Brevet FR2923655A1 — publié le 20090515

Le domaine technique de l'invention est celui des procédés et des dispositifs permettant de piloter la fourniture d'énergie électrique par un groupe de puissance mettant en œuvre une pile à combustible associée à un reformeur d'hydrogène. Les piles à combustible convertissent en énergie électrique l'énergie chimique d'une réaction d'oxydo réduction utilisant de l'hydrogène. Ces piles à combustible ont une importance croissante dans les véhicules, aussi bien comme groupe auxiliaire de puissance que comme moyen générateur d'énergie à titre principal. En effet elles permettent de réduire fortement les émissions gazeuses de dioxyde de carbone des véhicules. La pile ne rejette pratiquement que de la vapeur d'eau qui peut 15 être récupérée. Les piles à combustible sont bien connues de l'Homme du Métier. On connaît notamment les piles PEMFC à membrane échangeuse de protons. Ces piles peuvent être associées à un reformeur d'hydrogène qui permet de générer de l'hydrogène en 20 utilisant de l'eau et un combustible tel que l'essence, le gasoil, le méthanol, le gaz naturel, le diester ou un autre hydrocarbure. On pourra consulter par exemple les brevets FR2846958 et FR2852737 qui décrivent des piles à combustibles associées à des reformeurs d'hydrogène. 25 Un des inconvénients présentés par les piles à combustibles associées à un reformeur est que ce dernier a un temps de réponse relativement lent pour passer d'un niveau de puissance à un autre. Selon la technologie de pile à combustible utilisée, 30 cette dernière peut par ailleurs nécessiter elle aussi plusieurs minutes avant de changer de régime de fonctionnement ou bien atteindre son régime nominal lors du premier démarrage. Il est alors difficile de concevoir un groupe de 35 puissance électrique pouvant s'adapter rapidement à une demande d'énergie d'un niveau différent. En effet, même si les reformeurs connus peuvent fonctionner suivant différents régimes de production d'hydrogène (ce qui permet de modifier la puissance électrique fournie par la pile à combustible), la cinématique des réactions de production d'hydrogène nécessite des délais de l'ordre de plusieurs minutes pour passer d'un niveau d'énergie à un autre. Ces délais sont trop importants pour permettre l'emploi d'un tel groupe de puissance pour alimenter en énergie un équipement dont les besoins varient rapidement, par exemple un véhicule électrique. L'invention a pour but de proposer un procédé de pilotage de la fourniture d'énergie électrique d'un groupe de puissance permettant de pallier de tels inconvénients. L'invention a également pour objet un dispositif de pilotage mettant en oeuvre un tel procédé. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent d'augmenter les capacités d'adaptation d'un groupe de puissance à pile à combustible et reformeur à une demande d'énergie variable. Ainsi l'invention a pour objet un procédé de pilotage de la fourniture d'énergie électrique d'un groupe de puissance mettant en oeuvre une pile à combustible associée à un reformeur produisant le combustible de la pile, procédé caractérisé en ce qu'on associe la pile à combustible à au moins une batterie rechargeable par la pile à combustible, et en ce qu'on pilote le mode de fonctionnement du reformeur de la pile à combustible en fonction du niveau de charge de la batterie. Selon un mode de réalisation de l'invention, on déterminera au moins deux modes de fonctionnement pour le reformeur et on commandera le mode ayant la plus forte puissance lorsque la ou les batteries auront un niveau de charge inférieur à un premier seuil et on commandera inversement le mode ayant la plus faible puissance lorsque la ou les batteries auront un niveau de charge supérieur à un deuxième seuil. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on pilotera le mode de fonctionnement du reformeur en tenant également compte de la valeur de la puissance qui sera demandée au groupe par un équipement. On peut ainsi déterminer au moins trois modes de fonctionnement pour le reformeur et conduire les étapes 5 suivantes : lorsque la charge des batteries est à un niveau moyen on commande le mode reformeur ayant la puissance la plus proche de celle qui est demandée au groupe, lorsque la charge des batteries est forte on commande, 10 dans la mesure du possible, le mode reformeur directement inférieur à celui ayant la puissance la plus proche de celle qui est demandée au groupe, lorsque la charge des batteries est faible on commande, dans la mesure du possible, le mode reformeur directement 15 supérieur à celui ayant la puissance la plus proche de celle qui est demandée au groupe. Le dispositif proposé par l'invention permet le pilotage de la fourniture d'énergie