Brevet FR3018633A1 — publié le 20150918

Titre de l'Invention Système et procédé de contrôle de mise en température d'une pile à combustible Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne les piles à combustible (PAC) et plus particulièrement les piles à combustible dites « piles chaudes » telles 10 que celles du type PEM-HT (« High Temperature Polymer Eloctrolyte Membrane »). Les piles à combustible de ce type ont besoin d'une phase de mise en température pour atteindre leur température de fonctionnement, température à partir de laquelle la pile peut délivrer sa puissance 15 nominale. Cette phase de mise en température se fait habituellement par échange thermique via un circuit de chauffage qui comprend un fluide caloporteur et un moyen de chauffage du fluide, tel qu'une résistance électrique. Cependant, la mise en température de la pile avec un tel circuit 20 est longue et consommatrice d'énergie électrique. En effet, tant que la pile n'est pas à sa température de fonctionnement, elle ne peut pas délivrer sa puissance électrique nominale et ne peut donc pas être considérée comme pleinement disponible. 25 Objet et résumé de l'invention La présente invention a, par conséquent, pour but de proposer une solution permettant d'accélérer la mise en température d'une pile à 30 combustible sans augmenter la consommation électrique nécessaire à sa mise en température. Ce but est atteint grâce à un système de contrôle de mise en température d'une pile à combustible équipée de moyens de chauffage et d'un dispositif d'alimentation en réactifs de ladite pile, caractérisé en ce 35 que le système comprend : - des moyens de connexion pour relier la pile à combustible à un dispositif de chauffage de ladite pile lors d'une phase de mise en température, - des moyens de contrôle de la puissance électrique délivrée par la pile à combustible, et - des moyens de traitement configurés pour, lors de la phase de mise en température, agir sur le dispositif d'alimentation en réactifs et les moyens de contrôle de manière à ajuster l'alimentation en réactif de la pile à combustible et la puissance délivrée par la pile à combustible aux moyens de chauffage en fonction de la température de la pile. Ainsi, grâce au système de contrôle de mise en température d'une pile à combustible de l'invention, seule l'énergie électrique délivrée par la pile à combustible elle-même est utilisée pour alimenter le dispositif de chauffage durant la phase de mise en température de la pile. Durant cette phase de chauffe correspondant à la période où la pile à combustible ne peut pas encore délivrer sa puissance nominale, le point de fonctionnement de celle-ci est contrôlé par le système de l'invention en fonction de la température de la pile. Cela permet d'optimiser la puissance délivrée par la pile au dispositif de chauffage tout en limitant la dégradation de la pile qui présente un rendement limité durant la phase de chauffe. De manière avantageuse, on cumule deux sources de chauffage pour la pile, et ce sans recourir à une source d'énergie autre que la pile à combustible. En effet, on dispose, d'une part, de la puissance thermique dissipée par la pile elle-même dès le début de son fonctionnement et, d'autre part, de la puissance thermique fournie par le dispositif de chauffage, cette dernière étant générée uniquement à partir de l'énergie électrique disponible de la pile. Selon un aspect particulier du système de l'invention, les moyens 30 de traitement sont en outre configurés pour agir sur le dispositif d'alimentation en réactifs et les moyens de contrôle de manière à ajuster l'alimentation en réactif de la pile à combustible et la puissance délivrée par la pile à combustible aux moyens de chauffage en fonction d'une durée d'utilisation déterminée de la pile à combustible. Dans ce cas, le 35 point de fonctionnement de la pile peut être également optimisé en fonction de la durée d'utilisation envisagée pour la pile à combustible. La durée de mise en température peut être notamment accélérée lorsque la durée d'utilisation définie de la pile est relativement courte car elle permet une tolérance accrue de son éventuelle dégradation lors de la phase de mise en température. Selon un autre aspect particulier du système de l'invention, les moyens de traitement sont en outre configurés pour agir sur les moyens de connexion de manière à déconnecter la pile à combustible des moyens de chauffage et à connecter ladite pile à une charge lorsque la pile à combustible a atteint une température de fonctionnement déterminée. Selon une caractéristique du système de l'invention, les moyens de chauffage comprennent un circuit de circulation d'un fluide caloporteur et au moins une résistance de chauffage dudit fluide caloporteur, la résistance étant connectée à la pile à combustible lors de la phase de mise en température de ladite pile. La présente invention a également pour objet une installation de génération d'énergie comprenant une pile à combustible, un dispositif d'alimentation en réactifs de la pile à combustible, des moyens de chauffage de la pile et un système de contrôle de mise en température de la pile à combustible