EP4352808A1 - Method for detecting a hydrogen leak in a fuel cell system and fuel cell system for implementing such a method - Google Patents

Method for detecting a hydrogen leak in a fuel cell system and fuel cell system for implementing such a method

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EP4352808A1
EP4352808A1 EP22733400.0A EP22733400A EP4352808A1 EP 4352808 A1 EP4352808 A1 EP 4352808A1 EP 22733400 A EP22733400 A EP 22733400A EP 4352808 A1 EP4352808 A1 EP 4352808A1
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EP
European Patent Office
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hydrogen
fuel cell
venturi
ejector
anode compartment
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EP22733400.0A
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German (de)
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Gino Paganelli
Lionel JEANRICHARD-DIT-BRESSEL
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Symbio SAS
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Symbio SAS
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Publication date
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    • H01M8/04925Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks

Definitions

  • TITLE Hydrogen leak detection method in a fuel cell system and fuel cell system for the implementation of such a method
  • the present invention relates to a method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system and a fuel cell system making it possible to implement such a method.
  • a fuel cell system generally comprises a fuel cell allowing the production of electrical energy by an electrochemical reaction, as well as a hydrogen supply system and a purge system to allow the operation of this fuel cell.
  • a fuel cell generally comprises the series association of unitary elements which each consist essentially of an anode and a cathode separated by a polymer membrane allowing the passage of protons from the anode to the cathode.
  • KR 10-1393581 a method for determining hydrogen leaks in a fuel cell system, during operation. This method is based on the difference between the hydrogen consumption calculated according to the current produced by the fuel cell and the hydrogen consumption estimated according to the pressure drop through a hydrogen supply valve.
  • the invention more particularly intends to remedy by proposing an improved method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system.
  • the invention relates to a method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system, the fuel cell system comprising at least: a stack of electrochemical cells forming a fuel cell comprising an anode compartment and a cathode compartment separated by a proton exchange polymer membrane; a hydrogen supply system comprising a hydrogen tank and a supply circuit connecting the hydrogen tank to the inlet of the anode compartment of the fuel cell, the supply circuit comprising a Venturi-type ejector; a circuit for recirculating hydrogen not consumed by the fuel cell between the outlet of the anode compartment of the fuel cell and the Venturi-type ejector of the supply circuit, the recirculation of the hydrogen not consumed being driven by the Venturi effect ejector; and
  • a purge system comprising a purge and drainage valve for the anode compartment.
  • the hydrogen leak detection method comprises at least the following steps: a) calculating the total flow rate of hydrogen consumed by the fuel cell system; b) calculate the hydrogen flow admitted by the hydrogen supply system at the inlet of the venturi ejector; c) determining the leak rate by calculating the difference between the flow rate of hydrogen admitted and the total flow rate of hydrogen consumed; and d) detecting a possible hydrogen leak in the fuel cell system by comparing the leak rate with at least one threshold value, such that the method detects all of the hydrogen leaks occurring in the system fuel cell stack downstream of the Venturi-type ejector.
  • the method for detecting a hydrogen leak in a fuel cell system makes it possible to detect a hydrogen leak with great precision and independently of the location of this leak in the fuel cell system, including in the event of a low-intensity leak.
  • this method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system incorporates one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically admissible combination:
  • the pressure gradient P anode.in is obtained by a constant intake purge method consisting in postponing the restoration of the pressure lost in the anode compartment of the fuel cell during a purge by postponing the opening of a fuel system hydrogen supply valve.
  • step a the flow rate of hydrogen consumed by permeation Q H 2.out xo through the polymer proton exchange membrane from the anode compartment to the cathode compartment is calculated according to the following equation:
  • step b) the flow rate of hydrogen admitted Q H2 .i n by the hydrogen supply system in the intake manifold of the Venturi type ejector is calculated according to whether the Flow occurring within the Venturi type ejector is a subsonic flow regime or a sonic flow regime.
  • the hydrogen flow rate admitted Q H 2.in sub P ar I e hydrogen supply system in the intake manifold of the Venturi type ejector is calculated according to the following equation:
  • Q H 2.m sub 5 x P 1 x
  • a c x in the ac l ue l e Pi is ' a pressure of the hydrogen admitted in the Venturi-type ejector inlet manifold
  • Ti is the temperature of the hydrogen admitted to the Venturi-type ejector inlet
  • P ⁇ is the hydrogen pressure at the outlet of the Venturi-type ejector Venturi
  • d is the efficiency of the sonic neck of the Venturi type ejector
  • a c is the smallest section of the sonic neck of the ejector
  • MW h2 is the molar mass of dihydrogen
  • y is the adiabatic coefficient of dihydrogen
  • R is the universal ideal gas constant.
  • the hydrogen flow rate Q H 2.in S0Jl admitted by the hydrogen supply system into the intake manifold of the Venturi-type ejector is calculated with the following equation: Q H 2.in son dx P x x A c x r- XY x ( ) 2C(U-1) in which Pi is the pressure of the hydrogen admitted into the inlet pipe of the ejector of Venturi type, Ti is the temperature of the hydrogen admitted into the intake manifold of the Venturi type ejector, d is the sonic throat efficiency of the Venturi type ejector, A c is the smallest cross section of the sonic neck of the ejector, MW h2 is the molar mass of dihydrogen, y is the adiabatic coefficient of dihydrogen and R is the universal ideal gas constant.
  • step c) The leak rate determined in step c) is filtered before performing the comparison with at least one threshold value.
  • the leak rate determined in step c) is filtered using two different filters and the results obtained by these two filters are compared with two different detection thresholds: a first leak detection threshold compared to the leak rate filtered with a first-order low-pass filter with a time constant equal to a first value; and a second leak detection threshold compared to the leak flow rate filtered with a first order low pass filter of time constant equal to a second value.
  • the first leak detection threshold has a value higher than that of the second leak detection threshold and the first time constant value is lower than the second time constant value.
  • the hydrogen leak detection method is carried out cyclically, in real time, and, preferably, steps c) and d) of the hydrogen leak detection method are carried out by a control computer of the fuel cell system at each ECU sampling period.
  • the invention also relates to a fuel cell system for implementing the hydrogen leak detection method described above, this fuel cell system comprising at least: a stack of electrochemical cells forming a fuel cell comprising an anode compartment and a cathode compartment separated by a proton exchange polymer membrane; a hydrogen supply system comprising a hydrogen tank and a supply circuit connecting the hydrogen tank to the inlet of the anode compartment of the fuel cell, the supply circuit comprising a Venturi-type ejector; a circuit for recirculating hydrogen not consumed by the fuel cell between the outlet of the anode compartment of the fuel cell and the Venturi-type ejector of the supply circuit, the recirculation of the hydrogen not consumed being driven by the Venturi effect ejector;
  • a purge system comprising a purge and drainage valve for the anode compartment; and a computer to implement steps a) to d) of the hydrogen leak detection method.
  • This fuel cell system induces the same advantages as those mentioned above regarding the leak detection method of the invention.
  • this fuel cell system further comprises a pressure sensor and a temperature sensor arranged upstream of the Venturi-type ejector and a pressure sensor arranged downstream of the Venturi-type ejector.
  • FIG. 1 is a fluid diagram of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 is a detail view of part of the fuel cell system of Figure 1;
  • FIG. 3 is a graph of the evolution over time of the pressure measured by a sensor of the fuel cell system of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the steps of a hydrogen leak detection method in a fuel cell system, this method being in accordance with the invention.
  • Figure 5 is an example of results obtained by the leak detection method shown in Figure 4 applied to a fuel cell system without hydrogen leakage.
  • a fuel cell system 10 is represented in FIGS. 1 to 2. This fuel cell system is, for example, intended to be integrated into a vehicle with an electric motor in order to produce electrical energy allowing the operation of the motor.
  • This fuel cell system 10 includes a fuel cell 12.
  • the fuel cell 12 comprises a stack of electrochemical cells 14, only one of which is represented in FIG. 1, for the sake of simplification.
  • the fuel cell 12 comprises an integer number N of electrochemical cells 14, N being preferably between 1 and several hundred, more preferably between 64 and 416.
  • Each electrochemical cell 14 includes an anode compartment 16, which forms the anode of the electrochemical cell, and a cathode compartment 18, which forms the cathode of the electrochemical cell.
  • the anode compartment 16 and the cathode compartment 18 are separated by a proton exchange polymer membrane 20 .
  • the anode compartment 16 is supplied with combustible gas, generally pure dihydrogen, more commonly called hydrogen for the sake of simplification, and the cathode compartment 18 is supplied with oxidizing gas, generally dioxygen, plus commonly called oxygen for the sake of simplification, either pure or included in a mixture of gases, for example air.
  • combustible gas generally pure dihydrogen, more commonly called hydrogen for the sake of simplification
  • oxidizing gas generally dioxygen, plus commonly called oxygen for the sake of simplification, either pure or included in a mixture of gases, for example air.
  • hydrofluor and “dihydrogen” are used interchangeably to designate dihydrogen.
  • the fuel cell 12 comprises as many anode compartments 16, cathode compartments 18 and membranes 20 as there are electrochemical cells 14, that is to say N.
  • electrochemical cells 14 that is to say N.
  • all the anode compartments are assimilated to a single anode compartment 16, which forms the anode of the fuel cell 12
  • all the cathode compartments are assimilated to a single cathode compartment 18, which forms the cathode of the fuel cell 12
  • all the membranes 20 are assimilated to a single membrane 20, which separates the anode and the cathode of the fuel cell 12.
  • An inlet 22 and an outlet 24 are defined at the level of the anode compartment 16.
  • the fuel cell system 10 comprises a hydrogen supply system 30.
  • the hydrogen supply system 30 comprises a hydrogen tank 32 and a supply circuit 34 connecting the hydrogen tank 32 to the inlet 22 of the anode compartment 16.
  • the inlet 22 is configured to let in hydrogen in the anode compartment.
  • shut-off valves are installed between the hydrogen tank 32 and the supply valve 38.
  • the supply valve 38 makes it possible to control the flow of hydrogen supplied by the hydrogen tank 32 to the fuel cell 12.
  • the supply valve 38 is for example a proportional valve, i.e. say that it delivers a flow of hydrogen proportional to its opening.
  • the fuel cell system 10 includes a purge system 50.
  • the purge system 50 includes a purge circuit 52 which connects the outlet 24 of the anode compartment 16 with the exterior of the system. fuel cell 10, for example the atmosphere, as well as a purge and drain valve 54 installed on the purge circuit 52 and allowing or prohibiting the purge depending on whether it is open or closed.
  • the purge and drain valve 54 allows a so-called “discontinuous” purge of the anode compartment 16.
  • the outlet 24 is configured to let gases and/or liquids out of the anode compartment 16.
  • the purge and drain valve 54 is, for example, a so-called “all or nothing” solenoid valve.
  • the purge system 50 makes it possible to purge the anode compartment 16 of liquid water and non-combustible gases, such as for example nitrogen or water vapour, which may accumulate there.
  • non-combustible gases such as for example nitrogen or water vapour
  • the fuel cell system 10 also includes a recirculation system 60.
  • the recirculation system 60 is a circuit connecting the outlet 24 of the anode compartment 16 to the Venturi type ejector 36 of the supply circuit 34 which makes it possible to recirculate hydrogen.
  • the recirculation system 60 comprises hydrogen separation means, not shown, which make it possible to separate the hydrogen not consumed by the fuel cell 12 from the liquid water present at the outlet. 24 of the anode compartment 16, thus making it possible not to recirculate liquid water.
  • This recirculation of hydrogen is advantageous because it improves the performance of the fuel cell without increasing the consumption of hydrogen.
  • this recirculation makes it possible to ensure a sufficient flow rate of hydrogen within the anode compartment 16 of the fuel cell 12 to avoid any accumulation of liquid water in the anode compartment and thus to avoid local shortages of hydrogen, allowing by to ensure optimal performance and durability of the fuel cell.
  • the ejector 36 comprises a hydrogen inlet pipe 62, which is in practice connected to the part of the supply circuit 34 located upstream of the ejector.
  • the ejector 36 also includes a sonic neck 64, into which is channeled all the hydrogen admitted by the hydrogen intake pipe 62.
  • This sonic neck has the effect of increasing the speed of the hydrogen and reduce the pressure of the hydrogen, until a depression is created downstream of the sonic throat 64.
  • the ejector 36 also includes openings 66, arranged downstream of the sonic neck 64, which are connected to the downstream end of the recirculation system 60.
