Brevet FR3123764A1 — publié le 20221209

Un procédé de commande d’une vanne de régulation (6) de la pression interne (P int ) d’un circuit de fluide (3) dans un dispositif électrochimique (2), ledit circuit de fluide (3) étant alimenté par un compresseur (4) prélevant l’air à une pression externe (P ext ) et le comprimant à la pression interne (P int ) selon un taux de compression (A) parmi une plage de compression (B) prédéterminée, ledit procédé comportant : une étape de mesure de la pression externe (P ext ), une étape de détermination d’une pression interne de consigne (P int *) à partir de la pression externe (P ext ) mesurée et de la plage de compression (B), pour favoriser un rendement global (R1) du dispositif électrochimique (2) et du compresseur (4) prédéterminé en fonction de la pression interne (P int ) et du taux de compression (A), et une étape de commande de la vanne de régulation (6) pour atteindre la pression interne de consigne (P int *). Figure de l’abrégé : Figure 2 Procédé et module de commande d’une vanne de régulation de la pression interne d’un circuit de fluide dans un dispositif électrochimique La présente invention concerne le domaine des dispositifs électrochimiques (pile à combustible, électrolyseur, etc.), en particulier montés à bord d’un aéronef, et vise notamment la régulation de la pression interne dans un tel dispositif électrochimique. De manière connue, une pile à combustible permet de produire de l’énergie électrique à partir d’une réaction d’oxydoréduction entre un combustible, l’hydrogène, et un comburant, l’oxygène présent dans l’air. En référence à la , une pile à combustible 200 comprend un empilement d’une pluralité de cellules 210, dans lesquelles a lieu la réaction d’oxydoréduction, qui sont maintenues entre deux plaques terminales 220 permettant de collecter l’énergie électrique produite. La pile à combustible 200 comprend également un circuit de cathode 300 et un circuit d’anode 310 permettant d’alimenter les cellules 210 respectivement en air et en hydrogène et d’évacuer les produits de la réaction d’oxydoréduction, à savoir de l’eau et des traces d’hydrogène et d’air. Dans le cadre d’une pile à combustible 200 montée à bord d’un aéronef, l’air du circuit de cathode 300 est classiquement prélevé à l’intérieur ou à l’extérieur de l’aéronef, à savoir dans un milieu extérieur dont les propriétés physico-chimiques sont variables en fonction de l’altitude. En particulier, la pression de l’air, appelée pression externe P ext , diminue avec l’altitude et atteint, à titre d’exemple, de l’ordre de 9000 Pa à une altitude élevée de l’aéronef de 17000 m. Il en va de même pour la température et la concentration en oxygène de l’air notamment. De telles variations modifient les conditions de fonctionnement de la pile à combustible 200 et peuvent réduire ses performances, ce qui est indésirable. Pour contrôler les conditions de fonctionnement de la pile à combustible 200, il est connu de monter un compresseur 400 en amont du circuit de cathode 300 et une vanne de régulation 600 de la pression interne en aval du circuit de cathode 300. Comme illustré sur la , le compresseur 400 permet de comprimer l’air prélevé dans le milieu extérieur pour l’injecter dans le circuit de cathode 300 suivant un débit massique Q opt et une pression interne P opt imposés permettant d’optimiser les performances de la pile à combustible 200. La vanne de régulation 600 comporte quant à elle une section de passage variable afin de maintenir la pression interne P op t imposée dans la pile à combustible 200 pour en optimiser le rendement. Une réalisation selon le même principe est connue de la demande de brevet FR3074363A1. Toutefois, en pratique, la variation de la pression externe P ext durant le vol de l’aéronef nécessite de dimensionner le compresseur 400 avec une large plage de taux de compression pour maintenir des performances optimales pour la pile à combustible 200. Un tel dimensionnement du compresseur 400 augmente de manière indésirable sa masse, son encombrement et son coût. Par ailleurs, optimiser le rendement de la pile à combustible 200 nécessite une consommation électrique importante du compresseur 400, notamment à altitude élevée. Le compresseur 400 étant classiquement alimenté électriquement par la pile à combustible 200, il en résulte que le gain de production électrique de la pile à combustible 200 destiné à l’alimentation de l’aéronef est au moins partiellement perdu par la consommation électrique du compresseur 400. Pour éliminer ces inconvénients, une solution serait de réduire la valeur de la pression interne P opt imposée dans le circuit de cathode 300. Cela réduirait cependant de manière non acceptable les performances de la pile à combustible 200. L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients en proposant un procédé et un module de commande de la vanne de régulation de la pression interne dans une pile à combustible, et plus généralement dans tout dispositif électrochimique, notamment monté à bord d’un aéronef. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention concerne un procédé de commande d’une vanne de régulation de la pression interne d’un circuit de fluide dans un dispositif électrochimique, ledit circuit de fluide étant alimenté par un compresseur configuré pour prélever le fluide à une pression externe et le comprimer à la pression interne selon un taux de compression appartenant à une plage de compression prédéterminée, ledit procédé comportant une étape de commande de la vanne de régulation pour atteindre une pression interne de consigne. L’invention est remarquable en ce que le procédé : est mis en œuvre à partir de données prédéterminées : du rendement du dispositif électrochimique en fonction de la pression interne, du rendement du compresseur en fonction du taux de compression, du rendement global en fonction du rendement du dispositif électrochimique et du rendement du compresseur, et comprend : une étape de mesure de la pression externe, et une étape de détermination de la pression interne de consigne à partir de la pression externe mesurée et de la plage de compression, de manière à favoriser le rendement global. L’invention permet avantageusement de favoriser le rendement global obtenu grâce à un dispositif électrochimique, c’est-à-dire, le rendement d’un système de production électrique formé par l’ensemble du dispositif électrochimique ainsi que des éléments associés permettant son fonctionnement. Les éléments associés désignent notamment le compresseur alimentant le circuit de fluide du dispositif électrochimique, le circuit de refroidissement du dispositif électrochimique, etc. Un tel rendement global est ainsi basé sur la production électrique du dispositif électrochimique, mais également sur la consommation électrique de ses éléments associés. Ceci permet de rendre compte de la puissance électrique effectivement générée par le dispositif électrochimique, correspondant à la puissance électrique qu’il génère minorée de celle qu’il consomme pour fonctionner, directement ou indirectement. Une telle approche globale s’oppose à l’art antérieur visant à favoriser le rendement du dispositif électrochimique seul, sans tenir compte de ses éléments associés. Pour favoriser le rendement global, l’invention propose avantageusement de réguler de manière simple et pratique un unique paramètre, à savoir la pression interne du circuit de fluide, en contrôlant la vanne de régulation montée en aval. La pression interne de consigne déterminée s’appuie avantageusement sur les données physico-chimiques de l’environnement dans lequel se trouve le dispositif électrochimique, notamment la pression externe, et sur les données de performance du dispositif électrochimique et de ses éléments associés, notamment le compresseur. Selon un aspect de l’invention, l’étape de détermination de la pression interne de consigne comprend : une phase de calcul d’un rendement test du dispositif électrochimique à partir d’une pression interne test, ladite pression interne test étant calculée à partir de la pression externe mesurée et d’un taux de compression test prédéterminé appartenant à la plage de compression de manière à favoriser le rendement du compresseur, et tant que le rendement test du dispositif électrochimique est inférieur à un seuil de rendement minimal prédéterminé, une nouvelle phase de calcul du rendement test à partir d’un nouveau taux de compression test incrémenté appartenant à la plage de compression du compresseur, la pression interne de consigne correspondant à la pression interne test pour laquelle le rendement test respecte le seuil de rendement minimal. Une telle approche par test consiste ainsi, à partir d’un taux de compression hypothétique acceptable pour le compresseur, de vérifier que le rendement du dispositif électrochimique correspondant est acceptable lui aussi. Une telle approche par test permet de déterminer, à partir d’une simple mesure de la pression externe et des données de performance du dispositif électrochimique et de ses éléments associés, une valeur de pression interne pour laquelle à la fois le dispositif électrochimique et ses éléments associés se trouvent dans des bonnes conditions de fonctionnement. En particulier, la pression interne de consigne choisie à l’issue de l’étape détermination assure un bon rendement du dispositif électrochimique tout en limitant la consommation électrique du compresseur. Lorsque la pression externe est modifiée, une nouvelle pression interne de consigne peut être déterminée de manière pratique. Selon un autre aspect de l’invention, l’étape de détermination de la pression interne