selon l'invention. L'invention a encore pour objet un procédé de contrôle de mise en température d'une pile à combustible équipée de moyens de chauffage et d'un dispositif d'alimentation en réactifs de ladite pile comprenant, lors d'une phase de mise en température de la pile à combustible, les étapes suivantes : - connexion de la pile à combustible aux moyens de chauffage de ladite pile, - ajustement de l'alimentation en réactifs de la pile et de la puissance délivrée par la pile à combustible aux moyens de chauffage en fonction de la température de la pile. Selon un aspect particulier du procédé de l'invention, l'étape d'ajustement de l'alimentation en réactifs de la pile et de la puissance délivrée par la pile à combustible aux moyens de chauffage est en outre réalisée en fonction d'une durée d'utilisation déterminée de la pile à combustible. Comme expliqué en détails plus loin, la prise en compte de la durée d'utilisation de la pile dans l'ajustement de l'alimentation en réactifs de la pile et de la puissance délivrée par la pile est réalisée avant le démarrage de celle-ci, c'est-à-dire « hors ligne ». Selon un autre aspect de l'invention, lorsque la pile à combustible a atteint une température de fonctionnement déterminée, une étape de 5 déconnexion de la pile à combustible des moyens de chauffage et connexion de ladite pile à une charge. Brève description des dessins 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: 15 - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de génération d'énergie comprenant un système de contrôle de mise en température d'une pile à combustible conformément à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un ordinogramme montrant les étapes d'un 20 procédé de contrôle de mise en température d'une pile à combustible conformément à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est un abaque montrant l'évolution de la puissance disponible d'une pile à combustible en fonction de sa température. 25 Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 illustre de façon schématique une installation de production d'énergie électrique 600 conformément à un mode de 30 réalisation de l'invention. L'installation comprend un système de contrôle de mise en température 100, une pile à combustible (PAC) 200, un dispositif d'alimentation en réactif 300, une charge 400 et un dispositif de chauffage 500. La pile à combustible 200 est une pile de type « pile chaude », c'est-à-dire une pile ayant une température de fonctionnement 35 élevée, typiquement entre 100°C et 200°C, telles que les piles à combustible du type PEM-HT (« High Temperature Polymer Eloctrolyte Membrane »). La pile à combustible 200 comprend typiquement un ensemble de cellules élémentaires chacune constituée de deux électrodes (anode et cathode) séparées par un électrolyte et assemblées les unes aux autres en série pour former un empilement également appelé "stack" (non représentés sur la figure 1). En alimentant chaque électrode avec un réactif approprié, à savoir un combustible pour l'une et un comburant pour l'autre, on obtient une réaction électrochimique qui permet de créer une différence de potentiel entre les électrodes et donc de produire du courant électrique. La pile à combustible est alimentée en réactif par le dispositif d'alimentation 300 qui est apte à fournir à la pile un premier fluide F1 correspondant au combustible et un deuxième fluide F2 correspondant au comburant. Le dispositif d'alimentation 300 est apte à réguler le débit des fluides F1 et F2 délivrés à la pile 200. La pile 200 comporte deux bornes de sortie 201 et 202 délivrant l'énergie électrique générée par la pile. Les bornes de sortie 201 et 202 peuvent être reliées soit à la charge 400, soit au dispositif de chauffage 500 grâce à deux connecteurs 601 et 602 interposés respectivement entre la borne 201 de la pile et la charge 400, et entre la borne 201 et le dispositif de chauffage 500. La charge 400 peut être constituée de n'importe quel appareil ou dispositif nécessitant une alimentation en énergie électrique. Un convertisseur DC/DC ou DC/AC est en général interposé entre la pile et la charge. Le dispositif de chauffage 500 est ici constitué d'un circuit de circulation 510 renfermant un fluide caloporteur, d'une résistance électrique de chauffage 520 et d'une pompe de circulation 530. La résistance 520 est une résistance dont la puissance de chauffe peut être pilotée par un signal de commande. Le circuit de circulation 510 comprend une portion 511 qui est située au plus près des cellules élémentaires de la pile à combustible 200 afin de chauffer ces dernières. Le système de contrôle de mise en température 100 dispose ici de l'architecture matérielle d'un ordinateur. Il comporte notamment un processeur 101, une mémoire vive 102, une mémoire morte 103 et une mémoire flash non volatile 104. Le système de contrôle de mise en température 100 comprend également des moyens de communication 110 avec le dispositif de chauffage 500, des moyens de communication 120 avec le dispositif d'alimentation en réactif 300, des moyens de communication 130 avec un capteur de température 210 présent dans la