Brevet FR2914740A1 — publié le 20081010

"Procédé de détermination du débit volumique d'un fluide circulant dans une canalisation et dispositif associé". L'invention concerne principalement un procédé permettant d'évaluer le débit volumique d'un fluide qui circule dans une canalisation. L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre un tel procédé. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène tel que l'air, le seul produit de la réaction étant l'eau accompagnée d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité. Au sein de la pile à combustible, la réaction chimique globale résultant des réactions se produisant aux électrodes est la suivante : H2 + 1- 02 -* H2O Une pile à combustible peut être utilisée pour fournir l'énergie électrique à tout dispositif tel que par exemple, un ordinateur, un téléphone portable mais elle peut être également utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans un véhicule. Une pile à combustible est constituée d'un assemblage de cellules élémentaires. Une cellule élémentaire 1 est schématiquement 30 représentée sur la figure 1. Chaque cellule élémentaire 1 comporte un électrolyte conducteur protonique 2 qui est pris en sandwich entre deux électrodes poreuses cathodique 3 et anodique 4 et qui assure le transfert électronique entre 35 ces deux électrodes 3, 4. A cet effet, l'électrolyte 2 peut être une membrane polymère échangeuse de protons d'épaisseur de 20 à 200 m, la pile résultante étant une pile de type à membrane échangeuse de protons ou dite pile PEMFC. L'ensemble constitué par l'électrolyte 2 et les deux électrodes 3,4 forme un assemblage membrane électrodes (AME) 5 qui est lui-même pris en sandwich entre des première 6 et deuxième 7 plaques bipolaires réalisées en un matériau électriquement conducteur. Les deux demi-réactions conduisant à la réaction de synthèse de l'eau précitée sont : A l'anode : H2- 2H+ + 2e- A la cathode : 02 + 2H+ + 2e-H2O. Pour assurer le fonctionnement d'une telle pile à combustible, la cathode doit être alimentée en oxygène, provenant généralement de l'air dans les applications automobiles. Pour cela, est prévu une branche d'admission en air 8 et une sortie d'air 9. Et l'anode doit être alimentée en hydrogène. A cet effet, est prévue une branche d'admission en hydrogène 10 20 et une sortie en hydrogène 11. Certains circuits de fluide traversant une telle cellule élémentaire nécessitent d'être contrôlés en terme de débit. Par exemple, en référence à la figure 2, il est 25 connu de prévoir une boucle de recirculation 12 qui permet d'assurer la circulation des gaz issus de la sortie 4a de l'anode 4 via un circulateur 13 et de le mélanger à de l'hydrogène pur circulant dans la branche d'admission en hydrogène 14 issue d'une alimentation en 30 hydrogène pur 15 et alimentant l'entrée 4b de l'anode 4. Le circulateur 13, qui peut être une pompe ou un éjecteur, est soumis à des conditions de fonctionnement délicates, et notamment, toute présence d'eau liquide dans ce circulateur 13 doit être évitée. 35 C'est pourquoi un séparateur 16 permet de collecter et de séparer l'eau présente sous forme liquide des autres espèces présentes dans le gaz issu de la sortie 4a de l'anode 4, tels que l'hydrogène, l'azote et la vapeur d'eau, ces dernières étant introduites dans la boucle de recirculation 12 décrite précédemment. Cette opération de recirculation des espèces issues des réactions anodiques permet d'une part de brasser toutes ces espèces, et d'autre part de participer à l'humidification du gaz d'alimentation de l'anode circulant dans la branche d'admission 14, ces deux fonctions participant au bon fonctionnement de la pile à combustible. Pour maîtriser l'humidification du gaz d'alimentation, le fonctionnement du circulateur doit être maîtrisé. Pour cela, il peut être nécessaire de connaître le 15 débit volumique du gaz circulant dans la boucle de recirculation 12. Une mesure de ce débit est possible grâce à un capteur placé sur la boucle de recirculation 12. Mais la présence d'un tel capteur engendre une perte de charge 20 qui entraîne un surdimensionnement au niveau du circulateur 13 afin de compenser cette perte de charge, et donc une surconsommation électrique et une baisse du rendement du système conséquente. Il existe des débitmètres volumiques non intrusifs, 25 c'est-à-dire ne créant pas de perte de charge, mais ce type de débitmètre n'est pas forcément adapté à une boucle de recirculation en hydrogène d'une cellule de pile à combustible et entraînent un coût et une contrainte d'intégration supplémentaire. 30 Un autre exemple de circuits de fluide en contact avec la cellule élémentaire 1 et nécessitant une mesure de débit volumique est le circuit de refroidissement qui permet de maîtriser la température de la pile. En effet, les réactions chimiques induites dans les 35 électrodes cathodiques 4 et anodiques 3 sont exothermiques. La chaleur dégagée par ces réactions est captée par un circuit de refroidissement 17 schématisé sur la figure 3. En référence à cette figure, un circuit de refroidissement 17 comporte un module de refroidissement 18 et une pompe 19 assurant la circulation du fluide caloporteur, ce circuit traversant la pile au moyen de canaux schématisés par une cellule 20 faisant partie de la cellule élémentaire 1 de pile à combustible. Le fluide caloporteur peut être de l'eau ou tout autre