  • the recirculation system 60 opens into the Venturi type ejector 36 at the level gills 66.
  • the vacuum created downstream of the sonic neck 64 by the Venturi effect causes suction through the vents 66, which makes it possible to suck in the hydrogen contained in the recirculation system and thus to circulate the hydrogen in this system.
  • the ejector 36 further comprises an outlet pipe 68, connected to the part of the supply circuit 34 located downstream of the ejector.
  • the outlet pipe 68 of the ejector is therefore connected to the inlet 22 of the anode compartment 16 of the fuel cell 12, through a section of the supply circuit.
  • the hydrogen flow at the inlet of the ejector 36 corresponds to the hydrogen flow supplied by the hydrogen tank 32 and the hydrogen flow at the outlet of the ejector corresponds to the sum of the flow of hydrogen supplied by the hydrogen tank and the flow of hydrogen recirculated within the recirculation system 60.
  • the fuel cell system 10 also includes a control system 80.
  • the control system 80 includes, among other things, two actuators 82, 84, a temperature sensor 86, two pressure sensors 88 and 90 and a computer 92.
  • the actuators 82 and 84 are, for example, solenoids and make it possible to respectively actuate the supply valve 38 and the purge valve 54.
  • the actuator 82 makes it possible to open the supply valve 38 gradually and thus to adjust the flow of hydrogen supplied to the ejector 36 by the supply circuit 34 in proportion to the opening of the valve. food 38.
  • the actuator 84 makes it possible to open and close the purge and drain valve 54 and thus trigger and interrupt a purge of the anode compartment 16 of the fuel cell 12.
  • the temperature sensor 86 and the first pressure sensor 88 are installed on the supply circuit 34 upstream of the Venturi-type ejector 36. In practice, these two sensors are arranged as close as possible to the pipe 62 of admission of hydrogen from the ejector 36, therefore downstream of the supply valve 38, so as to respectively measure the temperature and the pressure of the gas at the inlet of the ejector.
  • Ti the temperature of the hydrogen admitted at the inlet of the ejector 36, measured by the temperature sensor 86.
  • the second pressure sensor 90 is installed on the supply circuit 34 downstream of the ejector 36.
  • P2 the hydrogen pressure at the outlet of the ejector 36, measured by the pressure sensor 90.
  • the computer 92 can be a computer, an integrated circuit card equipped with a microprocessor, an automaton or else software executed on a server.
  • the computer 92 is a control computer for the fuel cell 10.
  • Computer 92 controls actuators 82 and 84 and retrieves data from temperature sensor 86 and pressure sensors 88 and 90.
  • the computer 92 executes control software for the fuel cell system 10.
  • the computer 92 makes it possible to adapt the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell 12 by adjusting the opening of the valve 38 according to operating parameters of the fuel cell, such as for example the hydrogen pressure P2 measured at the inlet of the anode compartment 16.
  • the computer 92 sends a command signal S38 to open the valve 38 to the actuator 82, the command being proportional to the hydrogen flow to be supplied to the fuel cell 12.
  • This signal S3s to command the opening of the valve 38 is updated in real time during operation of fuel cell system 10.
  • the computer 92 also makes it possible to control the purges of the anode compartment 16 by controlling the opening of the purge and drain valve 54, by means of a signal S 5 4 sent to this valve, for example according to a predefined frequency or in fuel cell operating parameters function 12.
  • the hydrogen used in the fuel cell system 10 is very dry and very pure, that is to say that the gas stored in the hydrogen tank 32 is composed of at least 99.97% dihydrogen.
  • the temperature Ti is expressed in kelvin (K) and the pressures Pi and P2 are expressed in pascals (P) or in bar.
  • Figure 3 shows the evolution of the pressure P ⁇ in the anode compartment 16 during a discontinuous purge of the anode compartment 16 towards the outside of the fuel cell system 10.
  • the pressure P ⁇ in the anode compartment 16 corresponds to the pressure P 2 measured by the pressure sensor 90, since the supply circuit 34 downstream of the ejector 36 and the anode compartment 16 are directly connected by the inlet 22 of the anode compartment. Before the anode compartment 16 is purged, the pressure Pi 6 in the anode compartment 16 is equal to a nominal pressure, denoted “P nom ”.
  • the purge valve 54 is opened on command from the computer 92, for a predefined time interval, between times to and ti.
  • the signal S38 for controlling the opening of the supply valve 38 transmitted by the computer 92 is frozen, from so that, between to and ti, the opening of the supply valve 38 is maintained at a constant level.
  • the hydrogen flow supplied by the supply circuit 34 to the ejector 36 is constant. This is referred to as “constant intake purge”.
  • the opening of the purge valve 54 leads to a decrease in pressure in the anode compartment 16. Indeed, since the opening of the supply valve 38 is fixed during the purge , the gas escaping to the outside through the purge valve 54 is not replaced.
  • Equation 1 in which: - MW h 2 is the molar mass of dihydrogen, in practice equal to 2.0159 grams per mole (g/mol),
  • Jxmol 1 xK 1 the universal ideal gas constant, in Joules per mole kelvin (Jxmol 1 xK 1 ), equal to approximately 8.314 Jxmol 1 xK 1 ,
  • - T is the temperature within the anode compartment 16, expressed in Kelvin, measured by a sensor not shown in the figures,
  • n ode is the volume of the anode compartment 16, in liters (I), and
  • Panode.in is the pressure gradient P2 measured at the inlet of the anode compartment 16 by the pressure sensor 90 during a purge, in bars per second (bar/s).
  • the calculation of the hydrogen purge flow is performed by the computer 92 in real time.
  • the computer 92 sends a modified opening control signal S 34 to the actuator 82 of the supply valve 38, so as to restore the pressure lost in the anode compartment 16 during the purge.
  • the opening control is thus adapted so as to increase the flow rate of hydrogen admitted from the minimum pressure P m m until a pressure Pi 6 equal to the nominal pressure P n0 m is found in the anode compartment 16.
  • the modification of the opening control of the supply valve 38 allowing the increase in the flow rate of hydrogen admitted, and thus the restoration of the nominal pressure P n0 m, is deferred in time by relative to the opening of the purge and drain valve 54, which makes it possible to generate a pressure gradient and thus to calculate the flow rate of hydrogen purged, thanks to equation 1.
  • This method is then referred to as “delayed purge”.
  • the opening time of the purge and drain valve 54 which corresponds to the purge time between time to and time ti, is between 0.1 second and 1 second.
  • the purge time is 0.2 seconds.
  • phase difference between the opening of the purge and drain valve 54 and the admission of hydrogen compensating for the loss of hydrogen linked to the purge is negligible.
  • this hydrogen leak detection method is implemented automatically by the computer 92.
  • the hydrogen leak detection method is performed in real time. In addition, this method is carried out cyclically. The steps carried out in each cycle of the hydrogen leak detection method in accordance with the invention are now described. This method comprises a first step 110 of starting.
  • This method comprises a second step 120 of measurements, carried out after step 110 of starting.
  • the temperature Ti is measured by the temperature sensor 86
  • the pressure Pi is measured by the first pressure sensor 88
  • the pressure P 2 is measured by the second pressure sensor 90
  • the data from the sensors 86, 88 and 90 are transmitted to computer 92.
  • the method comprises a third step 130 of calculating the total flow of hydrogen consumed by the fuel cell system 10, subsequent to step 120 of measurements. This total flow of hydrogen consumed is denoted Q H 2.out-
  • the total flow of hydrogen Q H2.0 ut consumed by the fuel cell system 10 is calculated using the following equation:
  • Q H 2.out xo is a flow rate of hydrogen consumed by permeation of the proton exchange polymer membrane 20; and is I e flow rate of purged hydrogen calculated using equation 1 introduced above, corresponding to the loss of hydrogen in the purges.
  • the flow rate of purged hydrogen Q H 2.out puv g is zero when no purge of the fuel cell system 10 is in progress.
  • the base rate ⁇ ii2.o ui sto of hydrogen consumed by the fuel cell 12 is linked by a stoichiometric relationship to the electric current produced by the fuel cell.
  • this base flow is also called “stoichiometric consumption” and is calculated using the following equation:
  • - MW h 2 is the molar mass of dihydrogen, in practice equal to 2.0159 grams per mole (g/mol);
  • N is the number of electrochemical cells 14 of the fuel cell 12;
  • F is Faraday's constant, in practice equal to 96485 Coulombs per mole
  • - I is the current generated by the fuel cell 12, in amperes (A).
  • the flow rate C ii2.o ui xo of hydrogen consumed by permeation through the polymeric proton exchange membrane 20 corresponds to a flow rate of hydrogen transferred from the anode to the cathode during normal operation of the fuel cell 12 , that is to say at a flow rate of hydrogen passing through the membrane 20.
  • This transfer of hydrogen by permeation is also called the "cross over" mechanism and appears under the effect of the osmotic pressure appearing in the electrochemical cells 14 due to the strong difference in concentration of hydrogen on either side of the membrane 20.
  • the rate of this hydrogen transfer is thus expressed as an equivalent crossover current.
  • crossover current density during the lifetime of the fuel cell 12 is known.
  • the increase in crossover current over the life of the battery is relatively small and can reasonably be neglected.
  • the crossover current represents a very low value compared to the main current generated by the fuel cell.
  • the crossover current has a value of about 2mA/cm2, so that the main current generated by the fuel cell has a value of approximately 1A/cm2.
  • the hydrogen leak detection method comprises a fourth step 140 of calculating the flow rate of hydrogen admitted by the hydrogen supply system at the inlet of the Venturi type ejector, denoted “Q H2 .in This fourth step 140 is carried out by computer 92 subsequently to step 120 of measurements and simultaneously to step 130.
  • the flow rate of hydrogen admitted Q h2 .m corresponds to the flow rate of hydrogen through the hydrogen inlet pipe 62 and the sonic neck 64 of the ejector 36 of the Venturi type.
  • the calculation of the allowed hydrogen flow rate Q H2 .in depends on the flow regime within the Venturi-type ejector 36: the flow of hydrogen in the ejector can take two types of flow regime, depending on whether the ratio of the pressure P 2 to the pressure Pi is lower or higher than a critical pressure ratio denoted V cr .
  • the critical pressure ratio V cr is calculated according to the following equation:
  • Equation 5 in which y is the adiabatic coefficient of hydrogen at the temperature Ti measured by the temperature sensor 86, also called the Laplace coefficient.
  • Equation 6 in which: d is the efficiency of the sonic neck 64 so as to account for friction losses. Preferably, d is equal to 0.97. In practice d is adapted to each fuel cell system 10 thanks to an empirical calibration under controlled conditions;
  • a c is the smallest section of the sonic neck 64, expressed in square meters (m 2 ); MW h 2 is the molar mass of dihydrogen;
  • Jxmol 1 xK 1 the universal ideal gas constant, in Joules per mole kelvin (Jxmol 1 xK 1 ), equal to approximately 8.314 Jxmol 1 xK 1 .
  • the hydrogen leak detection method comprises a fifth step 150 of calculating the hydrogen leak rate in the fuel cell system 10, carried out by the computer 92 subsequently to steps 130 and 140.
  • This leak rate of hydrogen is noted Q .ieak and is calculated using the following equation:
  • QH2.in equals Q H 2.in sub , calculated using equation 6 above, or Q H 2.in son > calculated using equation 7 above , depending on whether the hydrogen flow rate admitted into the Venturi-type ejector 36 is subsonic or sonic; and QH2.YES is calculated using equation 2 above.
  • the hydrogen leak rate Q H2 .i e ak a i ns i obtained is expressed in grams per second (g/s).
  • the method comprises a sixth step 160 of hydrogen leak detection in the fuel cell system 10. During this step, the hydrogen leak rate Q H2 .i e ak is compared with one or more threshold values to detect a possible hydrogen leak.
  • a first approach is to directly compare the hydrogen leak rate Qm.i eak calculated during step 150 with a predefined leak detection threshold value, denoted Q th r es
  • Q th r es a predefined leak detection threshold value
  • a second approach is preferred to perform this comparison. It consists of filtering the hydrogen leak rate Qm.i eak calculated before performing the comparison with one or more leak detection threshold values.
  • the filtering applied to the hydrogen leak rate Qm.i eak is a first-order low-pass filter.
  • the hydrogen leak rate Q H2 ieak is filtered with a first-order low-pass filter with a time constant equal to ten seconds and the leak detection threshold Q th r es is set at 30 milligrams per second (mg/s).
