Brevet FR2877497A1 — publié le 20060505

Dispositif et procédé de commande d'une quantité de carburant injectée dans un reformeur de système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile La présente invention concerne un dispositif et un procédé de commande d'une quantité de carburant injectée dans un reformeur de système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile. Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Un brûleur est généralement associé au reformeur, et permet de vaporiser les réactifs alimentant le reformeur. La quantité de hydrogène devant être produite par le reformeur doit être supérieure à celle nécessaire pour la pile à combustible. En effet, il faut également tenir compte d'une quantité de hydrogène nécessaire au brûleur. Pour cela il est important de pouvoir estimer précisément la quantité de hydrogène à fournir au système de pile à combustible par le reformeur, notamment pour pouvoir commander l'injection de carburant dans le reformeur en fonction des besoins en hydrogène du système de pile à combustible. Le document US 6 306 521 porte sur un procédé de commande de la température de sortie d'un brûleur de système de pile à combustible, pour réguler la quantité d'énergie fournie au reformeur par le brûleur. Le document US 6 585 785 décrit un système de régulation de la température du brûleur permettant au brûleur de fournir l'énergie nécessaire au reformeur pour fournir la quantité d'hydrogène demandée par la pile à combustible. Le document US 6 374 166 propose une procédure de surveillance d'un véhicule comprenant une pile à combustible, basée sur la température du brûleur. Selon le résultat d'une comparaison entre la température du brûleur et une température critique, l'unité de contrôle électronique du véhicule détermine si le véhicule fonctionne normalement, et sinon commande, si besoin est, l'arrêt du véhicule. Le document US 2001/014414 porte sur une gestion de l'effet de la variation de la composition du reformât sur la température du brûleur au moyen d'un estimateur de concentrations. Le document EP 0 393 694 décrit un dispositif de commande du débit d'air injecté dans le brûleur à partir de la teneur en oxygène présente dans les gaz de combustion du brûleur mesurée par un capteur. Le document US 2002/182460 porte sur un procédé de contrôle de la variation de la température en sortie du brûleur en fonction de l'alimentation en carburant du brûleur. Aucun de ces documents ne décrit de système de commande d'un reformeur de système de pile à combustible tenant compte à la fois de la quantité de hydrogène nécessaire à la pile à combustible et au brûleur. Selon l'invention, il est proposé un dispositif de commande d'une quantité de carburant injectée dans un reformeur de système de pile à combustible, embarqué sur un véhicule automobile, comprenant un groupe de compression d'air pour alimenter en air la pile à combustible, un brûleur associé au reformeur, et une unité de commande électronique. Le brûleur est alimenté en carburant comprenant au moins en partie de l'hydrogène en excès provenant de la pile à combustible. L'unité de commande électronique comprend: - un estimateur du débit d'hydrogène en sortie du reformeur à partir de paramètres de fonctionnement du brûleur; et des moyens de commande de la quantité de carburant injectée dans le reformeur. L'invention permet de commander l'alimentation en carburant du reformeur à partir de données liées au brûleur, afin de pouvoir fournir assez d'hydrogène à la pile à combustible et au brûleur. Cette estimation est faisable à faible coût puisque généralement de nombreux paramètres de fonctionnement du brûleur sont déjà disponibles. Dans un mode de réalisation préféré, lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur comprennent le débit d'alimentation en air du brûleur et la richesse de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur. Les paramètres de fonctionnement du brûleur sont mesurés par des capteurs ou estimés par des moyens d'estimation. Ces paramètres de fonctionnement sont faciles à mesurer, au moyen d'un débitmètre et d'une sonde. L'instrumentation mise en oeuvre à ces fins est donc simple et peu coûteuse. Dans un mode de réalisation avantageux, les moyens de commande de la quantité de carburant injectée dans le reformeur comprennent des paramètres d'entrée comprenant un débit d'hydrogène désiré en sortie du reformeur et le débit d'hydrogène en sortie du reformeur estimé par l'estimateur. Dans un premier exemple, lesdits moyens de commande comprennent un régulateur Proportionnel Intégrale Dérivée Dans deuxième exemple, lesdits moyens de commande sont adaptés pour minimiser un critère donné par la relation: c (QCarb)2 +OC2(Qest Q 2t H deHZs)2 dans laquelle: l et a, sont des coefficients de pondération; QCarb est le débit de carburant injecté dans le reformeur; QHZ est le débit d'hydrogène désiré en sortie du reformeur; et QHZ est le débit d'hydrogène estimé par l'estimateur. Avantageusement, l'estimateur est adapté pour calculer un correctif de ladite estimation du débit d'hydrogène en sortie du reformeur en résolvant un système d'équations vectorielles faisant intervenir le temps. De plus, lorsque le brûleur est alimenté en outre en un carburant provenant d'un réservoir embarqué, lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur comprennent en outre le débit de carburant injecté dans le brûleur. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend des moyens de commande de la quantité d'air injectée dans le brûleur à partir de la richesse et d'une richesse désirée de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur. Selon l'invention, il est également proposé un procédé de commande d'une quantité de carburant injectée dans un reformeur de système de pile à combustible, embarqué sur un véhicule automobile, comprenant un brûleur associé au reformeur. Le brûleur est alimenté en carburant comprenant au moins en partie de l'hydrogène en excès provenant de la pile à combustible. On estime un débit d'hydrogène en sortie du reformeur à partir de paramètres de fonctionnement du brûleur, et on commande une quantité de carburant injectée dans le reformeur. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur comprennent le débit d'alimentation en air du brûleur et la richesse de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur, lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur étant mesurés par des capteurs ou estimés par des moyens d'estimation. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, on commande la quantité de carburant injectée dans le reformeur à partir de paramètres d'entrée comprenant un débit d'hydrogène désiré en sortie du reformeur et le débit estimé d'hydrogène en sortie du reformeur. Avantageusement, ladite estimation du débit d'hydrogène en sortie du reformeur utilise un correctif de ladite estimation en résolvant un système d'équations vectorielles faisant intervenir le temps. En outre, on commande la quantité d'air injectée dans le brûleur à partir de la richesse et d'une richesse désirée de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur comprennent en outre le débit de carburant injecté dans le brûleur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, de quelques exemples nullement limitatifs, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif selon l'invention; la figure 2 est un schéma illustrant un premier mise en oeuvre du procédé selon l'invention au moyen d'un premier mode d'estimation; - la figure 3 est un schéma synoptique illustrant un estimateur utilisant un deuxième mode d'estimation; - la figure 4 est un schéma illustrant une deuxième mise en oeuvre du procédé selon l'invention; et - la figure 5 est un schéma illustrant une troisième mise en oeuvre du procédé selon l'invention au moyen du deuxième mode d'estimation illustré par la figure 3. La figure 1 représente un dispositif selon l'invention, embarqué dans un véhicule automobile. Le dispositif comprend une pile à combustible 1 comprenant une partie anode A et une partie cathode C, un reformeur 2 pour alimenter en hydrogène la pile à combustible 1, ledit reformeur 2 étant associé à un brûleur 3, par exemple un brûleur catalytique, permettant de chauffer l'ensemble du dispositif, lors de la phase de démarrage, ainsi que de réguler la température lors du fonctionnement nominal. Le brûleur 3 apporte également l'énergie nécessaire à la réaction de reformage et permet d'oxyder le monoxyde de carbone CO quand il utilise un retour des gaz de sortie de l'anode de la pile à combustible 1. Le brûleur 3 permet également de fournir l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau et du carburant nécessaires au reformeur 2. Le dispositif comprend également un groupe de compression d'air 4, qui alimente en oxygène, généralement sous forme d'air comprimé, la pile à combustible 1, et le brûleur 3, respectivement par des conduits 5 et 6. Le groupe de compression d'air 4 alimente également en air un réacteur d'oxydation préférentielle 7 par un conduit 8. Le dispositif comprend, en outre, une unité de commande électronique 9, utilisée également pour d'autres buts tels que le contrôle de stabilité du véhicule ou du freinage, connectée au reformeur 2, au brûleur 3, à la pile à combustible 1 et au groupe de compression d'air 4 respectivement par des connexions 10, 11, 12 et 13. Le système comprend également un dispositif d'alimentation en carburant 14, comprenant un réservoir de carburant, relié à l'unité de commande