liquide de refroidissement tel que de l'eau glycolée. Le refroidissement de la pile devant être contrôlé, le fonctionnement de la pompe doit être maîtrisé. Pour ce faire, il est nécessaire de connaître le débit volumique du fluide circulant à travers la pompe 19. Une mesure de ce débit est possible avec un capteur placé sur le circuit de refroidissement 17 mais l'inconvénient majeur de cette solution est, comme dans le cas de la boucle de recirculation en hydrogène, la création d'une perte de charge qui entraîne un surdimensionnement au niveau de la pompe afin de compenser ces pertes, ainsi qu'une surconsommation électrique et une baisse du rendement du système. Et les débitmètres volumiques non intrusifs ne sont, comme expliqué précédemment, pas forcément adaptés et entraînent un coût supplémentaire. Il est donc proposé dans le cadre de l'invention, un procédé permettant de déterminer le débit volumique d'un fluide circulant dans une canalisation en évitant l'utilisation d'un débitmètre volumique. A cet effet, le procédé de détermination du débit volumique d'un fluide qui circule dans une canalisation de l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes de : mesure de l'évolution de la température du fluide en un premier point de la canalisation (12,17) et obtention d'un premier profil oscillant de température (25), mesure de l'évolution de la température du fluide en un deuxième point de la canalisation (12,17) et obtention d'un deuxième profil oscillant de température (28), évaluation du retard At du deuxième profil (28) sur le premier profil (25), et détermination du débit volumique du fluide Qv dans la canalisation par la relation : V Qv û At où V est le volume de la canalisation entre les premier et deuxième points. Selon une première variante, le fluide est un fluide caloporteur qui circule dans un circuit de refroidissement de cellule de pile à combustible 1. Selon une deuxième variante, le fluide est un gaz qui circule dans un circuit de recirculation en hydrogène d'une cellule de pile à combustible 1. L'invention porte également sur un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé précédemment décrit, qui comporte des premier et deuxième capteurs de température disposés respectivement en des premier et deuxième points d'une canalisation. Selon la première variante, les premier et deuxième 30 capteurs sont disposés sur un circuit de refroidissement de pile à combustible. Selon la deuxième variante, les premier et deuxième capteurs sont disposés sur un circuit de recirculation en hydrogène d'une cellule de pile à combustible. 35 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant deux variantes de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une cellule de pile à combustible de l'art antérieur, - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de recirculation de l'hydrogène de l'art antérieur, la figure 3 est une représentation schématique d'un circuit de refroidissement d'une pile à combustible de l'art antérieur ; la figure 4 est une représentation schématique du dispositif de l'invention selon une première variante appliqué au circuit de recirculation en hydrogène de la figure 2; la figure 5 est une représentation schématique du dispositif de l'invention selon une deuxième variante appliqué au circuit de refroidissement de la figure 3 ; la figure 6A représente le profil du débit de la pompe du circuit de refroidissement ou de la boucle de recirculation, ou le profil du signal électrique généré par la pile ; - la figure 6B représente le profil de la température de la pile ; la figure 6C représente le profil de la température prise en un premier point de la canalisation; et la figure 6D représente le profil de la 30 température prise en un deuxième point de la canalisation. Les éléments communs au dispositif de l'art antérieur de la figure 2 et au dispositif de l'invention de la figure 4 porteront les mêmes références. 35 Il en est de même des éléments communs au dispositif de l'art antérieur de la figure 3 et au dispositif de l'invention de la figure 5. En référence à la figure 4 et conformément à la première variante de l'invention, le circuit de recirculation en hydrogène 12 comporte un premier capteur de température 21 situé en un premier point du circuit et un deuxième capteur de température 22 situé en un deuxième point du circuit. La mesure faite par le premier capteur 21 permet d'obtenir le profil oscillant 25 de la température dans la canalisation au premier point représenté sur la figure 6C. Les oscillations de ce profil sont périodiques, entraînées par les oscillations périodiques 26 en phase de la température de la pile 1 représentées sur la figure 6B, elles même en phase avec les oscillations périodiques 27 du débit de la pompe formant circulateur 13 ou de la puissance électrique générée par la pile représentées sur la figure 6A. Et la mesure faite par le deuxième capteur 22 permet d'obtenir le profil oscillant 28 de la température au deuxième point représenté sur la figure 6C. Ce profil oscillant est également périodique et présente un déphasage ou retard At par rapport au profil de la température 25 de la figure 6C prise au premier point. A partir de cette mesure du déphasage At et du volume V des canalisations entre les premier et deuxième points de mesure de la température, il est alors possible de déterminer le débit volumique du gaz