  • the choice of filtering with a first-order low-pass filter with a time constant equal to ten seconds is advantageous because it makes it possible both to overcome measurement noise and the variability of measurements over time and to obtain a reactive detection method, that is to say capable of detecting a hydrogen leak very quickly after its appearance, and very precise.
  • the hydrogen leak rate Q h2 ,i e ak is filtered according to two different filters, then the results obtained by these two filterings are compared with two different detection thresholds, denoted Qthres.i and Qthres.2 in a variant of step 160.
  • the two leak detection thresholds are defined as follows:
  • the hydrogen leak rate Q H2 .i e ak is filtered with a first-order low-pass filter with a time constant equal to 1 second and the leak detection threshold Qthres.i is set at 60 milligrams per second (mg/s);
  • the hydrogen leak rate Qm.ieak is filtered with a first order low-pass filter with a time constant equal to 10 seconds and the leak detection threshold Qthres.2 is set at 30 milligrams per second (mg/ s).
  • the first detection threshold Qthres.i is always retained (A) and the second detection threshold Q thres.2 , more selective , is retained only when the current produced by the fuel cell 12 is greater than or equal to 10 A.
  • the highest detection threshold is only considered when the hydrogen flow rate admitted is low, which makes it possible to avoid detecting a “false positive”, caused by the inaccuracy of the measurements at low flow rate.
  • the value of the time constant and the detection threshold of a first filter are respectively lower and higher than the value of the time constant and the detection threshold of a second filter.
  • the hydrogen leak detection method comprises a seventh step 170 at the end of the cycle, carried out after the completion of the hydrogen leak detection step 160.
  • step 170 if the computer 92 detects that the fuel cell system 10 is still in operation, then the method of detecting hydrogen leak begins a new cycle by again performing steps 110 to 170, beginning with start-up step 110.
  • the hydrogen leak detection method is executed in real time.
  • the sampling period of computer 92 is for example between 1 millisecond and 10 milliseconds (ms).
  • the computer performs the calculations of steps 130, 140 and 150 and performs the hydrogen leak detection step 160.
  • FIG. 5 compares: the calculation of the flow rate of hydrogen consumed Q H2.0 ut by the fuel cell 12, carried out using equation 2 above, with the calculation of the flow rate of hydrogen Q H2 in admitted to the entrance of the ejector 36 type
  • the filtering thresholds used in step 160 in the case where two leak detection thresholds are used could be defined.
  • the fuel cell system 10 and that the hydrogen leak detection method have the following advantages: good resolution, that is to say that the smallest variation of the calculation of the flow rate of hydrogen consumed Q H 2.ou t and of the calculation of the flow rate of hydrogen Q H2.in allowed is low, in practice of the order of 1 milligrams per second (mg/s); and good accuracy, that is to say that the error between the flow rates of hydrogen consumed Qm.ou t and of hydrogen Q H2,in admitted calculated by the leak detection method and the hydrogen flow rates actual hydrogen consumed and admitted is low, in practice less than 2% FS (abbreviation for "full scale", i.e.
  • the percentages are expressed as a percentage of the full scale) for a current electricity produced by the hydrogen fuel cell 12 greater than or equal to 10 A and less than 4% FS for an electric current produced less than 10 A. Thanks to the invention, it is therefore possible to propose a method making it possible to detect with precision, and in real time, hydrogen leaks occurring in a fuel cell system.
  • the physical principle of gas flow within the Venturi-type ejector 36 is used to enable the hydrogen leak detection method to be implemented.
  • the hydrogen leak detection method of the invention only requires the use of measuring tools that are simple to integrate into the fuel cell system 10 and inexpensive.
  • the leak detection method of the invention only requires the use of a temperature sensor 86 and two pressure sensors 88 and 90. In addition, these sensors make it possible to perform other functions in the system. fuel cell 10.
  • the second pressure sensor 90 is necessary to know the hydrogen pressure in the anode compartment 16 of the fuel cell 12, and thus regulate the admission of hydrogen into this anode compartment by the supply valve 38 .
  • the leak detection method of the invention also has the advantage of being carried out during operation of the fuel cell system 10, which is more secure because it makes it possible to detect a leak triggered during the operation of the system. .
  • the leak detection method of the invention also has the advantage of not affecting the operation or the efficiency of the fuel cell system 10, which makes it possible not to increase the operating costs of the system.
  • the leak detection method of the invention also has the advantage of making it possible to detect all of the leaks produced in the fuel cell system 10 downstream of the Venturi-type ejector 36, independently of the location. in the system of these leaks, since the method is based on the comparison between the flow of hydrogen consumed and the flow of hydrogen admitted.
  • the steps 130, 140, 150 and 160 are such that the method detects all of the hydrogen leaks occurring in the fuel cell system downstream of the Venturi-type ejector, i.e. that is, the hydrogen leak detection method is configured to detect all of the hydrogen leaks occurring in the fuel cell system downstream of the Venturi-type ejector. It should be noted that the recirculation of hydrogen in the recirculation circuit 60 does not affect the hydrogen leak detection method.
  • this recirculation makes it possible to increase the flow rate of hydrogen in the fuel cell 12, but does not modify either the quantity of hydrogen admitted, nor the quantity of hydrogen consumed.
  • the supply valve 38 is replaced by an injector providing a discontinuous hydrogen supply.
  • the hydrogen supply system 30 comprises a gas pressure reducer arranged between the hydrogen tank 32 and the supply valve 38.
  • the purge valve 54 is replaced by a calibrated orifice, or by a proportional valve, in order to allow continuous purge of the anode compartment 16 of the fuel cell 12.
  • the hydrogen leak rate Qm.ieak is filtered according to a number of filters different from two, for example according to three different filters. In this case, the result obtained by each of these filterings is compared with an associated detection threshold.

Abstract

This method for detecting a hydrogen leak applies to a fuel cell system (10) comprising a fuel cell (12); a hydrogen supply system (30) comprising a reservoir (32) and the supply circuit (34) connecting the reservoir to the anode compartment (16) of the fuel cell and comprising an ejector (36) of venturi type; a recirculation circuit (60) for recirculating unconsumed hydrogen between the anode compartment of the fuel cell and the venturi-type ejector (36), the recirculation being sustained by the venturi-effect ejector. The method comprises steps involving calculating the total flow rate of hydrogen consumed; calculating the flowrate of hydrogen admitted to the injector; determining the leak rate as the difference between the flowrate of hydrogen admitted and the total flowrate of hydrogen consumed; and detecting a potential leak of hydrogen by comparing the leak rate against at least a threshold value, such that the method detects all of the hydrogen leaks that occur in the system downstream of the ejector.

Description

TITRE : Méthode de détection de fuite d’hydrogène dans un système de pile à combustible et système de pile à combustible pour la mise en œuvre d’une telle méthode TITLE: Hydrogen leak detection method in a fuel cell system and fuel cell system for the implementation of such a method
La présente invention concerne une méthode de détection de fuite d’hydrogène dans un système de pile à combustible et un système de pile à combustible permettant de mettre en œuvre une telle méthode. The present invention relates to a method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system and a fuel cell system making it possible to implement such a method.
Un système de pile à combustible comprend généralement une pile à combustible permettant la production d’énergie électrique par une réaction électrochimique, ainsi qu’un système d’alimentation en hydrogène et un système de purge pour permettre le fonctionnement de cette pile à combustible. A fuel cell system generally comprises a fuel cell allowing the production of electrical energy by an electrochemical reaction, as well as a hydrogen supply system and a purge system to allow the operation of this fuel cell.
Une pile à combustible comporte en général l’association en série d’éléments unitaires qui, chacun, sont constitués essentiellement d’une anode et d’une cathode séparées par une membrane polymère permettant le passage de protons de l’anode à la cathode. L’anode alimentée en hydrogène est le siège d’une demi-réaction d’oxydation H2 (g) => 2 H+ (aq) + 2 e~. Dans le même temps, la cathode alimentée en comburant, par exemple de l’oxygène pur ou contenu dans de l’air, est le siège d’une demi-réaction de réduction : 02 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e => 2 H20 (I). A fuel cell generally comprises the series association of unitary elements which each consist essentially of an anode and a cathode separated by a polymer membrane allowing the passage of protons from the anode to the cathode. The anode supplied with hydrogen is the site of an oxidation half-reaction H 2 (g) => 2 H + (aq) + 2 e ~ . At the same time, the cathode supplied with oxidizer, for example pure oxygen or oxygen contained in air, is the site of a reduction half-reaction: 0 2 (g) + 4 H + (aq) + 4 e => 2 H 2 0 (I).
Il est connu de WO 2018/115630 A1 d’ajouter, à un système de pile à combustible, un système de recirculation d’hydrogène non-consommé par la pile à combustible. Un tel système de recirculation permet d’améliorer les performances de la pile à combustible. Il est également connu de ce document d’utiliser un éjecteur de type Venturi pour permettre la recirculation de l’hydrogène non-consommé depuis la sortie de l’anode de la pile à combustible vers l’entrée de l’anode. It is known from WO 2018/115630 A1 to add, to a fuel cell system, a system for recirculating hydrogen not consumed by the fuel cell. Such a recirculation system improves the performance of the fuel cell. It is also known from this document to use a Venturi-type ejector to allow the recirculation of unconsumed hydrogen from the outlet of the anode of the fuel cell to the inlet of the anode.
Cependant, un tel système à pile à combustible présente l’inconvénient de ne pas permettre d’estimer les fuites d’hydrogène se produisant dans le système de pile à combustible. Or, il est important de détecter de telles fuites pour assurer le fonctionnement en toute sécurité du système de pile à combustible et pour maintenir un rendement optimal, sans perte évitable d’hydrogène. However, such a fuel cell system has the disadvantage of not making it possible to estimate the hydrogen leaks occurring in the fuel cell system. However, it is important to detect such leaks to ensure the safe operation of the fuel cell system and to maintain optimal performance, without avoidable loss of hydrogen.
Il est connu de mesurer le débit d’hydrogène fourni à une pile à combustible à l’aide d’un débitmètre installé sur la ligne d’alimentation en hydrogène de la pile à combustible. Cependant, l’utilisation d’un débitmètre est contraignante, car un débitmètre est généralement encombrant et présente une perte de charge nuisible pour le rendement de la pile à combustible. En outre, un débitmètre précis est onéreux. Il est connu de KR 10-1393581 une méthode de détermination de fuites d’hydrogène dans un système à pile à combustible, en cours de fonctionnement. Cette méthode se base sur la différence entre la consommation d’hydrogène calculée selon le courant produit par la pile à combustible et la consommation d’hydrogène estimée en fonction de la perte de charge au travers d’une vanne d’alimentation en hydrogène. It is known to measure the hydrogen flow supplied to a fuel cell using a flow meter installed on the hydrogen supply line of the fuel cell. However, the use of a flowmeter is restrictive, since a flowmeter is generally bulky and has a pressure drop that is harmful to the efficiency of the fuel cell. Furthermore, an accurate flowmeter is expensive. It is known from KR 10-1393581 a method for determining hydrogen leaks in a fuel cell system, during operation. This method is based on the difference between the hydrogen consumption calculated according to the current produced by the fuel cell and the hydrogen consumption estimated according to the pressure drop through a hydrogen supply valve.
Cependant, une telle méthode est peu précise, en particulier pour des fuites d’hydrogène de faible intensité. Notamment, le fait d’estimer la quantité d’hydrogène fournie au système de pile à combustible en fonction des paramètres de fonctionnement d’une vanne d’alimentation nécessite, d’une part, des approximations et, d’autre part, des équipements spécifiques onéreux. However, such a method is not very precise, in particular for low intensity hydrogen leaks. In particular, the fact of estimating the quantity of hydrogen supplied to the fuel cell system according to the operating parameters of a supply valve requires, on the one hand, approximations and, on the other hand, equipment. specific ones.
C’est à ces inconvénients qu’entend plus particulièrement remédier l’invention en proposant une méthode améliorée de détection de fuite d’hydrogène dans un système de pile à combustible. It is these drawbacks that the invention more particularly intends to remedy by proposing an improved method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system.
