optimal à partir d'une cartographie enregistrée en mémoire en fonction du résultat de la soustraction (Ones - Oref) effectuée lors de la deuxième étape E2. 25 Le débit optimal d'air est défini de façon que le débit d'oxygène traversant la pile à combustible 12 soit au moins suffisant pour que la pile 12 fournisse la puissance électrique requise par le conducteur. Enfin, lors de la quatrième étape E4, l'unité de commande 30 électronique 66 pilote le module d'admission d'air 32 de façon que le débit d'air admis soit sensiblement égal au débit d'air optimal. Selon une variante de l'invention, lorsque la différence (Ornes - Oref) calculée lors de la deuxième étape E2 est inférieure à un seuil d'alerte, un signal d'alerte est émis dans l'habitacle du véhicule afin de prévenir le conducteur que l'air ambiant est trop pauvre en oxygène pour pouvoir alimenter de façon satisfaisante la pile à combustible 12 même en augmentant le débit d'air dans les proportions permises par les capacités du module d'admission d'air 32. Selon une autre variante de l'invention lorsque la différence (Omes - Oref) calculée lors de la deuxième étape E2 est inférieure à un seuil d'alerte, le fonctionnement de la pile à combustible 12 est automatiquement interrompu par l'unité de io commande électronique 66. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation du débit d'air admis dans la cathode (16) d'une pile à combustible (12) qui est embarquée à bord d'un véhicule automobile, du type dans lequel la pile à 5 combustible (12) comporte une conduite d'alimentation cathodique (36) qui alimente la cathode (16) en air, et notamment en oxygène (02), et une conduite d'évacuation cathodique (58) qui évacue l'air après consommation d'oxygène (02) par la cathode (16), et dans lequel la conduite d'alimentation cathodique io (36) comporte un organe commandé (32) de régulation du débit d'air d'admission, notamment en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur, caractérisé en ce qu'il comporte - a) une étape (El) de mesure de la différence (Ones) de i5 concentration en oxygène (02) entre un gaz de référence et l'air circulant dans la conduite d'évacuation cathodique (58); et - b) une étape (E2) de calcul de la différence (Ones - Oref) entre ladite valeur mesurée (Ores) et une valeur de référence (Oref); et - C) une étape (E3) de détermination d'un débit optimal d'air d'admission en fonction du résultat (Omes - Oref) dudit calcul et - d) une étape (E4) de commande de l'organe de régulation (32) pour l'obtention dudit débit d'air optimal. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la mesure (Ores) de l'étape de mesure (El) est réalisée au moyen d'une sonde lambda (60) qui est située dans la conduite d'évacuation cathodique (58) et qui mesure la différence de concentration en oxygène entre l'air atmosphérique et l'air 30 circulant dans la conduite d'évacuation cathodique (58). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de régulation (32) du débit d'air est une installation de compression de l'air située en amont de la cathode (16). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de régulation (32) du débit d'air est un moto-ventilateur agencé dans la conduite d'alimentation cathodique (36). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, 5 caractérisé en ce que, si la valeur mesurée (Ornes) est inférieure à un seuil déterminé, alors un signal d'alerte est émis dans l'habitacle du véhicule. 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, si la valeur mesurée (Omes) est inférieure à un seuil 10 déterminé, le fonctionnement de la pile à combustible (12) est interrompu.