électronique 9 par une connexion 15. Ce dispositif d'alimentation en carburant 14 permet d'alimenter en carburant le brûleur 3 et un vaporisateur 16 qui vaporise l'eau et le carburant en entrée du reformeur 2. Le brûleur 3 et le vaporisateur 16 sont respectivement alimentés en carburant par des conduits 17 et 18. En sortie du reformeur sont présents deux réacteurs 19 et 20 de réaction de gaz à l'eau, respectivement à haute et basse température. Ces deux réacteurs 19 et 20, ainsi que le réacteur 7 d'oxydation préférentielle permettent de diminuer fortement la teneur en monoxyde de carbone CO le reformât alimentant la pile à combustible 1, car le monoxyde de carbone CO empoisonne les piles à combustible. Divers échangeurs de chaleur 21, 22, et 23 sont présents pour refroidir des courants gazeux. Le système comprend également divers condenseurs 24, 25 et 26 permettant de récupérer de l'eau et de l'envoyer, respectivement par des conduits 27, 28 et 29 dans un dispositif d'alimentation en eau 30, comprenant un réservoir d'eau, permettant notamment d'alimenter le vaporisateur 16 en eau par un conduit 31. Les gaz de sortie du brûleur 3 sont amenés au vaporisateur 16 par un conduit 32 permettant de fournir l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau et du carburant fournis au reformeur 2 par un conduit 33. Le reformât est ensuite amené successivement aux réacteurs 19, 20 et 7 pour être fortement appauvri en monoxyde de carbone, par des conduits 34, 35 et 36. Enfin, le reformât, en sortie du réacteur d'oxydation préférentielle 7, est amené au condenseur 24 par un conduit 37. Le reformât en sortie du condenseur 24 alimente alors la partie anode A de la pile à combustible 1 par un conduit 38. Les gaz de sortie de l'anode A sont amenés au condenseur par un conduit 39. Les gaz de sortie du condenseur 25 alimentent alors le brûleur 3 par un conduit 40. Les gaz de sortie de la partie cathode C de la pile à combustible 1, sont amenés au condenseur 26 par un conduit 41, avant d'être rejetés dans l'atmosphère par un conduit 42. Le dispositif d'alimentation en eau 30 est également commandé par l'unité de commande électronique 9 par l'intermédiaire d'une connexion 43. L'unité de commande électronique 9 comprend un estimateur 44 du débit d'hydrogène QHz en sortie du reformeur 2, et des moyens de commande 45 de la quantité de carburant Qcarb injectée dans le reformeur 2. Le dispositif comprend en outre un débitmètre 46 pour mesurer le débit QAir de l'alimentation en air du brûleur 3 et une sonde 47 de mesure de la richesse R de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur 3. Le débitmètre 46 et la sonde 47 sont respectivement reliés à l'unité de commande électronique 9 par des connexions 48 et 49. Dans une variante de réalisation, ce capteur 46 et/ou cette sonde 47 peuvent être remplacés par des dispositifs d'estimation de ces données en fonction de paramètres déjà disponibles. Dans cet exemple, on a également représenté un module de commande optionnel 50 de la quantité d'air injectée dans le brûleur 3. Ce module de commande 50 utilise la richesse R mesurée par la sonde 47, et une richesse désirée Rc s, prédéterminée et mémorisée, de la combustion du hydrogène dans le brûleur 3. La figure 2 illustre un premier mode de fonctionnement de l'invention. Le débitmètre 46 et la sonde 47 transmettent respectivement débit QAir d'alimentation en air du brûleur 3 et la richesse R de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur 3 à l'estimateur 44. L'estimateur 44 estime alors, à partir de ces données d'entrée, ou paramètres de fonctionnement, du brûleur 3, le débit de hydrogène QHz en sortie du reformeur 2. Cette estimation est effectuée au moyen de la relation suivante obtenue à partir de l'équation de combustion de l'hydrogène se déroulant au sein du brûleur (H2+1(O2+3,76N2)--H2O+3'76N2) et d'une expression du rendement en hydrogène ou mieux encore, d'une expression du rendement thermique du reformeur: QCarb = R(Ra,1).QAir.R dans laquelle: QCarb est le débit de carburant alimentant le reformeur 2, en kg/s; Ra est la surstcechiométrie anodique, adimensionnelle, représentant l'excès d'hydrogène envoyé à la pile; r est le rendement en hydrogène, ou thermique, adimensionnel; R(Ra,1) est une fonction prédéterminée, adimensionnelle; QA,r est le débit d'alimentation en air du brûleur 3, en kg/s; et 2877497 9 R est la richesse de la combustion de l'hydrogène se déroulant au sein du brûleur 3, adimensionnelle; dans laquelle: mai,. 