Brevet FR2928776A1 — publié le 20090918

B07/2883FR û AxC/EVH Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de pile à combustible et procédé de commande Invention de : Vincent LE LAY Karim BEN-CHERIF Fedh BEN-AICHA Damiano DI-PENTA Nicolas ROMANI 2 Système de pile à combustible et procédé de commande La présente invention concerne un système de pile à combustible et un procédé de commande associé, notamment pour être embarqué à bord d'un véhicule automobile. Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie, par exemple pour des applications stationnaires, ainsi que dans les domaines aéronautique et automobile. Une pile à combustible comprend des plaques bipolaires servant à la distribution des fluides ainsi qu'au transfert des électrons, et des ensembles membrane-électrodes ou MEA ("Membrane Electrodes Assembly" en langue anglaise) qui sont le lieu des réactions électrochimiques et des transferts de protons. Un ensemble membrane-électrodes comprend des électrodes et une membrane. A l'anode, se produit l'oxydation de l'hydrogène avec production d'électrons et de protons. A la cathode, se produit la réduction de l'oxygène, mettant en jeu les électrons qui ont été véhiculés par les plaques bipolaires, et les protons qui ont été transférés au travers de la membrane échangeuse d'ions. La membrane est un élément fragile dont dépendent grandement les performances et la longévité de la pile à combustible. Afin de préserver la membrane, il faut respecter des contraintes concernant la différence de pression entre les deux faces de la membrane, l'humidité de la membrane, et l'empoisonnement au monoxyde de carbone CO. La différence de pression entre les deux faces de la membrane (pression à l'anode - pression à la cathode) doit rester faible pour éviter un déchirement de la membrane. Il convient par exemple de garantir une différence de pression quasiment nulle en fonctionnement stabilisé de la pile et inférieure à 0,5 bar en régime transitoire. 3 La membrane fonctionnant comme une éponge mise en température et sous pression, il faut assurer une humidification suffisante pour ne pas assécher � l'éponge � mais pas trop importante afin de ne pas inonder � l'éponge �. La gestion de l'humidité de la membrane en régime transitoire est délicate. Le gaz de reformat, riche en hydrogène, fourni par un reformeur à l'anode de la pile à combustible, contient du monoxyde de carbone CO qui, même en très faible quantité, peut s'accumuler au niveau de la pile à combustible et sérieusement dégrader les performances de la pile à combustible, et même dégrader la pile à combustible. Un catalyseur est présent à l'anode de la pile à combustible pour améliorer le mécanisme électrochimique anodique. Le monoxyde de carbone CO peut se fixer, de manière réversible, sur des sites d'adsorption du catalyseur, et limiter ainsi l'effet de ce catalyseur. L'empoisonnement au monoxyde de carbone des sites catalytiques entraîne une surtension anodique significative qui se soustrait à la tension aux bornes de la pile à combustible et diminue ainsi les performances de celle-ci. I1 est possible d'utiliser une alimentation d'air secondaire pour libérer le monoxyde de carbone des sites du catalyseur et ainsi limiter l'empoisonnement au monoxyde de carbone de la pile. La demande de brevet US 2005/0 227 125 explique l'influence des variations de courant, de pression et de température lors d'un échelon de puissance descendant sur la différence de pression et l'humidité de la membrane. Ce document propose de filtrer la demande de puissance pour assurer le maintien des contraintes de la pile. Aucune optimisation du rendement n'est envisagée. La demande de brevet GB 0 330 272 décrit un système de contrôle de l'injection d'eau à la cathode en fonction des conditions 4 (pression, température) de fonctionnement. Le but est d'obtenir une bonne humidité de la membrane sans créer de zones d'accumulation d'eau. L'aspect transitoire n'est pas pris en compte. Les systèmes connus précités ne permettent pas de garantir un maintien en bon état de fonctionnement de la membrane, au cours du temps, et ne prennent pas en compte le rendement du système. La présente invention a pour objet d'optimiser le rendement d'un système de pile à combustible de manière dynamique, en temps réel. Un but de l'invention est également d'améliorer le maintien de la membrane dans un état permettant d'améliorer le rendement du système de pile à combustible. Aussi, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un système de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, ladite pile étant alimentée à l'anode en hydrogène par un reformeur et à la cathode en oxygène par injection d'air d'un circuit d'alimentation en air alimentant également l'anode de la pile par un circuit secondaire et le reformeur. Le système comprend, en outre, une unité de commande électronique munie de moyens de commande de la régulation thermique de la pile et