électrique d'un groupe de puissance mettant en œuvre une pile à combustible associée à 20 un reformeur produisant le combustible de la pile, ce dispositif met en œuvre le procédé selon l'invention et il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins une batterie rechargeable par la pile à combustible et un module de commande du mode de fonctionnement du reformeur, ce module 25 étant relié à un moyen de mesure du niveau de charge de la ou des batteries. Le dispositif de pilotage pourra comprendre également un moyen de mesure de la puissance demandée au groupe. D'autres avantages de l'invention apparaîtront à la 30 lecture de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels : - la figure 1 est un synoptique général d'un générateur de puissance mettant un oeuvre le dispositif selon 35 l'invention, - la figure 2 est un graphe permettant de localiser les modes de fonctionnement du reformeur par rapport aux besoins de puissance de l'équipement. On a schématisé sur la figure 1 un groupe de puissance 1 qui associe une pile à combustible 2 et un reformeur 3. D'une façon classique et bien connue de l'Homme du Métier le reformeur 3 produit de l'hydrogène qui est fournie à la pile par la conduite 4. Il reçoit par la conduite 5 les gaz anodiques chauds produits par la pile (vapeur d'eau et hydrogène résiduel notamment). Ces gaz sont le plus souvent utilisés pour améliorer le rendement du reformeur (récupération d'énergie thermique et/ou aide à la pressurisation de la pile). Pour produire de l'hydrogène le reformeur 3 utilise un combustible, par exemple un hydrocarbure tel que du gas oil, qui est stocké dans un réservoir 6. Il utilise aussi de l'eau qui est stockée dans un réservoir 7 et de l'oxygène qui est fournie via une admission d'air 8. Des vannes 9, 10 et 11, à ouverture réglable et permettant de régler les débits, sont disposées respectivement sur les conduites fournissant l'hydrocarbure, l'eau et l'air. En mettant en oeuvre des moyens appropriés (non 20 représentés) l'ensemble pile à combustible / reformeur peut éventuellement fonctionner sous pression. Les différentes vannes 9,10,11 sont actionnées par un module de commande 12 électronique qui permet ainsi de doser les différents réactifs utilisés par le reformeur 3 pour la 25 production d'hydrogène. On règle ainsi la quantité d'hydrogène fournie par le reformeur 3 donc également le niveau de puissance électrique fourni par la pile à combustible 2. Les paramètres de réglage des reformeurs et des piles à 30 combustible sont définis par les fabricants de ces composants. Il n'est pas nécessaire de décrire dans le détail quels sont les réglages respectifs apportés, le réglage dépend en effet des caractéristiques techniques de l'ensemble pile / reformeur considéré. 35 Il suffit pour comprendre l'invention de noter que pour un couple pile/reformeur donné il existe plusieurs régimes de fonctionnement possibles et que ces régimes sont associés à des ouvertures appropriées pour les différentes vannes 9, 10 et 11. Le groupe de puissance 1 alimente en énergie électrique, par l'intermédiaire d'un convertisseur de tension 19, un équipement 13 qui est par exemple un véhicule électrique. Les conducteurs 14 et 15 sortant du convertisseur 19 sont donc raccordés au réseau de bord du véhicule. Conformément à l'invention on va associer au groupe de puissance 1 au moins une batterie rechargeable 16. Cette batterie est raccordée en parallèle à l'équipement 13 sur les conducteurs 14 et 15. Ainsi le groupe de puissance 1 assure à la fois la fourniture d'énergie à l'équipement 13 et la charge de la ou des batteries 16. Par ailleurs la batterie 16 peut fournir de l'énergie à l'équipement 13 et vient ainsi compléter le groupe de puissance 1 lorsque ce dernier fonctionne à un niveau insuffisant pour les besoins de l'équipement 13. Conformément à une autre caractéristique de l'invention on prévoit un moyen 17 permettant de mesurer le niveau de charge de la batterie 16. Ces moyens sont bien connus de l'Homme du Métier, quelques exemples de ces moyens de mesure 17 sont décrits par exemple dans les brevets . FR2877731, US2005/0068039 et US2006/0091848. Les moyens de mesure de niveau de charge réalisent le plus souvent des mesures des caractéristiques de tension et courant délivrés par la batterie et ils associent ces mesures au niveau d'un microprocesseur comportant une programmation appropriée qui tient compte notamment des caractéristiques physiques de la batterie mise en oeuvre. Les moyens de mesure 17 du niveau de charge sont capables le plus souvent de fournir des signaux représentatifs d'au moins trois niveaux de charge différents : niveau de charge correct, niveau de charge faible et niveau de charge élevé. On pourra par exemple considérer que : le niveau de charge correcte correspond à un niveau de charge compris entre 70% et 95% de la charge maximale de la batterie, le niveau de charge faible est un niveau de charge inférieur à 70% de la charge maximale et le niveau de charge élevé est un niveau supérieur à 95% de la charge maximale. Ces signaux sont transmis au module de commande 12 qui les utilisera pour conduire le procédé de pilotage selon 5 l'invention. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention on pourra également mettre en oeuvre un moyen 18 de mesure de la puissance électrique demandée au groupe 1. Ce moyen de mesure de puissance comprend d'une façon 10 classique une sonde mesurant l'intensité électrique demandée par l'équipement 13 ainsi que la tension d'alimentation. La valeur de la puissance demandée est transmise au module de commande 12. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre au niveau 15 du module de commande 12 qui va assurer le pilotage du mode de fonctionnement du reformeur 3 en fonction du niveau de charge de la batterie 16 et éventuellement de la valeur de la puissance qui est demandée au groupe 1. Le module de commande 12 est un moyen électronique 20 incorporant notamment un microprocesseur comportant un logiciel approprié permettant de traiter les informations reçues et de conduire le procédé. Suivant un premier mode de réalisation de l'invention on n'utilisera qu'une détermination du niveau de charge de la 25 batterie 16. Comme cela a été évoqué précédemment, un reformeur 3 peut fonctionner suivant plusieurs niveaux de puissance entre son arrêt pur et simple (P=0) et sa puissance maximale (Pmax) disponible. Le niveau de fonctionnement est choisi par un 30 réglage approprié des différentes vannes 9,10 et 11. Compte tenu de la lenteur du passage d'un niveau de puissance à un autre, on choisira conformément à l'invention deux modes de fonctionnement opérationnels pour le reformeur: un mode à puissance élevée et un mode à puissance normale. Le 35 niveau réel en watt de chacun des modes choisis dépendra bien entendu des caractéristiques du reformeur 3 et de celles de l'équipement 13 à alimenter. Par exemple pour un reformeur de puissance maximale 25kW alimentant un équipement (véhicule) de puissance maximale 25 kW, on pourra choisir un mode à puissance normale de 9 kW et un mode à puissance élevée de 24 kW. L'équipement 13 est alimenté en principe par la pile à combustible 2 qui est couplée au reformeur 3 fonctionnant à son mode de puissance normale (9 kW par exemple). Le module de commande 12 contrôle le niveau de charge des batteries. Lorsque le moyen de mesure 17 détecte le passage l0 du niveau de charge en dessous d'un premier seuil préprogrammé et mis dans une mémoire du module 12 (par exemple un taux de charge inférieur à 70%), le module 12 commande automatiquement les vannes 9,10 et 11 de façon à positionner le reformeur 3 à son mode de puissance élevée. Ce 15 mode permet de fournir un surcroît de puissance électrique permettant de recharger les batteries 16. Lorsque le seuil de charge dépasse un deuxième seuil (par exemple un taux de charge supérieur à 95%), le module 12 commande automatiquement les vannes 9,10 et 11 de façon à re 20 positionner le reformeur à son mode de puissance normale. Il devient alors possible de fournir à l'équipement 13 une puissance électrique permettant de suivre des pics de demande en énergie. Ces pics sont absorbés rapidement par la ou les batteries 16 qui jouent le rôle d'une réserve 25 d'énergie tampon. La décharge des batteries est palliée grâce au reformeur 3 dont le mode de fonctionnement est modifié par le module 12. Le paramétrage approprié des seuils permet, malgré le temps de réponse relativement lent du reformeur et/ou de la pile elle même (plusieurs minutes pour changer de 30 mode de fonctionnement), d'assurer une fourniture d'énergie supplémentaire pour maintenir la charge des batteries. Ce mode de réalisation de l'invention est relativement simple car il ne met en oeuvre qu'un seul moyen de mesure 17 celui du niveau de la charge des batteries 16. 