Brevet FR3136120A1 — publié le 20231201

Un système de régulation thermique (100) comprenant : - un dispositif électrochimique (1) comprenant deux électrodes (3, 4) et un électrolyte (2) solide ou polymère, - un élément chauffant (5) configuré pour chauffer l’électrolyte (2), - un dispositif de pilotage (6) configuré pour contrôler la puissance de chauffage (P) de l’élément chauffant (5) et, - un dispositif de mesure (7) configuré pour appliquer, entre les électrodes (3, 4), un signal de tension sinusoïdale (U(F)) à une fréquence de référence (F) prédéterminée, et pour mesurer en réponse un signal d’intensité sinusoïdale (I(F)), le dispositif de pilotage (6) étant configuré pour déterminer une mesure de résistance (R(F)) de l’électrolyte (2), et si la mesure de résistance (R(F)) est inférieure à un seuil minimal (Smin(F)) prédéterminé correspondant à une température maximale acceptable de l’électrolyte (2), diminuer la valeur de la puissance de chauffage (P) de l’élément chauffant (5). Figure de l’abrégé : Figure 3 Système et procédé de régulation thermique d’un électrolyte solide ou polymère dans un dispositif électrochimique La présente invention concerne le domaine de la régulation thermique d’un électrolyte solide ou polymère dans un dispositif électrochimique. De manière connue, l’intégration d’un électrolyte solide ou polymère dans un dispositif électrochimique, tel qu’un capteur électrochimique ou une pile à combustible, présente l’avantage de rendre le dispositif électrochimique plus résistant à la chaleur. En effet, les électrolytes liquides ou gélifiés présentent un risque de séchage et de décomposition chimique à température élevée, ce qui peut entraîner une surchauffe. L’utilisation d’électrolytes solides permet donc de réduire ce risque et d’augmenter la sécurité lors de son utilisation. En pratique, il est nécessaire de chauffer l’électrolyte pour assurer le bon fonctionnement du dispositif électrochimique, à savoir générer une mesure représentative d’un élément gazeux pour un capteur électrochimique ou produire suffisamment d’électricité dans le cas d’une pile à combustible. La température à atteindre pour obtenir une conductivité électrique suffisante de l’électrolyte varie selon le matériau de l’électrolyte, de 25°C jusqu’à 200°C pour un polymère et jusqu’à 900°C pour certains électrolytes solides. De manière connue, le chauffage est traditionnellement réalisé par un circuit résistif monté au contact d’une face de l’électrolyte, qui assure un chauffage constant de l’électrolyte. En pratique, un tel chauffage ne permet pas de maintenir l’électrolyte à une température constante car l’électrolyte est soumis à des déperditions thermiques variables en fonction de la température de l’air extérieur. De tels écarts de température ont pour effet de modifier la conductivité électrique du dispositif électrochimique, ce qui peut perturber de manière indésirable les mesures d’un capteur électrochimique ou la production d’électricité d’une pile à combustible. Pour éviter cet inconvénient, une solution serait d’intégrer un capteur de température pour prendre en compte la température extérieure dans la détermination de la puissance de chauffage du circuit résistif. Un tel capteur de température augmenterait toutefois le coût et la complexité du dispositif électrochimique de manière indésirable. L’invention vise ainsi à réguler de manière simple, précise et fiable la température de l’électrolyte solide ou polymère dans un dispositif électrochimique. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention concerne un système de régulation thermique d’un électrolyte solide ou polymère comprenant : au moins un dispositif électrochimique comprenant au moins deux électrodes et au moins un électrolyte solide ou polymère reliant électriquement les électrodes, au moins un élément chauffant configuré pour chauffer l’électrolyte et au moins un dispositif de pilotage configuré pour contrôler la puissance de chauffage de l’élément chauffant, L’invention est remarquable en ce que : le système de régulation thermique comprend au moins un dispositif de mesure configuré pour : appliquer, entre les électrodes, l’un d’au moins un signal de tension ou d’intensité sinusoïdale à au moins une fréquence de référence prédéterminée, et mesurer en réponse, entre les électrodes, l’autre d’au moins un signal d’intensité ou de tension sinusoïdale à ladite fréquence de référence, et le dispositif de pilotage étant relié électriquement au dispositif de mesure, le dispositif de pilotage étant configuré