du circuit d'alimentation en air. Lesdits moyens de commande sont adaptés pour maximiser dynamiquement le rendement du système dépendant de l'intensité du courant délivré par la pile, de la température dans la pile, et de la pression au niveau de la membrane de la pile, en respectant un bilan en eau nul au niveau de la pile, une température dans la pile comprise entre une température minimale et une température maximale, et une pression au niveau de la membrane de la pile comprise entre une pression minimale et une pression maximale. L'invention permet de maximiser le rendement de la pile à combustible, en tenant compte simultanément de contraintes de température, de pression et d'empoisonnement au monoxyde de carbone de la membrane de la pile. 5 Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de commande comprennent des cartographies mémorisées du rendement du système. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de commande sont adaptés pour mettre en oeuvre un algorithme de maximisation. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de commande sont adaptés pour effectuer une maximisation par linéarisation du rendement du système autour de points de fonctionnement du système. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de commande sont adaptés pour effectuer une maximisation non-linéaire du rendement du système. Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un procédé de commande d'un système de pile à combustible, dans lequel on maximise dynamiquement le rendement du système dépendant de l'intensité du courant délivré par la pile, de la température dans la pile, et de la pression au niveau de la membrane de la pile, en respectant un bilan en eau nul au niveau de la pile, une température dans la pile comprise entre une température minimale et une température maximale, et une pression au niveau de la membrane de la pile comprise entre une pression minimale et une pression maximale. Dans un mode de mise en oeuvre, on utilise des cartographies mémorisées du rendement du système. Dans un mode de mise en oeuvre, on met en oeuvre un algorithme de maximisation. 6 Dans un mode de mise en oeuvre, on effectue une maximisation par linéarisation du rendement du système autour de points de fonctionnement du système. Dans un mode de mise en oeuvre, on effectue une maximisation non-linéaire du rendement du système. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante, de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrée par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un système de pile à combustible selon un aspect de l'invention ; et - la figure 2 illustre un mode de réalisation des moyens de commande de la régulation thermique de la pile et du circuit d'alimentation en air. Telle que représentée sur la figure 1 de manière très schématique, une pile à combustible 1, munie d'un empilement de cellules dont chacune comporte une membrane la, est alimentée à l'anode 2 par un gaz riche en hydrogène provenant d'un reformeur 3, et à la cathode 4 en air comprimé provenant d'un compresseur 5. Le gaz de reformat issu du reformeur 3 est véhiculé par un conduit 6 jusqu'à l'anode 2 de la pile 1, et l'air comprimé en sortie du compresseur 5 est véhiculé par un conduit 7 jusqu'à la cathode 4 de la pile 1. La pile 1 fournit un courant électrique à sa sortie lb. Sur la figure 1, on a représenté, à titre de simplification, un compartiment anodique 2 et un compartiment cathodique 4, séparés par une membrane la. On comprendra que dans la réalité, la pile à combustible 1 comprend un empilement de plusieurs plaques bipolaires associées chacune à une membrane telle que la membrane la. 7 Un conduit 8 d'injection d'air secondaire est piqué sur le conduit 7 et relié à l'anode 2 de la pile 1 de manière à permettre d'introduire de l'oxygène dans le gaz de reformat pour libérer des sites d'adsorption occupés par du monoxyde de carbone d'une phase catalytique présente à l'anode 2 de la pile 1, ce qui favorise la réaction d'électro-oxydation anodique. Le conduit 8 est muni d'une vanne de régulation de débit 9 permettant de réguler le débit d'air secondaire injecté dans le gaz de reformat. Un conduit de dérivation 8a est également piqué sur le conduit 7 et relié à l'entrée du reformeur 3 pour l'alimentation en air comprimé du reformeur 3. Le reformeur 3 est en outre alimenté en carburant. Une unité de commande électronique 10 comprend un module de commande 11 de la régulation thermique de la pile 1 et du circuit d'alimentation en air de la pile 1. L'unité de commande électronique 10 est connectée aux différents éléments du système de manière à échanger des informations, et commander le fonctionnement de ces éléments. En particulier, l'unité de commande électronique 10 reçoit des informations sur le fonctionnement de la pile 1 par la connexion 10a et transmet des signaux de commande à la vanne 9 par la connexion 10b, au reformeur 3 par la connexion 10c et au