Brevet FR2876810A1 — publié le 20060421

Système et procédé de régulation thermique d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile La présente invention concerne un système et un procédé de régulation thermique d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile. La régulation thermique de la pile à combustible est importante, afin qu'il n'y ait pas de surchauffe de la pile, pouvant entraîner des dégradations de la pile. Les piles à combustibles standard de type PEM ("Proton Exchange Membrane" en langue anglaise) comprennent des cellules élémentaires qui se composent notamment d'une plaque bipolaire et d'un assemblage électrodes/membrane couramment appelé MEA ("Membrane Electrodes Assembly" en langue anglaise). Il s'agit d'éléments solides de la pile à combustible. Une pile à combustible comprend également des éléments fluides comprenant les produits obtenus par les réactions électrochimiques qui se déroulent dans la pile à combustible pour fournir de l'énergie électrique. Une telle pile est alimentée en hydrogène à l'anode, par exemple par un reformeur, et en oxygène à la cathode, généralement par un groupe de compression d'air. Des systèmes de régulation thermiques de pile à combustible existent. Les documents US 4 640 873, FR 2 809 535, et JP 9 213357 portent sur des systèmes de régulation thermique d'une pile à combustible dans lesquels la température de la pile est assimilée à la température des éléments fluides. Cependant il existe un écart entre la température des éléments solides de la pile et des éléments fluides de la pile, ce qui entraîne une régulation thermique ayant une efficacité limitée, car elle se base sur la température des éléments fluides et non sur la température des éléments solides L'invention permet d'estimer la température des éléments solides de la pile avec une meilleure précision qu'une assimilation de la température des éléments solides de la pile à la température des éléments fluides de la pile. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un système de régulation thermique d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile comprenant une boucle de circulation d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique de la pile à combustible, des moyens pour alimenter en oxygène et en hydrogène la pile à combustible, et une unité de commande électronique. L'unité de commande électronique comprend un estimateur de la température des éléments solides de la pile à combustible. La température de la pile est alors plus précise, car on n'assimile pas la température des éléments solides à la température des éléments fluides. Dans un mode de réalisation préféré, l'unité de commande électronique comprend, en outre, un module de commande du fonctionnement de la boucle de circulation. Par exemple, l'estimateur comprend des paramètres d'entrées comprenant la température du fluide caloporteur en amont de la pile et la température du fluide caloporteur en aval de la pile à combustible. Par exemple, l'estimateur comprend des paramètres d'entrées comprenant la température des fluides en sortie de la cathode de la pile à combustible. Par exemple, l'estimateur comprend des paramètres d'entrées comprenant la température des fluides en sortie de l'anode de la pile à combustible. Dans un mode de réalisation avantageux, le système comprend un comparateur adapté pour comparer la température des dits éléments solides estimée par l'estimateur, et une température souhaitée desdits éléments solides, mémorisée par l'unité de commande électronique, et pour transmettre ladite comparaison audit module de commande du fonctionnement de la boucle de circulation. Selon l'invention, il est également proposé un procédé de régulation thermique d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile. Le procédé utilise une circulation de fluide caloporteur. On procède à une estimation de la température des éléments solides de la pile à combustible et on effectue une régulation thermique de la pile en fonction de ladite estimation. Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, on agit sur la circulation du fluide caloporteur en fonction de la température estimée des éléments solides de la pile à combustible et d'une température désirée des éléments solides de la pile à combustible. Dans un mode de réalisation avantageux, ladite estimation est effectuée à partir de paramètres comprenant la température du fluide caloporteur en amont de la pile et la température du fluide caloporteur en aval de la pile à combustible, ou à partir de paramètres comprenant la température des fluides en sortie de la cathode de la pile à combustible, ou à partir de paramètres comprenant la température des fluides en sortie de l'anode de la pile à combustible. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante, de quelques modes de réalisations pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrée par les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif de pile à combustible selon l'invention; la figure 2 est un schéma synoptique illustrant un premier mode de réalisation d'un estimateur selon l'invention; la figure 3 est un schéma synoptique illustrant un deuxième mode de réalisation d'un estimateur selon l'invention; la figure 4 est un schéma synoptique illustrant un troisième mode de réalisation d'un estimateur selon l'invention; et la figure 5 est un système de régulation thermique de l'invention. La figure 1 représente un système de régulation thermique de pile à combustible selon l'invention. Le système comprend une pile à combustible PAC comprenant une partie anode A et une partie cathode C. L'anode A est alimentée en reformat riche en dihydrogène, par un reformeur R, et la cathode C est alimentée en air, donc en oxygène, par un groupe de compression d'air GCA. Les fluides de sortie de l'anode A passent par un conduit de sortie SA, et les fluides de sortie de la cathode C passent par un conduit de sortie SC. Le système comprend également une boucle de circulation BC d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique de la pile à combustible PAC. Une portion de cette boucle de circulation BC traversant la pile à combustible PAC est représentée sur la figure 1. Cette boucle de circulation BC comprend également, de manière classique, des échangeurs et des condenseurs. Le fluide caloporteur traversant la pile peut servir à refroidir la pile quand sa température devient trop élevée, et que des dégradations sont à craindre, ou à réchauffer la pile lors d'une phase de démarrage. Le système de régulation thermique comprend également une unité de commande électronique UCE qui comprend un estimateur EST capable d'estimer précisément la température des éléments solides de la pile P AC. La figure 2 représente un premier mode de réalisation d'un estimateur EST. L'estimateur EST reçoit en entrée la pression Pk, avec k=A s'il s'agit de la pression anodique, ou k=C s'il s'agit de la pression cathodique, l'intensité I et la tension U délivrées par la pile, le débit Q de fluide caloporteur, et les températures du fluide caloporteur de la boucle de circulation BC en amont TR F et en aval T RÉFde la pile PAC. Dans ce mode de réalisation, l'estimateur EST utilise les relations suivantes concernant la température des éléments solides de la pile PAC: dTs __ Wtherm(I,U) hA.SA(Ts TOUT) hc.Sc(TS TOUT) href.Sref(Ts T fT) dt MPAC'CP dTOUT TOUT _ TIN h S ref ref ref ref. ref OUT Vref + (TS Tref) dt L ref rref.Cp,ref.VOlref dans lesquelles: TR F, T ÉF sont respectivement les températures du fluide caloporteur en amont et en aval de la pile, en K; TS est la température moyenne des éléments solides de la pile à combustible, en K; Lref est la longueur de la boucle de circulation BC ou circuit de refroidissement, en m; Pref est la masse volumique du fluide caloporteur, en kg/m3; Cp,ref est la capacité calorifique du fluide caloporteur, en J/kg/K; href est le coefficient de convection de la boucle de circulation BC, en W.m-2.K-1; Sref est la surface d'échange thermique entre la boucle de circulation et la pile, en m2; Vref est le volume de fluide caloporteur de la boucle de circulation dans la pile, en m3; Wtherm(I,U) est la puissance thermique dissipée par la pile, en W; hA est le coefficient de convection en entrée du circuit anodique, en W.m-2K-I SA est la surface d'échange entre le circuit anodique et la pile, en m2; hc est le coefficient de convection en entrée du circuit cathodique, en W.m-2K-I Sc est la surface d'échange entre le circuit cathodique et la pile, en m2; T êX est la température de sortie de l'anode des éléments fluides ou gaz, en K T UcT est la température de sortie de la cathode des éléments fluides ou gaz, en K; MPAC est la masse de la pile, en kg Cp est la chaleur calorifique spécifique de la pile à combustible, en J.kg-1 K-' ; On utilise la loi des gaz parfaits: _ P _ k Pk TOUT rk dans laquelle: k représente A ou C; Pk est la densité du gaz anodique si k=A ou cathodique si k=C; Pk est la pression anodique si k=A ou cathodique si k=C; R est la constante des gaz parfaits; et T Ukest T UX si k=A, ou T UcT si k=C. et on simplifie les relations en posant: ak = hk.Sk.L Pk.Cp k.Vk(t) Rk(Pk, Vk) r.ak aref Cp href.Sref où: Cp,k représente la chaleur calorifique spécifique anodique si k=A ou cathodique si k=C, en J.kg-1.K-1; Vk représente la vitesse des gaz anodique si k=A ou cathodique si 25 k=C, en m/s; et L représente la longueur des canaux, en m. On obtient alors les équations: Ts = TOUT + Rk(Pk, Vk)É(1 TOOUT) ak. Lv(TOk UT).N H2o(1) k dans laquelle: TkmTest la température de sortie anodique si k=A ou cathodique si k=C, en K; TTNest la température d'entrée anodique si k=A ou cathodique si k=C, en K; L,, est la chaleur latente de fusion de l'eau, en J/mol; et N HZ0(1) est le débit d'eau liquide en sotie anodique si k=A ou cathodique si k=C, en mol/s; et Ts = aref Q(TrOef T Tre)+T f T à partir de la boucle de circulation dans laquelle Q est le débit de fluide caloporteur, en mol/s. L'estimateur EST peut également utiliser une linéarisation du système non linéaire autour d'un point de fonctionnement. La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d'un estimateur EST. Ce mode de réalisation utilise l'équation: / TIN Ts = T UT + k(Pk, Vk)É(l - T OUT) - akÉLv(TOUT).NkkHTO(1) k J L'estimateur