35 Suivant un second mode de réalisation de l'invention on pilotera le mode de fonctionnement du reformeur 3 en tenant également compte non seulement du niveau de charge des batteries mais également de la valeur de la puissance qui est demandée au groupe 1 par l'équipement 13. Pour cela, on a vu précédemment que l'on prévoyait un moyen 18 de mesure de la puissance électrique demandée au 5 groupe 1. La mesure de la puissance peut être faite directement au voisinage des conducteurs d'alimentation électrique de l'équipement 13 par un composant sur étagère. La mesure peut également être réalisée dans le module 12 10 lui-même à partir d'un prélèvement d'une partie du courant d'alimentation circulant dans l'équipement 13. Cette mesure peut être assurée également par le convertisseur de tension 19. Suivant ce mode particulier de réalisation on choisira de 15 préférence trois modes de fonctionnement opérationnels pour le reformeur: un mode à puissance élevée, un mode à puissance intermédiaire et un mode à puissance basse. Là encore, le niveau réel en watt de chacun des modes choisis dépendra bien entendu des caractéristiques de la pile 20 2 et du reformeur 3 et de celles de l'équipement 13 à alimenter. Par exemple, pour un reformeur de puissance maximale 25kW alimentant un équipement (véhicule) de puissance maximale 25 kW, on pourra choisir un mode à puissance élevée de 24 kW, un 25 mode à puissance intermédiaire de 16 kW et un mode à puissance basse de 8 kW. Le but recherché est d'éviter tout changement intempestif du mode de fonctionnement du reformeur 3. Grâce au moyen de mesure de la puissance demandée 18 il 30 devient alors possible de choisir le mode de fonctionnement du reformeur 3 qui se rapproche le plus de la puissance effectivement nécessaire compte tenu de l'état de charge des batteries. La figure 2 schématise sur une droite les différentes 35 zones de puissance demandées au groupe 1 par l'équipement 13. La droite s'étend de l'origine P=0 à la puissance Pmax correspondant à la puissance maximale que peut demander l'équipement 13. On a positionné sur cette droite en P1, P2 et P3 les trois valeurs nominales de puissance choisies pour la pile à combustible 2 (et qui correspondent à trois régimes de fonctionnement du reformeur 3). Ces puissances sont choisies relativement proches des niveaux de puissance les plus courants demandés par l'équipement 13. Le niveau P3 de 24 kW correspond sensiblement à la puissance maximale (25 kW) que peut fournir le groupe de puissance 1. Le niveau P1 correspond à une puissance modérée de 8 kW. Ce niveau est choisi comme correspondant à un besoin de fonctionnement l0 nominal de l'équipement à faible puissance. Le niveau P2 est un niveau intermédiaire de 16kW (puissance moyenne entre 24kW et 8 kW). On a partagé l'axe OPmax en trois zones de fonctionnement . Z1, Z2 et Z3. Les limites entre ces trois zones sont 15 représentées par les lignes L1 et L2. La ligne L1 se situe à égale distance de P1 et de P2 et la ligne L2 est à égale distance de P2 et de P3. Dans l'exemple numérique qui est donné : L1 correspond donc à une puissance de 12 kW et L2 à une puissance de 20 kW. 20 La zone Z1 correspond à une demande de puissance par l'équipement qui est comprise entre 0 et L1 (donc ici de 0 à 12 kW), la zone Z2 à une demande de puissance comprise entre L1 et L2 (soit entre 12kW et 20kW) et Z3 à une demande de puissance comprise entre L2 et Pmax (soit entre 20kW et 25kW). 25 Le module 12 mesure le niveau de puissance demandé. Il est donc capable de positionner cette demande dans l'une des trois zones Z1, Z2 ou Z3. Le module 12 connaît par ailleurs le niveau de charge de la batterie 16 : faible, correct ou élevé. 30 Conformément à l'invention, si la charge des batteries 16 est correcte (niveau de charge compris entre 70% et 95% de la charge maximale), on choisira alors pour le reformeur 3 le mode de fonctionnement le plus proche de la puissance demandée par l'équipement 13. C'est à dire P1 si la puissance 35 demandée se trouve dans la zone Z1, P2 si la puissance demandée se situe dans la zone Z2 et P3 si la puissance demandée se situe dans la zone Z3. Lorsque le niveau de charge de la batterie 16 est faible (niveau de charge inférieur à 70% de la charge maximale), le module 12 commande les vannes 9,10 et 11 de façon à positionner le reformeur 3 à un mode de puissance immédiatement supérieur à celui qui est demandé par l'équipement. Ainsi si la puissance demandée se situe en zone Zl, le module 12 positionnera le reformeur à son mode P2. Si la puissance demandée se situe en zone Z2, le module 10 12 positionnera le reformeur à son mode P3. Si la puissance demandée se situe en zone Z3 on ne peut pas par contre commander le reformeur 3 pour qu'il fournisse un surcroît d'énergie. Le point de fonctionnement de celui ci reste le point P3 mais la puissance fournie par le groupe 1 15 ne peut excéder P3, le fonctionnement est alors critique, la recharge de la batterie ne pouvant être assurée. Le module 12 pourra alors signaler cet état à l'opérateur (allumage de voyant) et le besoin en énergie devra être réduit (extinction d'organes de l'équipement 13). 20 Enfin lorsque le niveau de charge de la batterie 16 est élevé (niveau de charge supérieur à 95% de la charge maximale), le module 12 commande les vannes 9,10 et 11 de façon à positionner le reformeur 3 à un mode de puissance immédiatement inférieur à celui qui est demandé par 25 l'équipement. Ainsi si la puissance demandée se situe en zone Z3, le module 12 positionnera le reformeur à son mode P2. Si la puissance demandée se situe en zone Z2, le module 12 positionnera le reformeur à son mode P1. 