À cet effet, l’invention concerne une méthode de détection de fuite d’hydrogène dans un système de pile à combustible, le système de pile à combustible comprenant au moins : un empilement de cellules électrochimiques formant une pile à combustible comprenant un compartiment anodique et un compartiment cathodique séparés par une membrane polymère échangeuse de protons ; un système d’alimentation en hydrogène comprenant un réservoir d’hydrogène et un circuit d’alimentation reliant le réservoir d’hydrogène à l’entrée du compartiment anodique de la pile à combustible, le circuit d’alimentation comprenant un éjecteur de type Venturi ; un circuit de recirculation d’hydrogène non-consommé par la pile à combustible entre la sortie du compartiment anodique de la pile à combustible et l’éjecteur de type Venturi du circuit d’alimentation, la recirculation de l’hydrogène non-consommé étant entraînée par l’éjecteur par effet Venturi ; et To this end, the invention relates to a method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system, the fuel cell system comprising at least: a stack of electrochemical cells forming a fuel cell comprising an anode compartment and a cathode compartment separated by a proton exchange polymer membrane; a hydrogen supply system comprising a hydrogen tank and a supply circuit connecting the hydrogen tank to the inlet of the anode compartment of the fuel cell, the supply circuit comprising a Venturi-type ejector; a circuit for recirculating hydrogen not consumed by the fuel cell between the outlet of the anode compartment of the fuel cell and the Venturi-type ejector of the supply circuit, the recirculation of the hydrogen not consumed being driven by the Venturi effect ejector; and
- un système de purge comprenant une vanne de purge et de drainage du compartiment anodique. - a purge system comprising a purge and drainage valve for the anode compartment.
Selon l’invention, la méthode de détection de fuite d’hydrogène comprend au moins les étapes suivantes : a) calculer le débit total d’hydrogène consommé par le système de pile à combustible ; b) calculer le débit d’hydrogène admis par le système d’alimentation en hydrogène à l’entrée de l’éjecteur venturi ; c) déterminer le débit de fuite par calcul de la différence entre le débit d’hydrogène admis et le débit total d’hydrogène consommé ; et d) détecter une éventuelle fuite d’hydrogène dans le système de pile à combustible par comparaison du débit de fuite avec au moins une valeur de seuil, de telle sorte que la méthode détecte l’ensemble des fuites d’hydrogène se produisant dans le système de pile à combustible en aval de l’éjecteur de type Venturi. According to the invention, the hydrogen leak detection method comprises at least the following steps: a) calculating the total flow rate of hydrogen consumed by the fuel cell system; b) calculate the hydrogen flow admitted by the hydrogen supply system at the inlet of the venturi ejector; c) determining the leak rate by calculating the difference between the flow rate of hydrogen admitted and the total flow rate of hydrogen consumed; and d) detecting a possible hydrogen leak in the fuel cell system by comparing the leak rate with at least one threshold value, such that the method detects all of the hydrogen leaks occurring in the system fuel cell stack downstream of the Venturi-type ejector.
Grâce à l’invention, la méthode de détection de fuite d’hydrogène dans un système de pile à combustible permet de détecter une fuite d’hydrogène avec une grande précision et indépendamment de la localisation de cette fuite dans le système de pile à combustible, y compris en cas de fuite de faible intensité. Thanks to the invention, the method for detecting a hydrogen leak in a fuel cell system makes it possible to detect a hydrogen leak with great precision and independently of the location of this leak in the fuel cell system, including in the event of a low-intensity leak.
Selon des aspects avantageux, mais non obligatoire de l’invention, cette méthode de détection de fuite d’hydrogène dans un système de pile à combustible incorpore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement admissibles : According to advantageous, but not compulsory, aspects of the invention, this method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system incorporates one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically admissible combination:
- Au cours de l’étape a), le calcul du débit total d’hydrogène consommé QH2.out par le système de pile à combustible est effectué à partir de la somme suivante : QH2.out = QH2.outsto + QH2.outxo + Çtf2.ouipuri dans laquelle QH2.outsto est le débit de base d’hydrogène consommé par la pile à combustible par réaction électrochimique ; QH2.0ut pur g est le débit d’hydrogène perdu dans les purges du compartiment anodique de la pile à combustible ; et QH2.OUÎXO est le débit d’hydrogène traversant la membrane polymère échangeuse de protons depuis le compartiment anodique vers le compartiment cathodique. - During step a), the calculation of the total flow of hydrogen consumed Q H 2.out by the fuel cell system is carried out from the following sum: Q H 2.out = QH2.out sto + QH2.out xo + Ç tf2.o ui puri in which Q H 2.out sto is the base flow rate of hydrogen consumed by the fuel cell by electrochemical reaction; Q H2.0 ut pure g is the flow of hydrogen lost in the purges of the anode compartment of the fuel cell; and QH2.OUÎ XO is the flow rate of hydrogen passing through the polymeric proton exchange membrane from the anode compartment to the cathode compartment.
- Au cours de l’étape a), le débit d’hydrogène perdu QH2.out purg dans les purges du compartiment anodique de la pile à combustible est calculé selon l’équation suivante : QH2.outpurg = x Vanode x Panode.in dans laquelle MWh2 est la masse molaire du dihydrogène, R est la constante universelle des gaz parfaits, T est la température au sein du compartiment anodique, Vanode est le volume du compartiment anodique et Panode.in est le gradient de la pression mesuré à l’entrée du compartiment anodique au cours d’une purge. - During step a), the flow of hydrogen lost Q H 2.out purg in the purges of the anode compartment of the fuel cell is calculated according to the following equation: QH2.out purg = x V anode x P anode.in where MW h2 is the molar mass of dihydrogen, R is the universal ideal gas constant, T is the temperature within the anode compartment, V anode is the volume of the anode compartment and Panode.in is the pressure gradient measured at the inlet of the anode compartment during a purge.
- Le gradient de pression Panode.in est obtenu par une méthode de purge en admission constante consistant à différer le rétablissement de la pression perdue dans le compartiment anodique de la pile à combustible lors d’une purge en différant l’ouverture d’une vanne d’alimentation en hydrogène du système d’alimentation. - The pressure gradient P anode.in is obtained by a constant intake purge method consisting in postponing the restoration of the pressure lost in the anode compartment of the fuel cell during a purge by postponing the opening of a fuel system hydrogen supply valve.
- Au cours de l’étape a), le débit d’hydrogène consommé par perméation QH2.outxo au travers de la membrane polymère échangeuse de protons depuis le compartiment anodique vers le compartiment cathodique est calculé selon l’équation suivante : - During step a), the flow rate of hydrogen consumed by permeation Q H 2.out xo through the polymer proton exchange membrane from the anode compartment to the cathode compartment is calculated according to the following equation:
QH2.0utxo = MW 2^h N x Jxo x Smembrane dans laquelle MWh2 est la masse molaire du dihydrogène, N est le nombre de cellules électrochimiques de la pile à combustible, F est la constante de Faraday, JXo est la densité de courant de cross over et Smembrane est la surface de la membrane d’une cellule électrochimique. QH2. 0 ut xo = MW 2 ^ h N x Jxo x S membrane in which MW h2 is the molar mass of the dihydrogen, N is the number of electrochemical cells in the fuel cell, F is Faraday's constant, J Xo is the cross over current density and S membrane is the membrane area of an electrochemical cell.
- Au cours de l’étape b), le débit d’hydrogène admis QH2.in par le système d’alimentation en hydrogène dans la tubulure d’admission de l’éjecteur de type Venturi est calculé selon que le régime d’écoulement se produisant au sein de l’éjecteur de type Venturi est un régime d’écoulement subsonique ou un régime d’écoulement sonique. - During step b), the flow rate of hydrogen admitted Q H2 .i n by the hydrogen supply system in the intake manifold of the Venturi type ejector is calculated according to whether the Flow occurring within the Venturi type ejector is a subsonic flow regime or a sonic flow regime.
- Lorsque le régime d’écoulement est subsonique, le débit d’hydrogène admis QH2.insub Par Ie système d’alimentation en hydrogène dans la tubulure d’admission de l’éjecteur de type Venturi est calculé selon l’équation suivante : QH2.msub = 5 x P1 x Ac x dans lacluelle Pi est 'a pression de l’hydrogène admis dans la tubulure d’admission de l’éjecteur de type Venturi, Ti est la température de l’hydrogène admis à l’admission de l’éjecteur de type Venturi, På est la pression de l’hydrogène en sortie de l’éjecteur de type Venturi, d est l’efficacité du col sonique de l’éjecteur de type Venturi, Ac est la plus petite section du col sonique de l’éjecteur, MWh2 est la masse molaire du dihydrogène, y est le coefficient adiabatique du dihydrogène et R est la constante universelle des gaz parfaits. De plus, lorsque le régime d’écoulement est sonique, le débit d’hydrogène QH2.inS0Jl admis par le système d’alimentation en hydrogène dans la tubulure d’admission de l’éjecteur de type Venturi est calculé avec l’équation suivante : QH2.inson d x Px x Ac x r-XY x ( )2C(U-1) dans laquelle Pi est la pression de l’hydrogène admis dans la tubulure d’admission de l’éjecteur de type Venturi, Ti est la température de l’hydrogène admis dans la tubulure d’admission de l’éjecteur de type Venturi, d est l’efficacité du col sonique de l’éjecteur de type Venturi, Ac est la plus petite section du col sonique de l’éjecteur, MWh2 est la masse molaire du dihydrogène, y est le coefficient adiabatique du dihydrogène et R est la constante universelle des gaz parfaits. - When the flow regime is subsonic, the hydrogen flow rate admitted Q H 2.in sub P ar I e hydrogen supply system in the intake manifold of the Venturi type ejector is calculated according to the following equation: Q H 2.m sub = 5 x P 1 x A c x in the ac l ue l e Pi is ' a pressure of the hydrogen admitted in the Venturi-type ejector inlet manifold, Ti is the temperature of the hydrogen admitted to the Venturi-type ejector inlet, P å is the hydrogen pressure at the outlet of the Venturi-type ejector Venturi, d is the efficiency of the sonic neck of the Venturi type ejector, A c is the smallest section of the sonic neck of the ejector, MW h2 is the molar mass of dihydrogen, y is the adiabatic coefficient of dihydrogen and R is the universal ideal gas constant. In addition, when the flow regime is sonic, the hydrogen flow rate Q H 2.in S0Jl admitted by the hydrogen supply system into the intake manifold of the Venturi-type ejector is calculated with the following equation: Q H 2.in son dx P x x A c x r- XY x ( ) 2C(U-1) in which Pi is the pressure of the hydrogen admitted into the inlet pipe of the ejector of Venturi type, Ti is the temperature of the hydrogen admitted into the intake manifold of the Venturi type ejector, d is the sonic throat efficiency of the Venturi type ejector, A c is the smallest cross section of the sonic neck of the ejector, MW h2 is the molar mass of dihydrogen, y is the adiabatic coefficient of dihydrogen and R is the universal ideal gas constant.
- Le débit de fuite déterminé à l’étape c) est filtré avant d’effectuer la comparaison avec au moins une valeur de seuil. - The leak rate determined in step c) is filtered before performing the comparison with at least one threshold value.
- Le débit de fuite déterminé à l’étape c) est filtré selon deux filtres différents et les résultats obtenus par ces deux filtrages sont comparés à deux seuils de détection différents : un premier seuil de détection de fuite comparé au débit de fuite filtré avec un filtre passe bas du premier ordre de constante de temps égale à une première valeur ; et un deuxième seuil de détection de fuite comparé au débit de fuite filtré avec un filtre passe bas du premier ordre de constante de temps égale à une deuxième valeur. De plus, le premier seuil de détection de fuite a une valeur supérieure à celle du deuxième seuil de détection de fuite et la première valeur de constante de temps est inférieure à la deuxième valeur de constante de temps. - The leak rate determined in step c) is filtered using two different filters and the results obtained by these two filters are compared with two different detection thresholds: a first leak detection threshold compared to the leak rate filtered with a first-order low-pass filter with a time constant equal to a first value; and a second leak detection threshold compared to the leak flow rate filtered with a first order low pass filter of time constant equal to a second value. Moreover, the first leak detection threshold has a value higher than that of the second leak detection threshold and the first time constant value is lower than the second time constant value.
- La méthode de détection de fuite d’hydrogène est réalisée de manière cyclique, en temps réel, et, de préférence, les étapes c) et d) de la méthode de détection de fuite d’hydrogène sont réalisées par un calculateur de contrôle du système de pile à combustible à chaque période d’échantillonnage du calculateur. - The hydrogen leak detection method is carried out cyclically, in real time, and, preferably, steps c) and d) of the hydrogen leak detection method are carried out by a control computer of the fuel cell system at each ECU sampling period.
Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi un système de pile à combustible pour la mise en œuvre de la méthode de détection de fuite d’hydrogène décrite précédemment, ce système de pile à combustible comprenant au moins : un empilement de cellules électrochimiques formant une pile à combustible comprenant un compartiment anodique et un compartiment cathodique séparés par une membrane polymère échangeuse de protons ; un système d’alimentation en hydrogène comprenant un réservoir d’hydrogène et un circuit d’alimentation reliant le réservoir d’hydrogène à l’entrée du compartiment anodique de la pile à combustible, le circuit d’alimentation comprenant un éjecteur de type Venturi ; un circuit de recirculation d’hydrogène non-consommé par la pile à combustible entre la sortie du compartiment anodique de la pile à combustible et l’éjecteur de type Venturi du circuit d’alimentation, la recirculation de l’hydrogène non-consommé étant entraînée par l’éjecteur par effet Venturi ; According to another aspect, the invention also relates to a fuel cell system for implementing the hydrogen leak detection method described above, this fuel cell system comprising at least: a stack of electrochemical cells forming a fuel cell comprising an anode compartment and a cathode compartment separated by a proton exchange polymer membrane; a hydrogen supply system comprising a hydrogen tank and a supply circuit connecting the hydrogen tank to the inlet of the anode compartment of the fuel cell, the supply circuit comprising a Venturi-type ejector; a circuit for recirculating hydrogen not consumed by the fuel cell between the outlet of the anode compartment of the fuel cell and the Venturi-type ejector of the supply circuit, the recirculation of the hydrogen not consumed being driven by the Venturi effect ejector;
- un système de purge comprenant une vanne de purge et de drainage du compartiment anodique ; et un calculateur pour mettre en œuvre les étapes a) à d) de la méthode de détection de fuite d’hydrogène. - a purge system comprising a purge and drainage valve for the anode compartment; and a computer to implement steps a) to d) of the hydrogen leak detection method.
Ce système de pile à combustible induit les mêmes avantages que ceux mentionnés ci-dessus au sujet de la méthode de détection de fuites de l’invention. This fuel cell system induces the same advantages as those mentioned above regarding the leak detection method of the invention.
Avantageusement, ce système de pile à combustible comprend, en outre, un capteur de pression et un capteur de température disposés en amont de l’éjecteur de type Venturi et un capteur de pression disposé en aval de l’éjecteur de type Venturi. Advantageously, this fuel cell system further comprises a pressure sensor and a temperature sensor arranged upstream of the Venturi-type ejector and a pressure sensor arranged downstream of the Venturi-type ejector.
L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d’un mode de réalisation d’une méthode de détection de fuite d’hydrogène dans un système de pile à combustible et d’un mode de réalisation d’un système de pile à combustible, conformes à l’invention, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : [Fig. 1] La figure 1 est un schéma fluide d’un système de pile à combustible conforme à l’invention ; The invention will be better understood and other advantages thereof will appear more clearly in the light of the following description of an embodiment of a method for detecting hydrogen leaks in a fuel cell system. fuel and an embodiment of a fuel cell system, in accordance with the invention, given solely by way of example and made with reference to the appended drawings in which: [Fig. 1] Figure 1 is a fluid diagram of a fuel cell system according to the invention;
[Fig. 2] La figure 2 est une vue de détail d’une partie du système de pile à combustible de la figure 1 ; [Fig. 2] Figure 2 is a detail view of part of the fuel cell system of Figure 1;
[Fig. 3] La figure 3 est un graphique de l’évolution au cours du temps de la pression mesurée par un capteur du système de pile à combustible de la figure 1 ; [Fig. 3] FIG. 3 is a graph of the evolution over time of the pressure measured by a sensor of the fuel cell system of FIG. 1;
[Fig. 4] La figure 4 est un diagramme illustrant les étapes d’une méthode de détection de fuite d’hydrogène dans un système de pile à combustible, cette méthode étant conforme à l’invention ; et [Fig. 4] FIG. 4 is a diagram illustrating the steps of a hydrogen leak detection method in a fuel cell system, this method being in accordance with the invention; and
[Fig. 5] La figure 5 est un exemple de résultats obtenus par la méthode de détection de fuite illustrée à la figure 4 appliquée à un système de pile à combustible sans fuite d’hydrogène. [Fig. 5] Figure 5 is an example of results obtained by the leak detection method shown in Figure 4 applied to a fuel cell system without hydrogen leakage.
Un système de pile à combustible 10 est représenté aux figures 1 à 2. Ce système à pile à combustible est, par exemple, destiné à être intégré à un véhicule à moteur électrique afin de produire de l’énergie électrique permettant le fonctionnement du moteur. A fuel cell system 10 is represented in FIGS. 1 to 2. This fuel cell system is, for example, intended to be integrated into a vehicle with an electric motor in order to produce electrical energy allowing the operation of the motor.
Ce système de pile à combustible 10 comprend une pile à combustible 12. This fuel cell system 10 includes a fuel cell 12.
La pile à combustible 12 comprend un empilement de cellules électrochimiques 14, dont une seule est représentée à la figure 1 , par soucis de simplification. The fuel cell 12 comprises a stack of electrochemical cells 14, only one of which is represented in FIG. 1, for the sake of simplification.
En pratique, la pile à combustible 12 comprend un nombre entier N de cellules électrochimiques 14, N étant compris de préférence entre 1 et plusieurs centaines, de préférence encore entre 64 et 416. In practice, the fuel cell 12 comprises an integer number N of electrochemical cells 14, N being preferably between 1 and several hundred, more preferably between 64 and 416.
Chaque cellule électrochimique 14 comprend un compartiment anodique 16, qui forme l’anode de la cellule électrochimique, et un compartiment cathodique 18, qui forme la cathode de la cellule électrochimique. Le compartiment anodique 16 et le compartiment cathodique 18 sont séparés par une membrane 20 polymère échangeuse de protons. Each electrochemical cell 14 includes an anode compartment 16, which forms the anode of the electrochemical cell, and a cathode compartment 18, which forms the cathode of the electrochemical cell. The anode compartment 16 and the cathode compartment 18 are separated by a proton exchange polymer membrane 20 .
Lors du fonctionnement de la pile à combustible 12, le compartiment anodique 16 est alimenté en gaz combustible, généralement du dihydrogène pur, plus couramment appelé hydrogène par soucis de simplification, et le compartiment cathodique 18 est alimenté en gaz oxydant, généralement du dioxygène, plus couramment appelé oxygène par soucis de simplification, soit pur soit compris dans un mélange de gaz, par exemple de l’air. During the operation of the fuel cell 12, the anode compartment 16 is supplied with combustible gas, generally pure dihydrogen, more commonly called hydrogen for the sake of simplification, and the cathode compartment 18 is supplied with oxidizing gas, generally dioxygen, plus commonly called oxygen for the sake of simplification, either pure or included in a mixture of gases, for example air.
Dans la suite de la description, les termes « hydrogène » et « dihydrogène » sont utilisé indifféremment pour désigner le dihydrogène. In the remainder of the description, the terms “hydrogen” and “dihydrogen” are used interchangeably to designate dihydrogen.
Ainsi, la pile à combustible 12 comprend autant de compartiments anodiques 16, de compartiments cathodiques 18 et de membranes 20 que de cellules électrochimiques 14, c’est-à-dire N. Par simplification, tous les compartiments anodiques sont assimilés à un seul compartiment anodique 16, qui forme l’anode de la pile à combustible 12, tous les compartiments cathodiques sont assimilés à un seul compartiment cathodique 18, qui forme la cathode de la pile à combustible 12 et toutes les membranes 20 sont assimilées à une seule membrane 20, qui sépare l’anode et la cathode de la pile à combustible 12. Thus, the fuel cell 12 comprises as many anode compartments 16, cathode compartments 18 and membranes 20 as there are electrochemical cells 14, that is to say N. For simplification, all the anode compartments are assimilated to a single anode compartment 16, which forms the anode of the fuel cell 12, all the cathode compartments are assimilated to a single cathode compartment 18, which forms the cathode of the fuel cell 12 and all the membranes 20 are assimilated to a single membrane 20, which separates the anode and the cathode of the fuel cell 12.
On définit, au niveau du compartiment anodique 16, une entrée 22 et une sortie 24.An inlet 22 and an outlet 24 are defined at the level of the anode compartment 16.
Pour alimenter en hydrogène le compartiment anodique 16, le système de pile à combustible 10 comprend un système d’alimentation en hydrogène 30. To supply the anode compartment 16 with hydrogen, the fuel cell system 10 comprises a hydrogen supply system 30.
Le système d’alimentation en hydrogène 30 comprend un réservoir d’hydrogène 32 et un circuit d’alimentation 34 reliant le réservoir d’hydrogène 32 à l’entrée 22 du compartiment anodique 16. Ainsi, l’entrée 22 est configurée pour laisser entrer de l’hydrogène dans le compartiment anodique. The hydrogen supply system 30 comprises a hydrogen tank 32 and a supply circuit 34 connecting the hydrogen tank 32 to the inlet 22 of the anode compartment 16. Thus, the inlet 22 is configured to let in hydrogen in the anode compartment.
Un éjecteur 36, de type Venturi, ainsi qu’une vanne d’alimentation 38, disposée entre l’éjecteur 36 et le réservoir d’hydrogène 32, sont installés sur le circuit d’alimentation 34. An ejector 36, of the Venturi type, as well as a supply valve 38, arranged between the ejector 36 and the hydrogen tank 32, are installed on the supply circuit 34.
De préférence, une ou plusieurs vannes de fermeture, non représentées, sont installées entre le réservoir d’hydrogène 32 et la vanne d’alimentation 38. Preferably, one or more shut-off valves, not shown, are installed between the hydrogen tank 32 and the supply valve 38.
La vanne d’alimentation 38 permet de contrôler le débit d’hydrogène fourni par le réservoir d’hydrogène 32 à la pile à combustible 12. Ainsi, la vanne d’alimentation 38 est par exemple une vanne proportionnelle, c’est-à-dire qu’elle délivre un débit d’hydrogène proportionnel à son ouverture. The supply valve 38 makes it possible to control the flow of hydrogen supplied by the hydrogen tank 32 to the fuel cell 12. Thus, the supply valve 38 is for example a proportional valve, i.e. say that it delivers a flow of hydrogen proportional to its opening.
Pour purger et pour drainer le compartiment anodique 16, le système de pile à combustible 10 comprend un système de purge 50. Le système de purge 50 comprend un circuit de purge 52 qui relie la sortie 24 du compartiment anodique 16 avec l’extérieur du système de pile à combustible 10, par exemple l’atmosphère, ainsi qu’une vanne de purge et de drainage 54 installée sur le circuit de purge 52 et permettant, ou interdisant, la purge selon qu’elle est ouverte ou fermée. Ainsi, la vanne de purge et de drainage 54 permet une purge dite « discontinue » du compartiment anodique 16. Ainsi, la sortie 24 est configurée pour laisser sortir des gaz et/ou des liquides du compartiment anodique 16. To purge and to drain the anode compartment 16, the fuel cell system 10 includes a purge system 50. The purge system 50 includes a purge circuit 52 which connects the outlet 24 of the anode compartment 16 with the exterior of the system. fuel cell 10, for example the atmosphere, as well as a purge and drain valve 54 installed on the purge circuit 52 and allowing or prohibiting the purge depending on whether it is open or closed. Thus, the purge and drain valve 54 allows a so-called “discontinuous” purge of the anode compartment 16. Thus, the outlet 24 is configured to let gases and/or liquids out of the anode compartment 16.
En pratique, la vanne de purge et de drainage 54 est, par exemple, une vanne solénoïde dite « tout ou rien ». In practice, the purge and drain valve 54 is, for example, a so-called “all or nothing” solenoid valve.
Le système de purge 50 permet de purger le compartiment anodique 16 de l’eau liquide et des gaz non-combustibles, tels que par exemple de l’azote ou de la vapeur d’eau, pouvant s’y accumuler. The purge system 50 makes it possible to purge the anode compartment 16 of liquid water and non-combustible gases, such as for example nitrogen or water vapour, which may accumulate there.
Le système de pile à combustible 10 comprend également un système de recirculation 60. En pratique, le système de recirculation 60 est un circuit reliant la sortie 24 du compartiment anodique 16 à l’éjecteur de type Venturi 36 du circuit d’alimentation 34 qui permet de faire recirculer de l’hydrogène. The fuel cell system 10 also includes a recirculation system 60. In practice, the recirculation system 60 is a circuit connecting the outlet 24 of the anode compartment 16 to the Venturi type ejector 36 of the supply circuit 34 which makes it possible to recirculate hydrogen.