pour : déterminer au moins une mesure de résistance de l’électrolyte à ladite fréquence de référence à partir du signal de tension sinusoïdale et du signal d’intensité sinusoïdale, comparer la mesure de résistance à un seuil minimal prédéterminé à ladite fréquence de référence et correspondant à une température maximale acceptable de l’électrolyte, et si la mesure de résistance est inférieure audit seuil minimal, diminuer la valeur de la puissance de chauffage de l’élément chauffant, pour diminuer la température de l’électrolyte. L’invention permet avantageusement de favoriser les performances d’un dispositif électrochimique à électrolyte solide ou polymère, en maintenant la température de l’électrolyte dans une plage de fonctionnement optimale et constante. Le système de régulation thermique permet avantageusement de déterminer de manière précise et fiable la résistance de l’électrolyte, en prenant en compte les déperditions thermiques que l’électrolyte subit. La température est avantageusement contrôlée de manière simple via la mesure de la résistance électrique, qui est sensible à de faibles variations de température. Grâce à l’invention, l’utilisation opérationnelle du dispositif électrochimique reste efficace malgré des variations de température extérieure. Selon un aspect de l’invention, le dispositif de pilotage est configuré pour : comparer la mesure de résistance à un seuil maximal prédéterminé à ladite fréquence de référence et correspondant à une température minimale acceptable de l’électrolyte, et si la mesure de résistance est supérieure audit seuil maximal, augmenter la valeur de la puissance de chauffage de l’élément chauffant, pour augmenter la température de l’électrolyte. Le dispositif de pilotage permet avantageusement de maintenir de manière simple et pratique la température de l’électrolyte dans une plage de fonctionnement optimale et constante définie entre un seuil minimal et un seuil maximal. Selon un aspect de l’invention, la fréquence de référence est comprise entre 10Hz et 1MHz, de préférence entre 1kHz et 1MHz, préférentiellement entre 10kHz et 1MHz. De telles hautes fréquences permettent de mesurer distinctement le comportement électrique résistif de l’électrolyte, sans inclure celui des électrodes. Selon un premier aspect de l’invention, le dispositif électrochimique se présente sous la forme d’un capteur électrochimique d’au moins un élément gazeux. L’invention permet avantageusement d’améliorer la précision et la fiabilité de mesure des capteurs électrochimiques à électrolyte solide ou polymère. La mesure d’un élément gazeux est ainsi indépendante des conditions extérieures de température. Selon un deuxième aspect de l’invention, le dispositif électrochimique se présente sous la forme d’une pile à combustible. L’invention permet avantageusement de favoriser la production électrique d’une pile à combustible. Selon un aspect de l’invention : le dispositif de mesure est configuré pour : appliquer, entre les électrodes, l’un d’au moins un signal de tension ou d’intensité sinusoïdale à une pluralité de fréquences de référence prédéterminées et mesurer en réponse, entre les électrodes, l’autre d’au moins un signal d’intensité ou de tension sinusoïdale à chaque fréquence de référence, et le dispositif de pilotage est configuré pour : déterminer au moins une mesure de résistance de l’électrolyte pour chaque fréquence de référence, comparer chaque mesure de résistance à un seuil minimal prédéterminé de même fréquence de référence, et si au moins une mesure de résistance est inférieure au seuil minimal de même fréquence de référence, diminuer la valeur de la puissance de chauffage de l’élément chauffant, pour diminuer la température de l’électrolyte. Selon un aspect préféré de l’invention, le dispositif de pilotage est configuré pour : comparer chaque mesure de résistance à un seuil maximal prédéterminé de même fréquence de référence, et si au moins une mesure de résistance est supérieure au seuil maximal de même fréquence de référence, augmenter la valeur de la puissance de chauffage de l’élément chauffant, pour augmenter la température de l’électrolyte. Une pluralité de points de mesure à différentes fréquences de référence permet une régulation de la température plus précise et plus fiable. L’invention concerne également un procédé de régulation thermique d’un électrolyte solide ou polymère au moyen d’un système de régulation thermique tel que décrit précédemment, ledit procédé comprenant : au moins une étape d’application, entre les électrodes, de