compresseur 5 par la connexion 10d. Au vu des contraintes liées à la membrane la, on peut déterminer une température T dans la pile 1 et une pression P au niveau de la membrane la permettant de maximiser le rendement total du système, le courant électrique produit et les débits étant fixés par la puissance demandée et les stoechiométries de fonctionnement. Le rendement total du système de pile à combustible dépend des points de 8 fonctionnement en température T et en pression P de la pile 1. I1 est également nécessaire de respecter les contraintes citées précédemment pour éviter que la pile 1 ne se détériore. Aussi, il est nécessaire de vérifier, à tout instant, que la température T est comprise entre une température minimale Tmin et une température maximale Tmax, et que la pression P, qui est la différence de pression entre les deux faces de la membrane, reste comprise entre une pression minimale Pmin et une pression maximale Pmax. En outre il faut garder, à tout instant un bilan en eau nul au niveau de la pile 1, pour éviter les assèchement ou engorgement en eau de la membrane la de la pile à combustible 1. On peut écrire, de manière simplifiée, le bilan en eau B de la pile à combustible 1 sous la forme de l'équation suivante : B(I,T,P) = 0 dans laquelle : I représente l'intensité du courant délivré par la pile, T représente la température dans la pile, et P représente la pression à proximité de la membrane. I1 faut alors optimiser le rendement du système en B(I,T,P) = 0 respectant les contraintes : Tmin Si l'on considère la pile à combustible 1 comme une éponge ou un réservoir, une réalisation possible est l'écriture dynamique du bilan en eau. Le bilan en eau B(I,T,P) est la différence entre le débit d'eau 9 sortant et le débit d'eau entrant. En considérant que l'on dispose d'un volume tampon VCHZO, on peut définir une variable SOWFc représentant l'état en eau de la pile ("State Of Water" en langue anglaise), compris entre 0 (vide en eau) et 1 (remplie en eau)). On obtient alors l'équation suivante : dSOWFC B(I,T,P)) (2) dt VCH2Q On cherche alors à optimiser le rendement énergétique du système en respectant la contrainte : SOWmin Cette formule peut être mise sous la forme suivante : ( 2FUCeu x 1 x 1û Puau, FPS pu H2 Ra Ncell Ucell XI ~ 11 pp (3) (4) avec 1 1FPS QHz xPCI Hz Qcarb XPCI carb (5) où : QH2 = débit d'hydrogène produit par le reformeur (kg.s-l) ; 10 PCIH2 = Pouvoir Calorifique Inférieur de l'hydrogène ; Nceil = nombre de cellules de l'empilement ; I = courant produit par l'empilement (A) ; Ra = stoechiométrie anodique ; Uceil = différence de potentiel d'une cellule ; F = nombre de Faraday. Le débit d'hydrogène peut être déterminé par la formule : Q Nceul = 2F xRa (6) HZ La puissance fournie par l'empilement est définie par : Pu stack = NceaUcellxl (7) Le rendement du système dépend du rendement du reformeur, de la tension produite par l'empilement et de la puissance consommée par les auxiliaires. Ces trois grandeurs sont directement liées, en plus des capacités intrinsèques des différents composants, aux conditions de pression, débit et température imposées par les fluides. Le rendement ilpp peut donc être considéré comme une fonction du courant électrique produit I, de la température T et de la pression P, soit 1]pp (I,T,P). Pour chaque valeur de puissance ou de courant délivré par la pile 1, il est possible de déterminer le couple de commande u=(P,T) fonction de la pression P et de la température T, qui maximise le rendement rpp(I,T,P) de la pile 1. Les écritures du critère d'optimisation et du système d'état de la pile 1 étant non-linéaires, il est possible de linéariser le système autour de points de fonctionnement prédéterminés, puis d'élaborer une commande optimale du système. I1 est également possible d'utiliser directement des techniques non-linéaires d'élaboration de commande maximisant le rendement 11 rlpp(I,T,P) de la pile 1, par exemple en utilisant la mise en équations de type Hamilton Jacobi Belleman (HJB). La figure 2 illustre un mode de réalisation du module de commande 11. Dans cet exemple de réalisation, l'unité de commande électronique 10 élabore une consigne de puissance du système de pile à combustible, noté ici � module de puissance � (MdP) 12 comprenant la pile à combustible 1. Le module de commande 11 élabore, à partir de cette consigne de puissance, et de mesures des paramètres de fonctionnement du système que sont la pression et la température au niveau des membranes la, et le courant électrique fourni par la pile à combustible. Un module d'élaboration de contraintes 13 élabore, à partir desdites mesures une contrainte d'humidité de la membrane la, une contrainte de différence de pressions de part et d'autre de la membrane la, et une contrainte d'empoisonnement au monoxyde de carbone CO de la membrane la. En ce qui concerne la contrainte d'humidité de la membrane, on cherchera à ce que les gaz soient globalement humidifiés à 100% en sortie de la pile à combustible, ce qui traduit une bonne humidification de la pile. La température et la pression agissent sur l'humidification et le transfert d'eau de la cathode vers l'anode. Pour la contrainte de différence de pression, on cherchera à maintenir une différence de pression minimale entre les deux faces de la membrane pour éviter la création de tensions mécaniques sur la membrane risquant d'entraîner des fissures et un vieillissement prématuré. De préférence, cette contrainte se traduit donc par une valeur nulle pour la consigne de différence de pression. 