De manière connue en soi, le système de recirculation 60 comprend des moyens de séparation de l’hydrogène, non-représentés, qui permettent de séparer l’hydrogène non- consommé par la pile à combustible 12 de l’eau liquide présente à la sortie 24 du compartiment anodique 16, permettant ainsi de ne pas recirculer d’eau liquide. In a manner known per se, the recirculation system 60 comprises hydrogen separation means, not shown, which make it possible to separate the hydrogen not consumed by the fuel cell 12 from the liquid water present at the outlet. 24 of the anode compartment 16, thus making it possible not to recirculate liquid water.
Cette recirculation d’hydrogène est avantageuse car elle permet d’améliorer les performances de la pile à combustible sans augmenter la consommation d’hydrogène. Notamment, cette recirculation permet d’assurer un débit d’hydrogène suffisant au sein du compartiment anodique 16 de la pile à combustible 12 pour éviter toute accumulation d’eau liquide dans le compartiment anodique et ainsi éviter des pénuries locales d’hydrogène, permettant par conséquent d’assurer un rendement et une durabilité optimaux de la pile à combustible. This recirculation of hydrogen is advantageous because it improves the performance of the fuel cell without increasing the consumption of hydrogen. In particular, this recirculation makes it possible to ensure a sufficient flow rate of hydrogen within the anode compartment 16 of the fuel cell 12 to avoid any accumulation of liquid water in the anode compartment and thus to avoid local shortages of hydrogen, allowing by to ensure optimal performance and durability of the fuel cell.
En outre, la recirculation d’hydrogène est entraînée par l’éjecteur de type Venturi 36, par effet Venturi. In addition, hydrogen recirculation is driven by the Venturi 36 type ejector, by Venturi effect.
Comme mieux visible à la figure 2, l’éjecteur 36 comprend une tubulure 62 d’admission d’hydrogène, qui est en pratique connectée à la partie du circuit d’alimentation 34 située en amont de l’éjecteur. As best seen in Figure 2, the ejector 36 comprises a hydrogen inlet pipe 62, which is in practice connected to the part of the supply circuit 34 located upstream of the ejector.
L’éjecteur 36 comprend également un col sonique 64, dans lequel est canalisée la totalité de l’hydrogène admis par la tubulure d’admission d’hydrogène 62. Ce col sonique a pour effet de faire augmenter la vitesse de l’hydrogène et de faire diminuer la pression de l’hydrogène, jusqu’à créer une dépression en aval du col sonique 64. The ejector 36 also includes a sonic neck 64, into which is channeled all the hydrogen admitted by the hydrogen intake pipe 62. This sonic neck has the effect of increasing the speed of the hydrogen and reduce the pressure of the hydrogen, until a depression is created downstream of the sonic throat 64.
L’éjecteur 36 comprend également des ouïes 66, disposées en aval du col sonique 64, qui sont reliées à l’extrémité aval du système de recirculation 60. Ainsi, le système de recirculation 60 débouche dans l’éjecteur de type Venturi 36 au niveau des ouïes 66. The ejector 36 also includes openings 66, arranged downstream of the sonic neck 64, which are connected to the downstream end of the recirculation system 60. Thus, the recirculation system 60 opens into the Venturi type ejector 36 at the level gills 66.
La dépression créée en aval du col sonique 64 par effet Venturi provoque une aspiration par les ouïes 66, ce qui permet d’aspirer l’hydrogène contenu dans le système de recirculation et ainsi de faire circuler l’hydrogène dans ce système. The vacuum created downstream of the sonic neck 64 by the Venturi effect causes suction through the vents 66, which makes it possible to suck in the hydrogen contained in the recirculation system and thus to circulate the hydrogen in this system.
L’éjecteur 36 comprend en outre une tubulure de sortie 68, connectée à la partie du circuit d’alimentation 34 située en aval de l’éjecteur. La tubulure de sortie 68 de l’éjecteur est donc connectée à l’entrée 22 du compartiment anodique 16 de la pile à combustible 12, à travers un tronçon du circuit d’alimentation. The ejector 36 further comprises an outlet pipe 68, connected to the part of the supply circuit 34 located downstream of the ejector. The outlet pipe 68 of the ejector is therefore connected to the inlet 22 of the anode compartment 16 of the fuel cell 12, through a section of the supply circuit.
Ainsi, le débit d’hydrogène en entrée de l’éjecteur 36 correspond au débit d’hydrogène fourni par le réservoir d’hydrogène 32 et le débit d’hydrogène en sortie de l’éjecteur correspond à la somme du débit d’hydrogène fourni par le réservoir d’hydrogène et du débit d’hydrogène recirculé au sein du système de recirculation 60. Thus, the hydrogen flow at the inlet of the ejector 36 corresponds to the hydrogen flow supplied by the hydrogen tank 32 and the hydrogen flow at the outlet of the ejector corresponds to the sum of the flow of hydrogen supplied by the hydrogen tank and the flow of hydrogen recirculated within the recirculation system 60.
Le système de pile à combustible 10 comprend également un système de contrôle 80. The fuel cell system 10 also includes a control system 80.
Le système de contrôle 80 comprend, entre autre, deux actionneurs 82, 84, un capteur de température 86, deux capteurs de pression 88 et 90 et un calculateur 92. The control system 80 includes, among other things, two actuators 82, 84, a temperature sensor 86, two pressure sensors 88 and 90 and a computer 92.
Les actionneurs 82 et 84 sont, par exemple, des solénoïdes et permettent d’actionner respectivement la vanne d’alimentation 38 et la vanne de purge 54. The actuators 82 and 84 are, for example, solenoids and make it possible to respectively actuate the supply valve 38 and the purge valve 54.
L’actionneur 82 permet d’ouvrir la vanne d’alimentation 38 de manière progressive et ainsi de régler le débit d’hydrogène fourni à l’éjecteur 36 par le circuit d’alimentation 34 de manière proportionnelle à l’ouverture de la vanne d’alimentation 38. The actuator 82 makes it possible to open the supply valve 38 gradually and thus to adjust the flow of hydrogen supplied to the ejector 36 by the supply circuit 34 in proportion to the opening of the valve. food 38.
L’actionneur 84 permet d’ouvrir et de fermer la vanne de purge et de drainage 54 et ainsi de déclencher et d’interrompre une purge du compartiment anodique 16 de la pile à combustible 12. The actuator 84 makes it possible to open and close the purge and drain valve 54 and thus trigger and interrupt a purge of the anode compartment 16 of the fuel cell 12.
Le capteur de température 86 et le premier capteur de pression 88 sont installés sur le circuit d’alimentation 34 en amont de l’éjecteur de type Venturi 36. En pratique, ces deux capteurs sont disposés au plus proche de la tubulure 62 d’admission d’hydrogène de l’éjecteur 36, donc en aval de la vanne d’alimentation 38, de sorte à mesurer respectivement la température et la pression du gaz en entrée de l’éjecteur. The temperature sensor 86 and the first pressure sensor 88 are installed on the supply circuit 34 upstream of the Venturi-type ejector 36. In practice, these two sensors are arranged as close as possible to the pipe 62 of admission of hydrogen from the ejector 36, therefore downstream of the supply valve 38, so as to respectively measure the temperature and the pressure of the gas at the inlet of the ejector.
On note «Ti » la température de l’hydrogène admis en entrée de l’éjecteur 36, mesurée par le capteur de température 86. We note “Ti” the temperature of the hydrogen admitted at the inlet of the ejector 36, measured by the temperature sensor 86.
On note « Pi » la pression de l’hydrogène admis en entrée de l’éjecteur 36, mesurée par le capteur de pression 88. We note “Pi” the pressure of the hydrogen admitted at the inlet of the ejector 36, measured by the pressure sensor 88.
Le deuxième capteur de pression 90 est installé sur le circuit d’alimentation 34 en aval de l’éjecteur 36. The second pressure sensor 90 is installed on the supply circuit 34 downstream of the ejector 36.
On note « P2 » la pression de l’hydrogène en sortie de l’éjecteur 36, mesurée par le capteur de pression 90. We note “P2” the hydrogen pressure at the outlet of the ejector 36, measured by the pressure sensor 90.
En pratique, le calculateur 92 peut être un ordinateur, une carte de circuit intégré équipée d’un microprocesseur, un automate ou encore un logiciel exécuté sur un serveur. In practice, the computer 92 can be a computer, an integrated circuit card equipped with a microprocessor, an automaton or else software executed on a server.
De préférence, le calculateur 92 est un calculateur de contrôle de la pile à combustible 10. Preferably, the computer 92 is a control computer for the fuel cell 10.
Le calculateur 92 contrôle les actionneurs 82 et 84 et récupère les données provenant du capteur de température 86 et des capteurs de pression 88 et 90. Computer 92 controls actuators 82 and 84 and retrieves data from temperature sensor 86 and pressure sensors 88 and 90.
Avantageusement, le calculateur 92 exécute un logiciel de contrôle du système de pile à combustible 10. Notamment, le calculateur 92 permet d’adapter le débit d’hydrogène fourni à la pile à combustible 12 en réglant l’ouverture de la vanne 38 en fonction de paramètres de fonctionnement de la pile à combustible, comme par exemple la pression d’hydrogène P2 mesurée en entrée du compartiment anodique 16. Advantageously, the computer 92 executes control software for the fuel cell system 10. In particular, the computer 92 makes it possible to adapt the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell 12 by adjusting the opening of the valve 38 according to operating parameters of the fuel cell, such as for example the hydrogen pressure P2 measured at the inlet of the anode compartment 16.
Le calculateur 92 envoie un signal S38 de commande d’ouverture de la vanne 38 à l’actionneur 82, la commande étant proportionnelle au débit d’hydrogène devant être fourni à la pile à combustible 12. Ce signal S3sde commande d’ouverture de la vanne 38 est mis à jour en temps réelle au cours du fonctionnement du système de pile à combustible 10. The computer 92 sends a command signal S38 to open the valve 38 to the actuator 82, the command being proportional to the hydrogen flow to be supplied to the fuel cell 12. This signal S3s to command the opening of the valve 38 is updated in real time during operation of fuel cell system 10.
Le calculateur 92 permet également de contrôler les purges du compartiment anodique 16 en commandant l’ouverture de la vanne de purge et de drainage 54, au moyen d’un signal S54 envoyé à cette vanne, par exemple selon une fréquence prédéfinie ou en fonction de paramètres de fonctionnement de la pile à combustible 12. The computer 92 also makes it possible to control the purges of the anode compartment 16 by controlling the opening of the purge and drain valve 54, by means of a signal S 5 4 sent to this valve, for example according to a predefined frequency or in fuel cell operating parameters function 12.
Avantageusement, l’hydrogène utilisé dans le système de pile à combustible 10 est très sec et très pur, c’est-à-dire que le gaz stocké dans le réservoir d’hydrogène 32 est composé au moins à 99.97% de dihydrogène. Advantageously, the hydrogen used in the fuel cell system 10 is very dry and very pure, that is to say that the gas stored in the hydrogen tank 32 is composed of at least 99.97% dihydrogen.
La présence d’autres gaz dans l’hydrogène admis dans la tubulure d’admission 62 de l’éjecteur 36, comme par exemple de la vapeur d’eau, est donc négligée. The presence of other gases in the hydrogen admitted into the inlet pipe 62 of the ejector 36, such as for example water vapour, is therefore neglected.
Par conséquent, les propriétés du dihydrogène pur sont utilisées dans les calculs présentés dans la suite de la description. Consequently, the properties of pure dihydrogen are used in the calculations presented in the remainder of the description.
De plus, dans les calculs présentés dans la suite de la description, la température Ti est exprimée en kelvin (K) et les pressions Pi et P2 sont exprimées en pascals (P) ou en bar. Moreover, in the calculations presented in the remainder of the description, the temperature Ti is expressed in kelvin (K) and the pressures Pi and P2 are expressed in pascals (P) or in bar.
On décrit à présent plus en détail et en référence à la figure 3 un exemple de méthode de purge du compartiment anodique 16 par le système de purge 50, tel que mis en œuvre dans le système de pile à combustible 10. We will now describe in more detail and with reference to FIG. 3 an example of a method for purging the anode compartment 16 by the purge system 50, as implemented in the fuel cell system 10.
Cet exemple de méthode de purge n’est pas limitatif, et d’autres méthodes de purges du compartiment anodique 16 peuvent être mise en œuvre sans sortir du cadre de l’invention. This example of purge method is not limiting, and other methods of purging the anode compartment 16 can be implemented without departing from the scope of the invention.