l’un d’un signal de tension ou d’intensité sinusoïdale à au moins une fréquence de référence prédéterminée, au moins une étape de mesure en réponse, entre les électrodes, de l’autre d’un signal d’intensité ou de tension sinusoïdale à ladite fréquence de référence, au moins une étape de détermination d’une mesure de résistance de l’électrolyte à ladite fréquence de référence, à partir du signal de tension sinusoïdale et du signal d’intensité sinusoïdale, au moins une étape de comparaison de la mesure de résistance à un seuil minimal prédéterminé à ladite fréquence de référence et correspondant à une température maximale acceptable de l’électrolyte, et si la mesure de résistance est inférieure audit seuil minimal, une étape de diminution de la valeur de la puissance de chauffage de l’élément chauffant, pour diminuer la température de l’électrolyte. Un tel procédé est avantageusement pratique et rapide à mettre en œuvre, par simple mesure du comportement électrique résistif de l’électrolyte et comparaison à un seuil prédéterminé. La résistance de l’électrolyte est sensible à de faibles variations de la température ce qui permet un contrôle précis, sans nécessiter de capteur de température trop coûteux et complexe. Selon un aspect de l’invention, le procédé comprend en outre : au moins une étape de comparaison de la mesure de résistance à un seuil maximal prédéterminé à ladite fréquence de référence et correspondant à une température minimale acceptable de l’électrolyte, si la mesure de résistance est supérieure audit seuil maximal, une étape d’augmentation de la valeur de la puissance de chauffage de l’élément chauffant, pour augmenter la température de l’électrolyte. Selon un aspect de l’invention, le procédé est répété jusqu’à ce que la mesure de résistance soit comprise entre le seuil minimal et le seuil maximal. Le seuil minimal et le seuil maximal permettent de maintenir l’électrolyte dans une plage de fonctionnement optimal pour l’utilisation opérationnelle du dispositif électrochimique. Selon un aspect préféré, le procédé comprend : au moins une étape d’application, entre les électrodes, de l’un d’un signal de tension ou d’intensité sinusoïdale à une pluralité de fréquences de référence prédéterminées, au moins une étape de mesure en réponse, entre les électrodes, de l’autre d’un signal d’intensité ou de tension sinusoïdale à chaque fréquence de référence, au moins une étape de détermination d’une mesure de résistance de l’électrolyte à chaque fréquence de référence, à partir du signal de tension sinusoïdale et du signal d’intensité sinusoïdale, au moins une étape de comparaison de chaque mesure de résistance à un seuil minimal prédéterminé de même fréquence de référence et correspondant à une température maximale acceptable de l’électrolyte, et si au moins une mesure de résistance est inférieure audit seuil minimal de même fréquence de référence, une étape de diminution de la valeur de la puissance de chauffage de l’élément chauffant, pour diminuer la température de l’électrolyte. Selon un aspect préféré, le procédé comprend en outre : au moins une étape de comparaison de chaque mesure de résistance à un seuil maximal prédéterminé de même fréquence de référence et correspondant à une température minimale acceptable de l’électrolyte, si au moins une mesure de résistance est supérieure audit seuil maximal de même fréquence de référence, une étape d’augmentation de la valeur de la puissance de chauffage de l’élément chauffant, pour augmenter la température de l’électrolyte. Selon un aspect de l’invention, le procédé comprend au moins une phase d’attente entre deux phases d’utilisation opérationnelle du dispositif électrochimique, ledit procédé étant mis en œuvre au cours d’une phase d’attente. Le procédé de régulation thermique est avantageusement mis en œuvre lorsque le dispositif électrochimique est en phase d’attente pour éviter toute interférence qui pourrait fausser la mesure de la résistance ou impacter l’utilisation opérationnelle du dispositif électrochimique. Selon un aspect préféré, le procédé comprend en outre, de manière initiale lors d’une phase de calibration : à une température optimale de l’électrolyte, au moins une étape d’application, entre les électrodes, de l’un d’un signal de tension ou d’intensité sinusoïdale de calibration à une pluralité de fréquences de calibration, à la température optimale de l’électrolyte, au moins une étape de mesure en réponse, entre les électrodes, de l’autre d’un signal d’intensité ou de tension sinusoïdale de