pile à combustible 200 et des moyens de communication 140 et 150 5 respectivement avec le premier et le deuxième connecteurs 601 et 602. Les moyens de communication 110, 120, 130, 140 et 150 intègrent par exemple des bus de données numériques connus en soi, permettant à diverses entités électroniques de communiquer entre elles. Les informations de température fournies par le capteur de température 210 10 via les moyens de communication 130 sont mémorisées dans la mémoire flash non volatile 104. La mémoire morte 103 constitue un support d'enregistrement conforme à l'invention, lisible par le processeur 101 et sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur, comportant des instructions pour 15 l'exécution des étapes d'un procédé de contrôle de mise en température selon l'invention décrit maintenant en référence à la figure 2. Selon une variante de réalisation, le système de contrôle de mise en température intègre une puce en silicium et des moyens de communication avec le dispositif de chauffage, avec le dispositif 20 d'alimentation en réactif, avec un ou plusieurs capteurs de température présents dans la pile à combustible et avec le premier et le deuxième connecteurs. La puce en silicium comprend des transistors adaptés pour constituer des portes logiques d'une logique câblée non programmable pour l'exécution des étapes d'un procédé de contrôle de mise en 25 température d'une pile à combustible selon l'invention tel que décrit ci- après. Dans une autre variante de réalisation, les différentes étapes du procédé de fourniture sont implémentées par une puce en silicium comprenant un microcontrôleur (re)programmable et des mémoires non 30 volatiles sur lesquelles est stocké un programme d'ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en oeuvre des étapes d'un procédé de contrôle de mise en température d'une pile à combustible selon l'invention tel que décrit ci-après. La figure 2 illustre les principales étapes mises en oeuvre par le 35 système de contrôle de mise en température 100 lors de la phase de mise en température de la pile à combustible. Au départ, c'est-à-dire avant le démarrage de la pile à combustible, le système de contrôle de mise en température 100 envoie un signal de commande au connecteur 602 via les moyens de communication 150 pour relier la pile à combustible 200 au dispositif de chauffage 500, à savoir ici à la résistance électrique de chauffage 520 (étape E10), le connecteur 601 restant ouvert de manière à déconnecter la charge 400 de la pile. Un convertisseur DC/DC peut être interposé entre la pile et la résistance de chauffage. Le système de contrôle de mise en température 100 envoie alors via les moyens de communication 120 un signal de commande au dispositif d'alimentation en réactif 300 afin que celui-ci alimente la pile 200 en réactifs procédant ainsi à son démarrage (étape E20). En parallèle, dès que la pile 200 est apte à délivrer de l'énergie électrique au dispositif de chauffage 500, le système de contrôle de mise en température 100 pilote la puissance de chauffe délivrée par le dispositif de chauffage en envoyant des signaux de commande audit dispositif de chauffage via les moyens de communication 110 (étape E30). Conformément à l'invention, la régulation de l'alimentation en réactifs de la pile et de la puissance de chauffe est réalisée par le système de contrôle 100 en fonction de la température de la pile 200, à savoir la température mesurée par le capteur 210 et transmise par celui-ci au système de contrôle 100 via les moyens de communication 130. En effet, tant que la pile n'a pas atteint sa température de fonctionnement optimale, elle ne peut pas délivrer sa puissance électrique nominale. Par conséquent, tant que la température de la pile est en dessous de la température de fonctionnement définie, il faut déterminer un point de fonctionnement intermédiaire correspondant à un couple débit d'alimentation en réactifs/puissance de chauffage délivrée qui permet de limiter la dégradation de la pile, cette dégradation correspondant à une chute de tension aux bornes de la pile. Selon une variante de réalisation, la pile comprend plusieurs capteurs de température. Dans ce cas, la mesure de la température de la pile correspond à une moyenne des mesures de température provenant de la pluralité de capteurs. Des abaques permettant de définir les paramètres (débit d'alimentation en réactifs et puissance de chauffage délivrée) du point de fonctionnement intermédiaire de la pile en fonction de la température de 3 0 1 86 3 3 8 celle-ci sont utilisés par le système de contrôle 100. La figure 3 illustre un exemple d'abaque montrant l'évolution de la puissance délivrée par une pile à combustible du type PEM-HT en fonction de sa température. Il est ainsi possible de connaître à l'avance les points de fonctionnement 5 intermédiaires de la pile durant sa phase de chauffe, c'est-à-dire avant que la pile n'atteigne sa température nominale (Tnom) à partir de laquelle elle délivre sa puissance nominale (Pnom). Ces points de fonctionnement intermédiaires sont utilisés pour piloter l'alimentation en réactifs de la pile et la puissance délivrée par celle-ci en fonction de la température de la 10 pile mesurée. Tant que la pile n'a pas atteint sa température de fonctionnement déterminée, c'est-à-dire celle correspondant à sa puissance nominale, le système de contrôle 100 pilote le chauffage de la pile 200 comme indiqué ci-avant. 