de consigne comprend : une phase de calcul d’une plage de pressions internes admissibles à partir de la pression externe mesurée et de la plage de compression, et le rendement global étant redéfini grâce à la pression externe mesurée comme une fonction de la pression interne, une phase de maximisation du rendement global sur la plage de pressions internes admissibles, la pression interne de consigne correspondant à la pression interne admissible pour laquelle le rendement global est maximal. Une telle approche d’optimisation considère le rendement du dispositif électrochimique comme une fonction de la pression interne et le rendement du compresseur comme une fonction de deux variables, à savoir la pression interne et la pression externe. A partir de la mesure de la pression externe, le rendement global est réécrit comme une fonction de la pression interne et maximisé sur la plage de pressions internes admissibles. Une telle approche permet avantageusement de déterminer le point de fonctionnement optimal du système de production énergétique, qui diffère de celui du dispositif électrochimique, notamment lorsque la pression externe est élevée, tel qu’à haute altitude à bord d’un aéronef. Selon un aspect de l’invention, le rendement du dispositif électrochimique est proportionnel à la pression interne et le rendement du compresseur est, à pression externe fixée, inversement proportionnel à la pression interne. La pression interne de consigne déterminée est ainsi choisie suffisamment élevée pour favoriser les performances du dispositif électrochimique, et suffisamment faible pour limiter la consommation énergétique du compresseur. Selon un aspect de l’invention, le dispositif électrochimique est refroidi par un circuit de refroidissement possédant un rendement prédéterminé en fonction de la pression interne, le rendement global étant fonction du rendement du circuit de refroidissement. La pression interne de consigne déterminée permet avantageusement de favoriser le fonctionnement du système de production énergétique dans son ensemble, en considérant la consommation énergétique du compresseur et du circuit de refroidissement. Selon un aspect de l’invention, le rendement du dispositif électrochimique est fonction du taux d’oxygène dans le circuit de fluide, le procédé de commande comprenant une étape de mesure du taux d’oxygène dans le circuit de fluide, l’étape de détermination étant mise en œuvre à partir du taux d’oxygène mesuré. La pression interne de consigne est avantageusement déterminée à partir de plusieurs conditions physico-chimiques de l’environnement dans lequel est monté le dispositif électrochimique, à savoir la pression externe et le taux d’oxygène présent. Selon un aspect de l’invention, le dispositif électrochimique se présente sous la forme d’une pile à combustible et, de préférence, le circuit de fluide se présente sous la forme d’un circuit de cathode de la pile à combustible, préférentiellement dans lequel circule de l’air. Les conditions de fonctionnement d’une pile à combustible s’appuient avantageusement notamment sur les conditions physico-chimiques de l’environnement extérieur dans laquelle elle est montée, telle que la pression externe de l’air et son taux d’oxygène. Selon un aspect de l’invention, le dispositif électrochimique comprend un deuxième circuit de fluide de deuxième pression interne contrôlée par une deuxième vanne de régulation, le procédé de commande comprenant une étape de commande de la deuxième vanne de régulation pour atteindre une deuxième pression interne de consigne P10* vérifiant : | P10* - P int * | int * la première pression interne de consigne de la première vanne de régulation du premier circuit de fluide. Le premier circuit de fluide et la première vanne de régulation désignent ici le circuit de fluide et la vanne de régulation décrits précédemment, par distinction avec le deuxième circuit de fluide et la deuxième vanne de régulation. Le procédé selon l’invention permet ainsi de contrôler la pression interne à la fois dans le circuit de comburant et le circuit de carburant d’un dispositif électrochimique. Ceci permet d’assurer une pression sensiblement homogène dans le dispositif électrochimique et ainsi garantir son bon fonctionnement et augmenter sa durée de vie. Selon un aspect préféré de l’invention, le deuxième circuit de fluide se présente sous la forme d’un circuit d’anode de pile à combustible, préférentiellement dans lequel circule de l’hydrogène. Le procédé selon l’invention permet ainsi de contrôler la pression interne à la fois dans le circuit de comburant et le circuit de carburant de la pile à combustible. Selon un aspect de l’invention, le dispositif électrochimique est monté à bord d’un aéronef pour en assurer au moins en partie son alimentation en énergie électrique, ledit procédé