12 Pour la contrainte d'empoisonnement au CO, on estimera l'empoisonnement au CO sur les sites catalytiques afin d'en déduire une valeur de consigne d'injection d'air. Un module 14 de maximisation dynamique du rendement élabore ensuite, à partir des contraintes fournies par le module d'élaboration de contraintes 13 et d'une valeur de consigne de puissance du système, une consigne de température T dans la pile, une consigne de pression P au voisinage de la membrane la, et des consignes de débits du circuit d'alimentation en air du système, dont le débit d'alimentation en air secondaire. Le module 14 met en oeuvre les équations (3) à (7) telles que décrites précédemment. A partir de la consigne de température T délivrée par le module 14 de maximisation, et des mesures précitées des paramètres de fonctionnement du système, un module de régulation thermique 15 élabore des signaux de commande pour des pompes et des vannes du système. A partir de la consigne de pression P, des consignes de débits délivrées par le module 14 de maximisation, et des mesures effectuées mentionnées plus haut, un module de commande 16 du circuit d'alimentation en air du système élabore un signal de commande du compresseur d'air et des signaux de commande des différentes vannes du système, à destination du module de puissance 12. On peut ensuite utiliser par exemple une commande multivariable pour contrôler les différents actionneurs. La présente invention permet de maximiser le rendement d'un système de pile à combustible en limitant fortement la dégradation de la membrane de la pile à combustible. REVENDICATIONS 1. Système de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, ladite pile étant alimentée à l'anode en hydrogène par un reformeur (3) et à la cathode en oxygène par injection d'air d'un circuit d'alimentation en air alimentant également l'anode (2) de la pile par un circuit secondaire (8) et le reformeur (3), le système comprenant, en outre, une unité de commande électronique (10) munie de moyens de commande (11) de la régulation thermique de la pile et du circuit d'alimentation en air, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (11) sont adaptés pour maximiser dynamiquement le rendement du système dépendant de l'intensité du courant délivré par la pile, de la température dans la pile, et de la pression au niveau de la membrane de la pile, en respectant un bilan en eau nul au niveau de la pile, une température dans la pile comprise entre une température minimale et une température maximale, et une pression au niveau de la membrane de la pile comprise entre une pression minimale et une pression maximale. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de commande (11) comprennent des cartographies mémorisées du rendement du système. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de commande (11) sont adaptés pour mettre en oeuvre un algorithme de maximisation. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel lesdits moyens de commande (11) sont adaptés pour effectuer une maximisation par linéarisation du rendement du système autour de points de fonctionnement du système. 14 5. Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel lesdits moyens de commande (11) sont adaptés pour effectuer une maximisation non-linéaire du rendement du système. 6. Procédé de commande d'un système de pile à combustible, dans lequel on maximise dynamiquement le rendement du système dépendant de l'intensité du courant délivré par la pile, de la température dans la pile, et de la pression au niveau de la membrane de la pile, en respectant un bilan en eau nul au niveau de la pile, une température dans la pile comprise entre une température minimale et une température maximale, et une pression au niveau de la membrane de la pile comprise entre une pression minimale et une pression maximale. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on utilise des cartographies mémorisées du rendement du système. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on met en oeuvre un algorithme de maximisation. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel on effectue une maximisation par linéarisation du rendement du système autour de points de fonctionnement du système. 10. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel on effectue une maximisation non-linéaire du rendement du système. 20