0 est le débit massique stoechiométrique d'air, en kg/s; mair1 est le débit massique réel d' air, en kg/s; mHZeehi0 est le débit massique stoechiométrique d' hydrogène, en kg/s; mH21 est le débit massique réel d'hydrogène, en kg/s, Astoechio est le rapport des débits massiques stoechiométriques d'air et d'hydrogène, adimensionnel; et Arée, est le rapport des débits massiques réels d'air et d'hydrogène, adimensionnel; Le débit estimé de hydrogène QHZ en sortie du reformeur 2 est envoyé sur une entrée négative d'un sommateur 51, et un débit de hydrogène désiré QH2 en sortie du reformeur 2 est fourni sur une entrée positive du sommateur 51. La différence entre ces deux débits de hydrogène, estimé et mesuré, est fournie en entrée du module de commande 45 de la quantité de carburant Qcarb injectée dans le reformeur 2. Cette différence détermine le débit de carburant Qcarb à injecter dans le reformeur 2. Le reformeur 2 produit alors de l'hydrogène pour la pile à combustible 1, et pour le brûleur 3 utilisant l'hydrogène non consommé par la pile 1. Il s'agit d'un système bouclé. Le module de commande 45 de la quantité de carburant Qcarb injectée dans le reformeur 2 est, par exemple, un régulateur PID (Proportionnel Intégrale Dérivée) qui permet d'améliorer le avec la relation: R = Astoechio réel réel mair 2877497 10 temps de réponse et la précision, et de rejeter les différentes perturbations. Le module de commande 45 commande alors un système d'injection pour réguler la quantité de carburant injectée dans le reformeur 2. Dans une variante, le module de commande 45 de la quantité de carburant QCarb injectée dans le reformeur 2 minimisent un critère donné par la relation: s l(Qcarb)2 + a2 (QestH2t QdeH2)2 dans laquelle: al et a2 sont des coefficients de pondération; Qcarb est le débit de carburant injecté dans le reformeur; QHZ est le débit de hydrogène désiré en sortie du reformeur; et QH2 est le débit de hydrogène estimé par l'estimateur. La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation de l'estimateur 44 selon l'invention. On dispose d'un modèle du taux de réaction dans un brûleur, et on considère le vecteur de concentrations des espèces: t X[CCO;CCO2;CH2;CH2O;CO21 on obtient le système: i_dX= r(X,R,a) dt Y=CX dans lequel r est le taux de réaction dans le brûleur 3, a est un artifice mathématique, Y représente un vecteur de mesure, et C représente un vecteur dont chaque composante vaut 0 ou 1 en fonction de l'existence ou non d'un capteur de mesure de la concentration de l'espèce associée. Par exemple, si on ne dispose que d'un capteur de monoxyde de carbone CO, alors, pour le vecteur X= t[CCO.Cco2;CHZ;CH2o;Co2], on a C=[1;0;0;0;0], et la mesure sera Y = [CCO] 2877497 11 Le taux de réaction r fixe la dynamique de la réaction en décrivant une cinétique chimique et en utilisant comme entrée les concentrations des espèces C, la richesse du mélange R, et la composition du carburant a, le carburant pouvant être un mélange de carburants (éthanol, essence, diesel, gaz naturel). On construit alors un vecteur k d'estimation du vecteur X de la manière suivante: où K est une matrice ou une fonction non linéaire de son argument choisie de façon à assurer la convergence de l'erreur e = X X, entre le système réel et l'estimation, vérifiant l'équation: d =r(X+e,R,a) r(X,R,a) KCe. Lorsque l'erreur e converge vers 0, X converge vers X. Cette estimation permet de calculer encore plus précisément les concentrations en sortie du brûleur 3. La température sert au recalage. Puis, à partir du vecteur X comprenant les concentrations des espèces en sortie du brûleur, on calcule le débit d'hydrogène Q "t en sortie du reformeur 2, par un estimateur. La figure 4 illustre un autre dispositif selon l'invention est une variante de la figure 2, dans laquelle on commande en outre l'injection d'air dans le brûleur 3 au moyen d'un module 50 de commande d'injection d'air. Le module 50 reçoit en entrée le débit d'alimentation en air du brûleur 3 mesuré par le débitmètre 46, ainsi que la sortie d'un sommateur 5 3. Le sommateur 53 reçoit sur une entrée négative la richesse R de la combustion âX =r(X,R,a)+K(Y-Y^ ) @=CX d'hydrogène dans le brûleur 3, et sur une entrée positive une richesse désirée Rdes On régule alors également une régulation du brûleur par rapport à un richesse désirée Rdes, dans le cas d'un brûleur 5 n'utilisant qu'un seul carburant, l'hydrogène. La figure 5 illustre une autre mise en oeuvre du procédé selon l'invention au moyen du deuxième mode d'estimation illustré par la figure 3. On a en outre une régulation du brûleur 3 par rapport à un richesse désirée Rdes, dans le cas d'un brûleur utilisant plusieurs carburants, dont l'hydrogène. L'invention permet d'estimer le débit d'hydrogène en sortie d'un reformeur de système de pile à combustible à partir de paramètres de fonctionnement du brûleur, et d'utiliser cette estimation pour commander l'injection de carburant dans le reformeur. L'invention permet d'améliorer les performances du système de pile à combustible à un coût très faible. 