30 Si la puissance demandée se situe en zone Zl il n'y a pas de modification du point de fonctionnement du reformeur (mais ce mode n'est pas critique). Ce mode de réalisation de l'invention permet tout comme le précédent de fournir si nécessaire un surcroît de 35 puissance électrique permettant de recharger les batteries 16. Il permet aussi d'assurer la fourniture de pointes de puissance malgré la lenteur du changement de mode de fonctionnement du reformeur. Par rapport au mode de réalisation précédent, ce mode permet d'optimiser la consommation d'énergie. En effet le reformeur peut adopter des modes de fonctionnement économiques lorsque les batteries sont à un niveau de charge élevée et par ailleurs le mode de fonctionnement du reformeur assurant le rechargement n'est pas obligatoirement le mode le plus puissant. On a ainsi pu calculer que ce mode de réalisation de l'invention permettait de consommer près de 6% d'énergie en moins que le mode de réalisation précédent qui Io n'utilise qu'une mesure du taux de charge des batteries. Diverses variantes sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. On peut ainsi prévoir plus de trois modes de fonctionnement pour le reformeur et adopter les choix de mode comme décrit précédemment en fonction de la demande en 15 puissance et du niveau de charge. On constate cependant que le choix de trois modes est le plus souple et que le recours à d'autres modes de fonctionnement pour le reformeur ne permet pas de diminuer l'énergie consommée d'une façon significative. 20 On pourra bien entendu positionner les modes de fonctionnement du reformeur différemment en fonction des caractéristiques de la pile à combustible et du reformeur et en fonction des besoins de l'équipement à alimenter. REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage de la fourniture d'énergie électrique d'un groupe (1) de puissance mettant en oeuvre une pile à combustible (2) associée à un reformeur (3) produisant le combustible de la pile, procédé caractérisé en ce qu'on associe la pile à combustible (2) à au moins une batterie (16) rechargeable par la pile à combustible, et en ce qu'on pilote le mode de fonctionnement du reformeur (3) de la pile à combustible en fonction du niveau de charge de la batterie Io (16) . 2. Procédé de pilotage de la fourniture d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine au moins deux modes de fonctionnement pour le reformeur (3) et en ce qu'on commande le mode ayant la plus forte puissance 15 lorsque la ou les batteries (16) ont un niveau de charge inférieur à un premier seuil et on commande inversement le mode ayant la plus faible puissance lorsque la ou les batteries (16) ont un niveau de charge supérieur à un deuxième seuil. 20 3. Procédé de pilotage de la fourniture d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on pilote le mode de fonctionnement du reformeur (3) en tenant également compte de la valeur de la puissance qui est demandée au groupe (1) par un équipement (13). 25 4. Procédé de pilotage de la fourniture d'énergie selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on détermine au moins trois modes de fonctionnement pour le reformeur (3) et en ce que: - lorsque la charge des batteries (16) est à un niveau 30 moyen on commande le mode reformeur (3) ayant la puissance la plus proche de celle qui est demandée au groupe (1), - lorsque la charge des batteries (16) est forte on commande, dans la mesure du possible, le mode reformeur directement inférieur à celui ayant la puissance la plus 35 proche de celle qui est demandée au groupe, -lorsque la charge des batteries (16) est faible on commande, dans la mesure du possible, le mode reformeurdirectement supérieur à celui ayant la puissance la plus proche de celle qui est demandée au groupe. 5. Dispositif de pilotage de la fourniture d'énergie électrique d'un groupe de puissance (1) mettant en oeuvre une pile à combustible (2) associée à un reformeur (3) produisant le combustible de la pile, dispositif mettant en oeuvre le procédé selon une des revendications précédentes et caractérisé en ce qu'il comporte au moins une batterie (16) rechargeable par la pile à combustible (2) et un module (12) de commande du mode de fonctionnement du reformeur (3), ce module (12) étant relié à un moyen (17) de mesure du niveau de charge de la ou des batteries (16). 6. Dispositif de pilotage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend également un moyen (18) de 15 mesure de la puissance demandée au groupe (1).