La figure 3 montre l’évolution de la pression P^dans le compartiment anodique 16 lors d’une purge discontinue du compartiment anodique 16 vers l’extérieur du système de pile à combustible 10. Figure 3 shows the evolution of the pressure P^ in the anode compartment 16 during a discontinuous purge of the anode compartment 16 towards the outside of the fuel cell system 10.
La pression P^ dans le compartiment anodique 16 correspond à la pression P2 mesurée par le capteur de pression 90, puisque le circuit d’alimentation 34 en aval de l’éjecteur 36 et le compartiment anodique 16 sont directement reliés par l’entrée 22 du compartiment anodique. Avant la purge du compartiment anodique 16, la pression Pi6dans le compartiment anodique 16 est égale à une pression nominale, notée « Pnom ». The pressure P^ in the anode compartment 16 corresponds to the pressure P 2 measured by the pressure sensor 90, since the supply circuit 34 downstream of the ejector 36 and the anode compartment 16 are directly connected by the inlet 22 of the anode compartment. Before the anode compartment 16 is purged, the pressure Pi 6 in the anode compartment 16 is equal to a nominal pressure, denoted “P nom ”.
En pratique, pour purger le compartiment anodique 16, la vanne de purge 54 est ouverte sur commande du calculateur 92, pendant un intervalle de temps prédéfini, entre des instants to et ti. In practice, to purge the anode compartment 16, the purge valve 54 is opened on command from the computer 92, for a predefined time interval, between times to and ti.
Au moment de l’ouverture de la vanne de purge 54, c’est-à-dire à l’instant to, le signal S38 de commande d’ouverture de la vanne d’alimentation 38 émis par le calculateur 92 est figé, de sorte que, entre to et ti, l’ouverture de la vanne d’alimentation 38 est maintenue à un niveau constant. Ainsi, entre to et ti, le débit d’hydrogène fourni par le circuit d’alimentation 34 à l’éjecteur 36 est constant. On parle ainsi de «purge en admission constante ». At the time of the opening of the purge valve 54, that is to say at the instant to, the signal S38 for controlling the opening of the supply valve 38 transmitted by the computer 92 is frozen, from so that, between to and ti, the opening of the supply valve 38 is maintained at a constant level. Thus, between to and ti, the hydrogen flow supplied by the supply circuit 34 to the ejector 36 is constant. This is referred to as “constant intake purge”.
Comme visible à la figure 3, l’ouverture de la vanne de purge 54 conduit à une diminution de la pression dans le compartiment anodique 16. En effet, puisque l’ouverture de la vanne d’alimentation 38 est fixée au cours de la purge, le gaz s’échappant vers l’extérieur par la vanne de purge 54 n’est pas remplacé. As seen in Figure 3, the opening of the purge valve 54 leads to a decrease in pressure in the anode compartment 16. Indeed, since the opening of the supply valve 38 is fixed during the purge , the gas escaping to the outside through the purge valve 54 is not replaced.
La pression dans le compartiment anodique 16 diminue alors jusqu’à un minimum, noté « Pmin ». The pressure in the anode compartment 16 then decreases to a minimum, denoted “Pmin”.
Pendant le temps d’ouverture de la vanne de purge 54, entre to et ti, on observe ainsi un gradient de pression. À partir de ce gradient de pression, il est possible de calculer un débit d’hydrogène purgé en grammes par seconde (g/s) à l’aide de l’équation suivante : During the opening time of the purge valve 54, between to and ti, a pressure gradient is thus observed. From this pressure gradient, it is possible to calculate a purged hydrogen flow in grams per second (g/s) using the following equation:
[Équation 1] dans laquelle : - MWh 2 est la masse molaire du dihydrogène, en pratique égale à 2,0159 grammes par moles (g/mol), [Equation 1] in which: - MW h 2 is the molar mass of dihydrogen, in practice equal to 2.0159 grams per mole (g/mol),
- R est la constante universelle des gaz parfaits, en Joules par mole kelvin (Jxmol 1xK 1), égale à environ 8,314 Jxmol 1xK 1, - R is the universal ideal gas constant, in Joules per mole kelvin (Jxmol 1 xK 1 ), equal to approximately 8.314 Jxmol 1 xK 1 ,
- T est la température au sein du compartiment anodique 16, exprimée en Kelvin, mesurée par un capteur non représenté sur les figures, - T is the temperature within the anode compartment 16, expressed in Kelvin, measured by a sensor not shown in the figures,
- ^ anode est le volume du compartiment anodique 16, en litres (I), et - ^ a n ode is the volume of the anode compartment 16, in liters (I), and
Panode.in est le gradient de la pression P2 mesuré à l’entrée du compartiment anodique 16 par le capteur de pression 90 au cours d’une purge, en bars par secondes (bar/s). La présence de gaz non-combustibles, tels que par exemple de l’azote ou de la vapeur d’eau, dans le compartiment anodique 16, est négligée pour ce calcul car, en pratique, ces gaz ont une influence négligeable. Panode.in is the pressure gradient P2 measured at the inlet of the anode compartment 16 by the pressure sensor 90 during a purge, in bars per second (bar/s). The presence of non-combustible gases, such as for example nitrogen or water vapour, in the anode compartment 16, is neglected for this calculation because, in practice, these gases have a negligible influence.
Avantageusement, le calcul du débit de purge d’hydrogène est effectué par le calculateur 92 en temps réel. Advantageously, the calculation of the hydrogen purge flow is performed by the computer 92 in real time.
Grâce à cette méthode de purge du compartiment anodique, il est possible de connaître en temps réel le débit d’hydrogène QH2.0ut pur g perdu dans les purges du compartiment anodique 16. Thanks to this method of purging the anode compartment, it is possible to know in real time the flow rate of pure hydrogen Q H2.0 ut g lost in the purges of the anode compartment 16.
À la fin de la purge, c’est-à-dire à l’instant ti correspondant à la fermeture de la vanne de purge 54, le calculateur 92 envoie un signal de commande S34 d’ouverture modifié à l’actionneur 82 de la vanne d’alimentation 38, de manière à rétablir la pression perdue dans le compartiment anodique 16 lors de la purge. At the end of the purge, that is to say at the instant ti corresponding to the closing of the purge valve 54, the computer 92 sends a modified opening control signal S 34 to the actuator 82 of the supply valve 38, so as to restore the pressure lost in the anode compartment 16 during the purge.
Comme visible à la figure 3, la commande d’ouverture est ainsi adaptée de manière à augmenter le débit d’hydrogène admis depuis la pression minimale Pmm jusqu’à retrouver une pression Pi6 égale à la pression nominale Pn0m dans le compartiment anodique 16. As visible in FIG. 3, the opening control is thus adapted so as to increase the flow rate of hydrogen admitted from the minimum pressure P m m until a pressure Pi 6 equal to the nominal pressure P n0 m is found in the anode compartment 16.
Selon cette méthode de purge, la modification de la commande d’ouverture de la vanne d’alimentation 38 permettant l’augmentation du débit d’hydrogène admis, et ainsi le rétablissement de la pression nominale Pn0m, est différée dans le temps par rapport à l’ouverture de la vanne de purge et de drainage 54, ce qui permet de générer un gradient de pression et ainsi de calculer le débit d’hydrogène purgé, grâce à l’équation 1 . On désigne alors cette méthode en tant que « purge différée ». According to this purge method, the modification of the opening control of the supply valve 38 allowing the increase in the flow rate of hydrogen admitted, and thus the restoration of the nominal pressure P n0 m, is deferred in time by relative to the opening of the purge and drain valve 54, which makes it possible to generate a pressure gradient and thus to calculate the flow rate of hydrogen purged, thanks to equation 1. This method is then referred to as “delayed purge”.
En pratique, la durée d’ouverture de la vanne de purge et de drainage 54, qui correspond à la durée de purge entre l’instant to et l’instant ti, est comprise entre 0,1 seconde et 1 seconde. Par exemple, la durée de purge est égale à 0,2 secondes. In practice, the opening time of the purge and drain valve 54, which corresponds to the purge time between time to and time ti, is between 0.1 second and 1 second. For example, the purge time is 0.2 seconds.
Ainsi, le déphasage entre l’ouverture de la vanne de purge et de drainage 54 et l’admission d’hydrogène compensant la perte d’hydrogène liée à la purge est négligeable. La diminution de pression entre la pression nominale Pn0m et la pression minimale Pmin n’a donc pas d’impact sur le fonctionnement de la pile à combustible 12. Thus, the phase difference between the opening of the purge and drain valve 54 and the admission of hydrogen compensating for the loss of hydrogen linked to the purge is negligible. The decrease in pressure between the nominal pressure P n0 m and the minimum pressure P m in therefore has no impact on the operation of the fuel cell 12.
On décrit à présent plus en détail et en référence à la figure 4 un exemple de méthode de détection de fuite d’hydrogène dans le système de pile à combustible 10 conforme à l’invention. An example of a hydrogen leak detection method in the fuel cell system 10 according to the invention will now be described in more detail and with reference to FIG.
De préférence, cette méthode de détection de fuite d’hydrogène est mise en œuvre, de façon automatique, par le calculateur 92. Preferably, this hydrogen leak detection method is implemented automatically by the computer 92.
La méthode de détection de fuite d’hydrogène est réalisée en temps réel. De plus, cette méthode est réalisée de manière cyclique. On décrit à présent les étapes réalisées dans chaque cycle de la méthode de détection de fuite d’hydrogène conforme à l’invention. Cette méthode comprend une première étape 110 de démarrage. The hydrogen leak detection method is performed in real time. In addition, this method is carried out cyclically. The steps carried out in each cycle of the hydrogen leak detection method in accordance with the invention are now described. This method comprises a first step 110 of starting.
Cette méthode comprend une deuxième étape 120 de mesures, réalisée après l’étape 110 de démarrage. Au cours de cette étape, la température Ti est mesurée par le capteur de température 86, la pression Pi est mesurée par le premier capteur de pression 88 et la pression P2 est mesurée par le deuxième capteur de pression 90, puis les données issues des capteurs 86, 88 et 90 sont transmises au calculateur 92. This method comprises a second step 120 of measurements, carried out after step 110 of starting. During this step, the temperature Ti is measured by the temperature sensor 86, the pressure Pi is measured by the first pressure sensor 88 and the pressure P 2 is measured by the second pressure sensor 90, then the data from the sensors 86, 88 and 90 are transmitted to computer 92.
La méthode comprend une troisième étape 130 de calcul du débit total d’hydrogène consommé par le système de pile à combustible 10, ultérieure à l’étape 120 de mesures. Ce débit totale d’hydrogène consommé est notée QH2.out-The method comprises a third step 130 of calculating the total flow of hydrogen consumed by the fuel cell system 10, subsequent to step 120 of measurements. This total flow of hydrogen consumed is denoted Q H 2.out-
Le débit total d’hydrogène QH2.0ut consommé par le système le pile à combustible 10 est calculé à l’aide de l’équation suivante : The total flow of hydrogen Q H2.0 ut consumed by the fuel cell system 10 is calculated using the following equation:
[Équation 2] dans laquelle : [Equation 2] where:
QH2.outsto est un débit de base d’hydrogène consommé par la réaction électrochimique se produisant dans les cellules électrochimiques 14 de la pile à combustible 12 ; Q H 2.out sto is a base flow of hydrogen consumed by the electrochemical reaction occurring in the electrochemical cells 14 of the fuel cell 12;
QH2.outxo est un débit d’hydrogène consommé par perméation de la membrane polymère échangeuse de protons 20 ; et est Ie débit d’hydrogène purgé calculé à l’aide de l’équation 1 introduite ci-dessus, correspondant à la perte d’hydrogène dans les purges. Q H 2.out xo is a flow rate of hydrogen consumed by permeation of the proton exchange polymer membrane 20; and is I e flow rate of purged hydrogen calculated using equation 1 introduced above, corresponding to the loss of hydrogen in the purges.
Le débit d’hydrogène purgé QH2.out puv g est nul lorsqu’aucune purge du système de pile à combustible 10 n’est en cours. The flow rate of purged hydrogen Q H 2.out puv g is zero when no purge of the fuel cell system 10 is in progress.