13 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'une quantité de carburant injectée dans un reformeur (2) de système de pile à combustible, embarqué sur un véhicule automobile, comprenant un groupe de compression d'air (4) pour alimenter en air la pile à combustible (1), un brûleur (3) associé au reformeur (2), le brûleur (3) étant alimenté en carburant comprenant au moins en partie de l'hydrogène en excès provenant de la pile à combustible (1), et une unité de commande électronique (9), caractérisé en ce que l'unité de commande électronique (9) comprend: un estimateur (44) du débit d'hydrogène (QHZ) en sortie du reformeur (2) à partir de paramètres de fonctionnement du brûleur (3) ; et des moyens de commande (45) de la quantité de carburant (Qcarb) injectée dans le reformeur (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur (3) comprennent le débit (QAir) d'alimentation en air du brûleur (3) et la richesse (R) de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur (3), lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur (3) étant mesurés par des capteurs ou estimés par des moyens d'estimation. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (45) de la quantité de carburant 25 (Qcarb) injectée dans le reformeur (2) comprennent des paramètres d'entrée comprenant un débit d'hydrogène désiré (QHZ) en sortie du reformeur (2) et le débit d'hydrogène (QHZ) en sortie du reformeur (2) estimé par l'estimateur (44). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 30 caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (45) comprennent un régulateur Proportionnel Intégrale Dérivée. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (45) sont adaptés pour minimiser un critère donné par la relation: al (QCarb)2+ a2 (Qest Hz QHdes2)2 dans laquelle: a, et al sont des coefficients de pondération; Qcarb est le débit de carburant injecté dans le reformeur (2) ; QHz est le débit d'hydrogène désiré en sortie du reformeur (2) ; et QH2 est le débit d'hydrogène estimé par l'estimateur (44). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'estimateur (44) est adapté pour calculer un correctif de ladite estimation du débit d'hydrogène (Q,_,2) en sortie du reformeur (2) en résolvant un système d'équations vectorielles faisant intervenir le temps. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, lorsque le brûleur est alimenté en outre en un carburant provenant d'un réservoir embarqué, lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur (3) comprennent en outre le débit de carburant (QCarbur) injecté dans le brûleur (3). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commande (50) de la quantité d'air injectée dans le brûleur (3) à partir de la richesse (R) et d'une richesse désirée (Raes) de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur (3). 9. Procédé de commande d'une quantité de carburant injectée dans un reformeur (2) de système de pile à combustible, embarqué sur un véhicule automobile, comprenant un brûleur (3) associé au reformeur (2), le brûleur (3) étant alimenté en carburant comprenant au moins en partie de l'hydrogène en excès provenant de la pile à combustible (1) caractérisé en ce que: on estime un débit d'hydrogène (QH2) en sortie du reformeur (2) à partir de paramètres de fonctionnement du brûleur (3) ; et - on commande une quantité de carburant (Qcarb) injectée dans le reformeur (2). 2877497 15 10.Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur (3) comprennent le débit (QAir) d'alimentation en air du brûleur (3) et la richesse (R) de la combustion de l'hydrogène dans le brûleur (3), lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur (3) étant mesurés par des capteurs ou estimés par des moyens d'estimation. 11.Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'on commande la quantité de carburant (Qcarb) injectée dans le reformeur (2) à partir de paramètres d'entrée comprenant un débit d'hydrogène désiré (QHZ) en sortie du reformeur (2) et le débit estimé d'hydrogène (QHZ) en sortie du reformeur (2). 12.Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite estimation du débit d'hydrogène (QHZ) en sortie du reformeur (2) utilise un correctif de ladite estimation en résolvant un système 15 d'équations vectorielles faisant intervenir le temps. 13.Procédé selon l'une quelconque des revendication 9 à 12, caractérisé en ce que l'on commande en outre la quantité d'air injectée dans le brûleur (3) à partir de la richesse (R) et d'une richesse désirée (Rdes) de la combustion du hydrogène dans le brûleur (3). 14.Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits paramètres de fonctionnement du brûleur (3) comprennent en outre le débit de carburant (Qbb injecté dans le brûleur (3)