étant mis en œuvre durant le vol de l’aéronef. Le procédé selon l’invention est particulièrement avantageusement pour un dispositif électrochimique monté à bord d’un aéronef car les conditions physico-chimiques y varient de manière importante suivant l’altitude. Le procédé selon l’invention permet ainsi d’adapter la pression interne de consigne au cours du vol pour favoriser le rendement global quelle que soit l’altitude de l’aéronef. L’invention concerne également un module de commande d’une vanne de régulation de la pression interne d’un circuit de fluide dans un dispositif électrochimique pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit précédemment, ledit circuit de fluide étant alimenté par un compresseur configuré pour prélever le fluide à une pression externe et le comprimer à la pression interne selon un taux de compression appartenant à une plage de compression prédéterminée, ledit module de commande comportant : un organe de mesure de la pression externe, un organe de stockage de données prédéterminées : du rendement du dispositif électrochimique en fonction de la pression interne, du rendement du compresseur en fonction du taux de compression, du rendement global en fonction du rendement du dispositif électrochimique et du rendement du compresseur, un organe de calcul configuré pour déterminer une pression interne de consigne à partir de la pression externe mesurée et de la plage de compression, de manière à favoriser le rendement global, et un actionneur de vanne de la vanne de régulation pour atteindre la pression interne de consigne. PRESENTATION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables. La est une représentation schématique d’une pile à combustible montée à bord d’un aéronef selon l’art antérieur. La est une représentation schématique d’une pile à combustible montée à bord d’un aéronef selon une forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’un procédé de commande d’une vanne de régulation de la pile à combustible de la selon un mode de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’une étape de détermination d’une pression interne de consigne du procédé de la selon un mode de réalisation de l’invention. La et la sont des représentations schématiques d’une phase de calcul lors de la mise en œuvre de l’étape de détermination de la . La est une représentation schématique de l’étape de détermination d’une pression interne de consigne du procédé de la selon un mode de réalisation alternatif de l’invention. La et la sont des représentations schématiques de la phase de calcul lors de la mise en œuvre de l’étape de détermination de la . La est une représentation schématique d’une pile à combustible montée à bord d’un aéronef selon une autre forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique du procédé de commande de la vanne de régulation de la pile à combustible de la selon un autre mode de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’une pile à combustible montée à bord d’un aéronef selon une autre forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique du procédé de commande de la vanne de régulation de la pile à combustible de la selon un autre mode de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’une pile à combustible montée à bord d’un aéronef selon une autre forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique du procédé de commande de la vanne de régulation de la pile à combustible de la selon un autre mode de réalisation de l’invention. Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant. Procédé de commande d’une vanne de régulation (6) de la pression interne (P int ) d’un circuit de fluide (3) dans un dispositif électrochimique (2), ledit circuit de fluide (3) étant alimenté par un compresseur (4) configuré pour prélever le fluide à une pression externe (P ext ) et le comprimer à la pression interne (P int ) selon un taux de compression (A) appartenant à une plage de compression (B) prédéterminée, ledit procédé comportant une étape de commande (E3) de la vanne de régulation (6) pour atteindre une pression interne de consigne (P int *) et étant caractérisé par le fait qu ’il : est mis en œuvre à partir de données prédéterminées : du rendement (R2) du dispositif électrochimique (2) en fonction de la pression interne (P int ), du rendement (R4) du compresseur (4) en fonction du taux de compression (A), du rendement global (R1) en fonction du rendement (R2) du dispositif électrochimique (2) et du rendement (R4) du compresseur (4), et comprend : une étape de mesure (E1) de la pression externe (P ext ), et une étape de détermination (E2) de la pression interne de consigne (P int *) à partir de la pression externe (P ext ) mesurée et de la plage de compression (B), de manière à favoriser le rendement global (R1). Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de détermination (E2) de la pression interne de consigne (P int *) comprend : une phase de calcul (E2-1) d’un rendement test (R T ) du dispositif électrochimique (2) à partir d’une pression interne test (P T ), ladite pression interne test (P T ) étant calculée à partir de la pression externe (P ext ) mesurée et d’un taux de compression test (A T ) prédéterminé appartenant à la plage de compression (B) de manière à favoriser le rendement (R4) du compresseur (4), et tant que le rendement test (R T ) du dispositif électrochimique (2) est inférieur à un seuil de rendement minimal (S1) prédéterminé, une nouvelle phase de calcul (E2-2) du rendement test (R T ) à partir d’un nouveau taux de compression test (A T ) incrémenté appartenant à la plage de compression (B) du compresseur (4), la pression interne de consigne (P int *) correspondant à la pression interne test (P T ) pour laquelle le rendement test (R T ) respecte le seuil de rendement minimal (S1). Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de détermination (E2) de la pression interne de consigne (P int *) comprend : une phase de calcul (E2-A) d’une plage de pressions internes admissibles (PP A ) à partir de la pression externe (P ext ) mesurée et de la plage de compression (B), et le rendement global (R1) étant redéfini grâce à la pression externe (P ext ) mesurée comme une fonction de la pression interne (P int ), une phase de maximisation (E2-B) du rendement global (R1) sur la plage de pressions internes admissibles (PP A ), la pression interne de consigne (P int *) correspondant à la pression interne admissible (P A ) pour laquelle le rendement global (R1) est maximal. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le rendement (R2) du dispositif électrochimique (2) est proportionnel à la pression interne (P int ) et le rendement (R4) du compresseur (4) est, à pression externe (P ext ) fixée, inversement proportionnel à la pression interne (P int ). Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif électrochimique (2) est refroidi par un circuit de refroidissement (9) possédant un rendement (R9) prédéterminé en fonction de la pression interne (P int ), le rendement global (R1) étant fonction du rendement (R9) du circuit de refroidissement (9). Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le rendement (R2) du dispositif électrochimique (2) est fonction du taux d’oxygène (O) dans le circuit de fluide (3), le procédé de commande comprenant une étape de mesure (E0) du taux d’oxygène (O) dans le circuit de fluide (3), l’étape de détermination (E2) étant mise en œuvre à partir du taux d’oxygène (O) mesuré. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif électrochimique (2) se présente sous la forme d’une pile à combustible et, de préférence, le circuit de fluide (3) se présente sous la forme d’un circuit de cathode de la pile à combustible, préférentiellement dans lequel circule de l’air. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif électrochimique (2) comprend un deuxième circuit de fluide (10) de deuxième pression interne (P10) contrôlée par une deuxième vanne de régulation (11), le procédé de commande comprenant une étape de commande (E4) de la deuxième vanne de régulation (11) pour atteindre une deuxième pression interne de consigne (P10*) vérifiant : | P10* - P int * | Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif électrochimique (2) est monté à bord d’un aéronef pour en assurer au moins en partie son alimentation en énergie électrique, ledit procédé étant mis en œuvre durant le vol de l’aéronef. Module de commande d’une vanne de régulation (6) de la pression interne (P int ) d’un circuit de fluide (3) dans un dispositif électrochimique (2) pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 9, ledit circuit de fluide (3) étant alimenté par un compresseur (4) configuré pour prélever le fluide à une pression externe (P ext ) et le comprimer à la pression interne (P int ) selon un taux de compression (A) appartenant à une plage de compression (B) prédéterminée, ledit module de commande comportant : un organe de mesure (8) de la pression externe (P ext ), un organe de stockage de données prédéterminées : du rendement (R2) du dispositif électrochimique (2) en fonction de la pression interne (P int ), du rendement (R4) du compresseur (4) en fonction du taux de compression (A), du rendement global (R1) en fonction du rendement (R2) du dispositif électrochimique (2) et du rendement (R4) du compresseur (4), un organe de calcul configuré pour déterminer une pression interne de consigne (P int *) à partir de la pression externe (P ext ) mesurée et de la plage de compression (B), de manière à favoriser le rendement global (R1), et un actionneur de vanne (7) de la vanne de régulation (6) pour atteindre la pression interne de consigne (P int *).