calibration à chaque fréquence de calibration, au moins une étape de sélection d’au moins une fréquence de référence parmi les fréquences de calibration, au moins une étape de détermination, à partir du signal de tension sinusoïdale et du signal d’intensité sinusoïdale à la fréquence de référence sélectionnée et à la température optimale, d’une mesure de résistance définissant un seuil minimal. Selon un aspect préféré, l’étape de détermination comporte également, à partir du signal de tension sinusoïdale et du signal d’intensité sinusoïdale à la fréquence de référence sélectionnée et à la température optimale, la détermination d’une mesure de résistance définissant un seuil maximal. Selon un aspect préféré, l’étape de sélection est mise en œuvre en : déterminant, à la température optimale, une mesure de l’impédance pour chaque fréquence de calibration à partir du couple de signaux de tension et d’intensité de même fréquence de calibration, déterminant le diagramme de Nyquist de la mesure de l’impédance, sélectionnant une fréquence de référence supérieure ou égale à une fréquence caractéristique définie comme la fréquence minimale pour laquelle le diagramme de Nyquist présente un minimum local. Une telle sélection permet de déterminer une fréquence de référence permettant de mesurer distinctement le comportement électrique de l’électrolyte, sans inclure celui des électrodes. 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’un système de régulation thermique de l’électrolyte solide ou polymère d’un capteur électrochimique selon une première forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique du système de régulation thermique de la lors d’une phase d’utilisation opérationnelle du capteur électrochimique. La est une représentation schématique du système de régulation thermique de la lors de la mise en œuvre du procédé de régulation thermique durant une phase d’attente du capteur électrochimique. La est une représentation schématique du système de régulation thermique de la lors d’une phase de calibration initiale du procédé de régulation thermique. La est une représentation schématique d’un système électrochimique à régulation thermique intégrée selon une deuxième forme de réalisation de l’invention avec une pile à combustible. La est une représentation schématique des phases de calibration initiale, d’utilisation fonctionnelle et d’attente du capteur électrochimique du système électrochimique de la . La est une représentation schématique du procédé de régulation thermique de l’électrolyte solide ou polymère d’un système électrochimique selon un mode de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique de la phase de calibration initiale du procédé de régulation thermique de la selon un mode de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique de l’étape de sélection d’une fréquence de référence lors de la phase de calibration initiale de la . 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. Système de régulation thermique (100) d’un électrolyte (2) solide ou polymère comprenant : au moins un dispositif électrochimique (1, 1’) comprenant au moins deux électrodes (3, 4) et au moins un électrolyte (2) solide ou polymère reliant électriquement les électrodes (3,4), au moins un élément chauffant (5) configuré pour chauffer l’électrolyte (2) et au moins un dispositif de pilotage (6) configuré pour contrôler la puissance de chauffage (P) de l’élément chauffant (5), le système de régulation thermique (100) étant caractérisé en ce qu’ il comprend au moins un dispositif de mesure (7) configuré pour : appliquer, entre les électrodes (3, 4), l’un d’au moins un signal de tension ou d’intensité sinusoïdale (U(F), I(F)) à au moins une fréquence de référence (F) prédéterminée, et mesurer en réponse, entre les électrodes (3, 4) l’autre d’au moins un signal d’intensité ou de tension sinusoïdale (I(F), U(F)) à ladite fréquence de référence (F), le dispositif de pilotage (6) étant relié électriquement au dispositif de mesure (7), le dispositif de pilotage (6) étant configuré pour : déterminer au moins une mesure de résistance (R(F)) de l’électrolyte (2) à ladite fréquence de référence (F) à partir du signal de tension sinusoïdale (U(F)) et du signal d’intensité sinusoïdale (I(F)), comparer la mesure de résistance (R(F)) à un seuil minimal (Smin(F)) prédéterminé à ladite fréquence de référence (F) et correspondant à une température maximale acceptable de l’électrolyte (2), et si la mesure de résistance (R(F)) est inférieure audit seuil minimal (Smin(F)), diminuer