EST reçoit en entrée la pression Pk, avec k=A s'il s'agit de la pression anodique, ou k=C s'il s'agit de la pression cathodique, servant au recalage des coefficients de convection, l'intensité I et la tension U délivrées par la pile le débit Q de fluide caloporteur, et la température des gaz en sortie TOUT de la partie anode A de la pile PAC. La température en entrée TA de la partie anode A est déduite de ces entrées. L'estimateur EST peut également utiliser une linéarisation du système non linéaire autour d'un point de fonctionnement. La figure 4 représente un troisième mode de réalisation d'un estimateur EST. Ce mode de réalisation utilise l'équation: Ts aref.Q(TOUT T ref INref) + TOUTref L'estimateur EST reçoit en entrée la pression Pk, avec k=A s'il s'agit de la pression anodique, ou k=C s'il s'agit de la pression cathodique, servant au recalage des coefficients de convection, l'intensité I et la tension U délivrées par la pile, le débit Q de fluide caloporteur et la température des gaz en sortie TOUTde la partie cathode C de la pile PAC. La température des gaz en entrée TN de la partie cathode C est déduite de ces entrées. L'estimateur EST peut également utiliser une linéarisation du système non linéaire autour d'un point de fonctionnement. La figure 5 représente un mode de réalisation d'un système de régulation thermique selon l'invention. Le système comprend un estimateur tel que précédemment décrit, par exemple celui de la figure 2. Le système comprend un comparateur COMP qui effectue une comparaison entre la température Ts des éléments solides de la pile à combustible PAC estimée par l'estimateur EST, et une température souhaitée TDES mémorisée par l'unité de commande électronique UCE. La comparaison est transmise à un module de commande MC. capable de commander le fonctionnement de la boucle de circulation BC de fluide caloporteur et de ses éléments pour commander le débit Q de fluide caloporteur passant dans la pile PAC et la température d'entrée TSF du fluide caloporteur. L'invention permet de mieux réguler la température d'une pile à combustible, en améliorant la précision d'estimation de la température des éléments solides de la pile à combustible. REVENDICATIONS 1. Système de régulation thermique d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile comprenant une boucle de circulation (BC) d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique de la pile à combustible (PAC), des moyens pour alimenter en oxygène (GCA) et en hydrogène (R) la pile à combustible (PAC), et une unité de commande électronique (UCE), caractérisé en ce que l'unité de commande électronique (UCE) comprend un estimateur (EST) de la température (Ts) des éléments solides de la pile à combustible (PAC). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de commande électronique (UCE) comprend, en outre, un module de commande (MC) du fonctionnement de la boucle de circulation (BC). 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit estimateur (EST) comprend des paramètres d'entrées comprenant la température (TF) du fluide caloporteur en amont de la pile et la température (TREFT) du fluide caloporteur en aval de la pile à combustible (P AC). 4. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit estimateur (EST) comprend des paramètres d'entrées comprenant la température (TcvT) des fluides en sortie de la cathode (C) de la pile à combustible (PAC). 5. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit estimateur (EST) comprend des paramètres d'entrées comprenant la température (TouT) des fluides en sortie de l'anode (A) de la pile à combustible (PAC). 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur (COMP) adapté pour comparer la température (Ts) desdits éléments solides estimée par l'estimateur (EST), et une température souhaitée (TDES) desdits éléments solides, mémorisée par l'unité de commande électronique (UCE), et pour transmettre ladite comparaison audit module de commande (MC) du fonctionnement de la boucle de circulation (BC). 7. Procédé de régulation thermique d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile utilisant une circulation de fluide caloporteur, caractérisé en ce que l'on procède à une estimation de la température (Ts) des éléments solides de la pile à combustible et on effectue une régulation thermique de la pile en fonction de ladite estimation. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'en outre, on agit sur la circulation du fluide caloporteur en fonction de la température estimée (Ts) des éléments solides de la pile à combustible et d'une température désirée (TDES) des éléments solides de la pile à combustible. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite estimation est effectuée à partir de paramètres comprenant la température (TF) du fluide caloporteur en amont de la pile et la température (T EFT) du fluide caloporteur en aval de la pile à combustible, ou à partir de paramètres comprenant la température (Tc'T) des fluides en sortie de la cathode de la pile à combustible, ou à partir de paramètres comprenant la température (7,our) des fluides en sortie de l'anode de la pile à combustible.