circulant dans la boucle de recirculation 12 selon la relation suivante : V Qv ù At où Qv est le débit volumique du gaz que l'on cherche à déterminer, où V est le volume des canalisations entre les premier et 35 deuxième points de mesure de la température, et où At est le déphasage mesuré.30 En référence à la figure 5 et conformément à la deuxième variante de l'invention, le circuit de refroidissement 17 comporte un premier capteur de température 23 situé en un premier point du circuit et un deuxième capteur de température 24 situé en un deuxième point du circuit. La mesure faite par le premier capteur 23 permet d'obtenir le profil oscillant 25 de la température au premier point représenté sur la figure 6C. Les oscillations de ce profil sont périodiques entraînées par les oscillations périodiques 26 en phase de la température de la pile représentées sur la figure 6B, elles même en phase avec les oscillations périodiques 27 du débit de la pompe 19 de refroidissement ou de la puissance électrique générée par la pile représentées sur la figure 6A. Et la mesure faite par le deuxième capteur 24 permet d'obtenir le profil oscillant 28 de la température au deuxième point représenté sur la figure 6C. Ce profil oscillant 28 est également périodique et présente un déphasage ou retard At par rapport au profil de la température 25 de la figure 6C prise au premier point. A partir de cette mesure du déphasage At et du volume V des canalisations du circuit de refroidissement 17 entre les premier et deuxième points de mesure de la température, il est alors possible de déterminer le débit volumique du fluide circulant dans le circuit de refroidissement 17 selon la relation suivante : V Qv ù At où Qv est le débit volumique du fluide que l'on cherche à déterminer, où V est le volume des canalisations entre les premier et 35 deuxième points de mesure de la température, et où At est le déphasage mesuré.30 Pour qu'un déphasage ou retard At puisse être estimé, le profil des températures prises respectivement par le premier 21,23 et le deuxième 22,24 capteur doit être oscillant. Pour cela, le circuit ou la canalisation de fluide dont on souhaite connaître le débit volumique doit être en contact avec un système induisant de telles oscillations. Dans les exemples précédemment décrits, ce sont soit les oscillations de la puissance électrique délivrée par la pile à combustible à travers laquelle circule l'hydrogène ou le fluide caloporteur, soit les oscillations du débit de la pompe 19 du circuit de refroidissement 17 ou les oscillations périodiques du débit de la pompe formant circulateur 13 du circuit de recirculation en hydrogène 12 qui induisent un profil oscillant 26 de température dans la cellule 1 de la pile, et donc des profils oscillants de la température du fluide prise au premier 21,23 et deuxième 22,24 points de la canalisation considérée. Le procédé de l'invention permet donc d'évaluer de débit volumique d'un fluide circulant dans une canalisation en se passant d'un débitmètre volumique. Dans le cas d'un remplacement d'un débitmètre volumique non intrusif, cette méthode évite un surdimensionnement de la pompe et donc une surconsommation électrique. Par ailleurs, l'absence de débitmètre rend moins coûteux le système et facilite l'intégration de la pile à combustible notamment dans le cas d'une application dans le domaine de l'automobile. Il peut également être envisagé de doubler cette évaluation du débit volumique par la présence d'un débitmètre, cette redondance permettant alors de diagnostiquer une éventuelle défaillance de la mesure et donc de fiabiliser le système. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination du débit volumique d'un fluide qui circule dans une canalisation, le dit procédé 5 comprenant au moins les étapes de : mesure de l'évolution de la température du fluide en un premier point de la canalisation (12,17) et obtention d'un premier profil oscillant de température (25), 10 mesure de l'évolution de la température du fluide en un deuxième point de la canalisation (12,17) et obtention d'un deuxième profil oscillant de température (28), évaluation du retard At du deuxième profil (28) sur 15 le premier profil (25), et détermination du débit volumique du fluide Qv dans la canalisation par la relation : V Qv ù At 20 où V est le volume de la canalisation entre les premier et deuxième points. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est un fluide caloporteur qui circule 25 dans un circuit de refroidissement (17) de cellule de pile à combustible 1. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est un gaz qui circule dans un circuit de recirculation en hydrogène (12) d'une cellule 30 de pile à combustible 1. 4. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des premier (21,23) et deuxième (22,24) capteurs de température disposés respectivement en des 35 premier et deuxième points d'une canalisation (12,17). 5. Dispositif selon la revendication 4 pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 2, caractériséen ce que les premier (23) et deuxième (24) capteurs sont disposés sur un circuit de refroidissement (17) de pile à combustible (1). 6. Dispositif selon la revendication 5 pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier (21) et deuxième (22) capteurs sont disposés sur un circuit de recirculation en hydrogène (12) d'une cellule de pile à combustible.