la valeur de la puissance de chauffage (P) de l’élément chauffant (5), pour diminuer la température de l’électrolyte (2). Système de régulation thermique (100) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de pilotage (6) est configuré pour : comparer la mesure de résistance (R(F)) à un seuil maximal (Smax(F)) prédéterminé à ladite fréquence de référence (F) et correspondant à une température minimale acceptable de l’électrolyte (2), et si la mesure de résistance (R(F)) est supérieure audit seuil maximal (Smax(F)), augmenter la valeur de la puissance de chauffage (P) de l’élément chauffant (5), pour augmenter la température de l’électrolyte (2). Système de régulation thermique (100) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la fréquence de référence (F) est comprise entre 10Hz et 1MHz, de préférence entre 1kHz et 1MHz, préférentiellement entre 10kHz et 1MHz. Système de régulation thermique (100) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif électrochimique (1) se présente sous la forme d’un capteur électrochimique d’au moins un élément gazeux. Système de régulation thermique (100) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif électrochimique (1’) se présente sous la forme d’une pile à combustible. Système de régulation thermique (100) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel : le dispositif de mesure (7) est configuré pour : appliquer, entre les électrodes (3, 4), l’un d’au moins un signal de tension ou d’intensité sinusoïdale (U(F), I(F)) à une pluralité de fréquences de référence (F) prédéterminées et mesurer en réponse, entre les électrodes (3, 4), l’autre d’au moins un signal d’intensité ou de tension sinusoïdale (I(F), U(F)) à chaque fréquence de référence (F), le dispositif de pilotage (6) étant configuré pour : déterminer au moins une mesure de résistance (R(F)) de l’électrolyte (2) pour chaque fréquence de référence (F), comparer chaque mesure de résistance (R(F)) à un seuil minimal (Smin(F)) prédéterminé de même fréquence de référence (F), et si au moins une mesure de résistance (R(F)) est inférieure au seuil minimal (Smin(F)) de même fréquence de référence (F), diminuer la valeur de la puissance de chauffage (P) de l’élément chauffant (5), pour diminuer la température de l’électrolyte (2). Procédé de régulation thermique d’un électrolyte (2) solide ou polymère au moyen d’un système de régulation thermique (100) selon l’une des revendications 1 à 6, ledit procédé comprenant : au moins une étape d’application (E1), entre les électrodes (3, 4), de l’un d’un signal de tension ou d’intensité sinusoïdale (U(F), I(F)) à au moins une fréquence de référence (F) prédéterminée, au moins une étape de mesure (E2) en réponse, entre les électrodes (3, 4), de l’autre d’un signal d’intensité ou de tension sinusoïdale (I(F), U(F)) à ladite fréquence de référence (F), au moins une étape de détermination (E3) d’une mesure de résistance (R(F)) de l’électrolyte (2) à ladite fréquence de référence (F), à partir du signal de tension sinusoïdale (U(F)) et du signal d’intensité sinusoïdale (I(F)), au moins une étape de comparaison (E4) de la mesure de résistance (R(F)) à un seuil minimal (Smin(F)) prédéterminé à ladite fréquence de référence (F) et correspondant à une température maximale acceptable de l’électrolyte (2), si la mesure de résistance (R) est inférieure audit seuil minimal (Smin(F)), une étape de diminution (E5) de la valeur de la puissance de chauffage (P) de l’élément chauffant (5), pour diminuer la température de l’électrolyte (2). Procédé de régulation thermique selon la revendication 7, comprenant en outre : au moins une étape de comparaison (E4) de la mesure de résistance (R(F)) à un seuil maximal (Smax(F)) prédéterminé à ladite fréquence de référence (F) et correspondant à une température minimale acceptable de l’électrolyte (2), si la mesure de résistance (R(F)) est supérieure audit seuil maximal (Smax(F)), une étape d’augmentation (E6) de la valeur de la puissance de chauffage (P) de l’élément chauffant (5), pour augmenter la température de l’électrolyte (2). Procédé de régulation thermique selon la revendication 8, qui est répété jusqu’à ce que la mesure de résistance (R(F)) soit comprise entre le seuil minimal (Smin(F)) et le seuil maximal (Smax(F)). Procédé de régulation thermique selon l’une des revendications 7 à 9, comprenant au moins une phase d’attente (E) entre deux phases d’utilisation opérationnelle (M) du dispositif électrochimique (1), ledit procédé étant mis en œuvre au cours d’une phase d’attente (E).