15 Lorsque la pile 200 a atteint sa température de fonctionnement déterminée, la phase de mise en température de la pile est terminée et le système de contrôle 100 envoie un signal au connecteur 602 pour que celui-ci cesse de relier la pile au dispositif de chauffage (Etape E40) tandis qu'il envoie un autre signal de commande au connecteur 601 via les 20 moyens de communication 140 pour que celui-ci relie la pile à la charge 400 qui est alors normalement alimentée en énergie électrique (Etape E50). Selon une variante de mise en oeuvre de l'invention, la régulation de l'alimentation en réactifs de la pile et de la puissance de chauffe peut 25 être en outre réalisée en tenant compte de la durée de vie ou d'utilisation définie préalablement pour la pile à combustible. En effet, lorsque cette durée est préalablement définie courte, une dégradation plus importante de la pile durant sa phase de mise en température peut être tolérée. Dans ce cas, il est possible d'avoir des points de fonctionnement intermédiaires 30 correspondant à une puissance de chauffe plus importante et d'obtenir une mise en température de la pile plus rapide. A l'inverse, si la pile est destinée à être utilisée sur durée importante, il faut veiller à ne pas la dégrader significativement durant la phase de mise en température et avoir des points de fonctionnement intermédiaire correspondant à une 35 puissance de chauffe mesurée. REVENDICATIONS1. Système de contrôle de mise en température (100) d'une pile à 5 combustible (200) équipée de moyens de chauffage (500) et d'un dispositif d'alimentation en réactifs (300) de ladite pile, caractérisé en ce que le système comprend : - des moyens de connexion (602) pour relier la pile à combustible (200) à un dispositif de chauffage (500) de ladite pile lors d'une phase de 10 mise en température, - des moyens de contrôle de la puissance électrique délivrée par la pile à combustible (200), et - des moyens de traitement (101) configurés pour, lors de la phase de mise en température, agir sur le dispositif d'alimentation en réactifs 15 (300) et les moyens de contrôle de manière à ajuster l'alimentation en réactif de la pile à combustible (200) et la puissance délivrée par la pile à combustible aux moyens de chauffage (500) en fonction de la température de la pile. 20 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement (101) sont en outre configurés pour agir sur le dispositif d'alimentation en réactifs (300) et les moyens de contrôle de manière à ajuster l'alimentation en réactif de la pile à combustible (200) et la puissance délivrée par la pile à combustible aux moyens de chauffage 25 (500) en fonction d'une durée d'utilisation déterminée de la pile à combustible (200). 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement (101) sont en outre configurés pour agir sur les 30 moyens de connexion (601, 602) de manière à déconnecter la pile à combustible (200) des moyens de chauffage (500) et à connecter ladite pile à une charge (400) lorsque la pile à combustible (200) a atteint une température de fonctionnement déterminée. 35 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (500) comprennent uncircuit de circulation d'un fluide caloporteur (510) et au moins une résistance de chauffage (520) dudit fluide caloporteur, la résistance étant connectée à la pile à combustible (200) lors de la phase de mise en température de ladite pile. 5. Installation de génération d'énergie (600) comprenant une pile à combustible (200), un dispositif d'alimentation en réactifs (300) de la pile à combustible, des moyens de chauffage (500) de la pile et un système de contrôle de mise en température (100) de la pile à combustible (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Procédé de contrôle de mise en température d'une pile à combustible (200) équipée de moyens de chauffage (500) et d'un dispositif d'alimentation en réactifs (300) de ladite pile comprenant, lors d'une phase de mise en température de la pile à combustible, les étapes suivantes : - connexion de la pile à combustible (200) aux moyens de chauffage (500) de ladite pile, - ajustement de l'alimentation en réactifs de la pile et de la 20 puissance délivrée par la pile à combustible (200) aux moyens de chauffage (500) en fonction de la température de la pile. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape d'ajustement de l'alimentation en réactifs de la pile et de la puissance 25 délivrée par la pile à combustible aux moyens de chauffage est en outre réalisée en fonction d'une durée d'utilisation déterminée de la pile à combustible. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il 30 comprend, lorsque la pile à combustible (200) a atteint une température de fonctionnement déterminée, une étape de déconnexion de la pile à combustible (200) des moyens de chauffage (500) et connexion de ladite pile à une charge (400).