Le débit de base Çii2.ouistod’hydrogène consommé par la pile à combustible 12 est lié par une relation stoechiométrique au courant électrique produit par la pile à combustible. Ainsi ce débit de base est également appelé « consommation stoechiométrique » et est calculé à l’aide de l’équation suivante : The base rate Ç ii2.o ui sto of hydrogen consumed by the fuel cell 12 is linked by a stoichiometric relationship to the electric current produced by the fuel cell. Thus this base flow is also called "stoichiometric consumption" and is calculated using the following equation:
[Équation 3] dans laquelle : [Equation 3] in which:
- MWh 2 est la masse molaire du dihydrogène, en pratique égale à 2,0159 grammes par moles (g/mol) ; - MW h 2 is the molar mass of dihydrogen, in practice equal to 2.0159 grams per mole (g/mol);
N est le nombre de cellules électrochimiques 14 de la pile à combustible 12 ; F est la constante de Faraday, en pratique égale à 96485 Coulombs par molesN is the number of electrochemical cells 14 of the fuel cell 12; F is Faraday's constant, in practice equal to 96485 Coulombs per mole
(Coulombs/mol), également exprimée en ampères-secondes par moles(Coulombs/mol), also expressed in ampere-seconds per mole
(AxSxmol-1) ; et (AxSxmol -1 ); and
- I est le courant généré par la pile à combustible 12, en ampères (A). - I is the current generated by the fuel cell 12, in amperes (A).
On comprend de l’équation 3 que la consommation stoechiométrique QH2.outsto de la pile à combustible 12 est directement proportionnelle au courant généré par la pile à combustible. It is understood from equation 3 that the stoichiometric consumption Q H 2.out sto of the fuel cell 12 is directly proportional to the current generated by the fuel cell.
Le débit Çii2.ouixod’hydrogène consommé par perméation au travers de la membrane polymère échangeuse de protons 20 correspond à un débit d’hydrogène transféré de l’anode vers la cathode au cours du fonctionnement normal de la pile à combustible 12, c’est-à-dire à un débit d’hydrogène traversant la membrane 20. The flow rate C ii2.o ui xo of hydrogen consumed by permeation through the polymeric proton exchange membrane 20 corresponds to a flow rate of hydrogen transferred from the anode to the cathode during normal operation of the fuel cell 12 , that is to say at a flow rate of hydrogen passing through the membrane 20.
Ce transfert d’hydrogène par perméation est également appelé mécanisme « cross over» et apparaît sous l’effet de la pression osmotique apparaissant dans les cellules électrochimiques 14 en raison de la forte différence de concentration d’hydrogène de part et d’autres de la membrane 20. Le débit de ce transfert d’hydrogène est ainsi exprimé en courant de cross over équivalent. This transfer of hydrogen by permeation is also called the "cross over" mechanism and appears under the effect of the osmotic pressure appearing in the electrochemical cells 14 due to the strong difference in concentration of hydrogen on either side of the membrane 20. The rate of this hydrogen transfer is thus expressed as an equivalent crossover current.
Le débit Çii2.ouixod’hydrogène consommé par perméation est calculé à l’aide de l’équation suivante : The flow rate Ç ii2.o ui xo of hydrogen consumed by permeation is calculated using the following equation:
[Équation 4] dans laquelle, en plus des variables mentionnées en référence à l’équation 3 :[Equation 4] in which, in addition to the variables mentioned with reference to equation 3:
- Jxo est la densité de courant de cross over, en ampères par centimètre-carrés- Jx o is the crossover current density, in amperes per square centimeter
(A/cm2) ; et S membrane est la surface de la membrane 20 d’une cellule électrochimique 14, en centimètre-carrés (cm2), qui est connue et constante. (A/cm 2 ); and S m e m b r a n e is the area of the membrane 20 of an electrochemical cell 14, in square centimeters (cm 2 ), which is known and constant.
On comprend de l’équation 4 que le débit Çii2 out¾od’hydrogène consommé par perméation est directement proportionnel au courant de cross over, qui dépend des propriétés et des caractéristiques de la membrane polymère échangeuse de protons 20 utilisée. It is understood from equation 4 that the flow rate Ç ii2 out¾o of hydrogen consumed by permeation is directly proportional to the crossover current, which depends on the properties and characteristics of the polymeric proton exchange membrane 20 used.
Grâce à des mesures expérimentales et à des calculs théoriques, l’évolution de cette densité de courant de cross over au cours de la durée de vie de la pile à combustible 12 est connue. L’augmentation du courant de cross over au cours de la vie de la pile est relativement faible et peut raisonnablement être négligée. En effet, le courant de cross over représente une très faible valeur vis-à-vis du courant principal généré par la pile à combustible. Typiquement, le courant de cross over a une valeur d’environ 2mA/cm2, alors que le courant principal généré par la pile à combustible a une valeur d’environ 1A/cm2. Ceci se traduit par un débit de cross over, c’est-à-dire un débit d’hydrogène consommé par perméation, environ 500 fois plus faible que le débit de base, c’est-à-dire le débit d’hydrogène consommé par la pile à combustible 12. Thanks to experimental measurements and theoretical calculations, the evolution of this crossover current density during the lifetime of the fuel cell 12 is known. The increase in crossover current over the life of the battery is relatively small and can reasonably be neglected. Indeed, the crossover current represents a very low value compared to the main current generated by the fuel cell. Typically, the crossover current has a value of about 2mA/cm2, so that the main current generated by the fuel cell has a value of approximately 1A/cm2. This results in a crossover flow, i.e. a flow of hydrogen consumed by permeation, approximately 500 times lower than the base flow, i.e. the flow of hydrogen consumed by the fuel cell 12.
Au cours de la troisième étape 130 de calcul du débit total d’hydrogène consommé par le système de pile à combustible 10 est donc effectué par le calculateur 92 en appliquant l’équation 2 détaillée ci-dessus. During the third step 130 of calculating the total flow of hydrogen consumed by the fuel cell system 10 is therefore carried out by the computer 92 by applying equation 2 detailed above.
La méthode de détection de fuite d’hydrogène comprend une quatrième étape 140 de calcul du débit d’hydrogène admis par le système d’alimentation en hydrogène à l’entrée de l’éjecteur de type Venturi, noté « QH2.in Cette quatrième étape 140 est réalisée par le calculateur 92 ultérieurement à l’étape 120 de mesures et simultanément à l’étape 130. The hydrogen leak detection method comprises a fourth step 140 of calculating the flow rate of hydrogen admitted by the hydrogen supply system at the inlet of the Venturi type ejector, denoted “Q H2 .in This fourth step 140 is carried out by computer 92 subsequently to step 120 of measurements and simultaneously to step 130.
Plus précisément, le débit d’hydrogène admis Qh2.m correspond au débit d’hydrogène au travers de la tubulure 62 d’admission d’hydrogène et du col sonique 64 de l’éjecteur 36 de type Venturi. More precisely, the flow rate of hydrogen admitted Q h2 .m corresponds to the flow rate of hydrogen through the hydrogen inlet pipe 62 and the sonic neck 64 of the ejector 36 of the Venturi type.
Le calcul du débit d’hydrogène admis QH2.in dépend du régime d’écoulement au sein de l’éjecteur 36 de type Venturi : l’écoulement de l’hydrogène dans l’éjecteur peut prendre deux natures de régime d’écoulement, selon que le rapport de la pression P2 sur la pression Pi est inférieur ou supérieur à un rapport de pression critique noté Vcr. The calculation of the allowed hydrogen flow rate Q H2 .in depends on the flow regime within the Venturi-type ejector 36: the flow of hydrogen in the ejector can take two types of flow regime, depending on whether the ratio of the pressure P 2 to the pressure Pi is lower or higher than a critical pressure ratio denoted V cr .
Le rapport de pression critique Vcr est calculé d’après l’équation suivante : The critical pressure ratio V cr is calculated according to the following equation:
[Équation 5] dans laquelle y est le coefficient adiabatique du dihydrogène à la température Ti mesurée par le capteur de température 86, également appelé coefficient de Laplace. [Equation 5] in which y is the adiabatic coefficient of hydrogen at the temperature Ti measured by the temperature sensor 86, also called the Laplace coefficient.
Ainsi, lorsque > Vcr, le régime d’écoulement de l’hydrogène admis est subsonique, c’est-à-dire que le nombre de Mach de l’écoulement de l’hydrogène admis est inférieur à 1 . Dans ce cas, on note QH2.insub le débit d’hydrogène admis, calculé à l’aide de l’équation suivante : Thus, when > V cr , the flow regime of the admitted hydrogen is subsonic, i.e. the Mach number of the admitted hydrogen flow is less than 1. In this case, we denote Q H2 .in sub the hydrogen flow rate admitted, calculated using the following equation:
[Equation 6] dans laquelle : d est l’efficacité du col sonique 64 de manière à tenir compte des pertes par friction. De préférence, d est égal à 0,97. En pratique d est adapté à chaque système de pile à combustible 10 grâce à une calibration empirique en conditions maîtrisées ;[Equation 6] in which: d is the efficiency of the sonic neck 64 so as to account for friction losses. Preferably, d is equal to 0.97. In practice d is adapted to each fuel cell system 10 thanks to an empirical calibration under controlled conditions;
- Ac est la plus petite section du col sonique 64, exprimée en mètre-carrés (m2) ; MWh 2 est la masse molaire du dihydrogène ; - A c is the smallest section of the sonic neck 64, expressed in square meters (m 2 ); MW h 2 is the molar mass of dihydrogen;
- g est le coefficient adiabatique du dihydrogène à la température Ti ; et - g is the adiabatic coefficient of dihydrogen at temperature Ti; and
- R est la constante universelle des gaz parfaits, en Joules par mole kelvin (Jxmol 1xK 1), égale à environ 8,314 Jxmol 1xK 1. - R is the universal ideal gas constant, in Joules per mole kelvin (Jxmol 1 xK 1 ), equal to approximately 8.314 Jxmol 1 xK 1 .
Lorsque - < Vcr, le régime d’écoulement de l’hydrogène admis est sonique, c’est- à-dire que le nombre de Mach de l’écoulement de l’hydrogène admis est égal à 1. Dans ce cas de régime d’écoulement sonique, on note QH2.inS0Jl le débit d’hydrogène admis, calculé à l’aide de l’équation suivante : When - < V cr , the flow regime of the admitted hydrogen is sonic, i.e. the Mach number of the flow of the admitted hydrogen is equal to 1. In this case of regime sonic flow, we denote Q H 2.in S0Jl the flow rate of hydrogen admitted, calculated using the following equation:
[Équation 7] avec les variables mentionnées en référence à l’équation 6. [Equation 7] with the variables mentioned in reference to equation 6.
Grâce aux équations 6 et 7 présentées ci-dessus, il est possible de calculer au cours de l’étape 140 le débit d’hydrogène admis QH2.in en fonction de la température Ti et des pressions Pi et P2, quel que soit le régime d’écoulement de l’hydrogène. Thanks to equations 6 and 7 presented above, it is possible to calculate during step 140 the hydrogen flow rate admitted Q H2 .i n as a function of the temperature Ti and the pressures Pi and P2, whatever the hydrogen flow regime.
La méthode de détection de fuite d’hydrogène comprend une cinquième étape 150 de calcul du débit de fuite d’hydrogène dans le système de pile à combustible 10, réalisée par le calculateur 92 ultérieurement aux étapes 130 et 140. Ce débit de fuite d’hydrogène est noté Q .ieak et est calculé à l’aide de l’équation suivante : The hydrogen leak detection method comprises a fifth step 150 of calculating the hydrogen leak rate in the fuel cell system 10, carried out by the computer 92 subsequently to steps 130 and 140. This leak rate of hydrogen is noted Q .ieak and is calculated using the following equation:
Qm.leak = QH2.in ~ QH2.out Qm.leak = QH2.in ~ QH2.out
[Équation 8] dans laquelle : [Equation 8] in which:
- QH2.in est égal à QH2.insub , calculé à l’aide de l’équation 6 ci-dessus, ou à QH2.inson > calculé à l’aide de l’équation 7 ci-dessus, selon que le régime d’écoulement de l’hydrogène admis dans l’éjecteur 36 de type Venturi est subsonique ou sonique ; et QH2.OUÎ est calculé à l’aide de l’équation 2 ci-dessus. - QH2.in equals Q H 2.in sub , calculated using equation 6 above, or Q H 2.in son > calculated using equation 7 above , depending on whether the hydrogen flow rate admitted into the Venturi-type ejector 36 is subsonic or sonic; and QH2.YES is calculated using equation 2 above.
En effet, lors du fonctionnement normal de la pile à combustible 12, la quantité d’hydrogène consommé QH2.out est égale à la quantité d’hydrogène admis QH2.m· Ainsi, toute différence entre ces deux valeurs est due à une fuite d’hydrogène. Indeed, during normal operation of the fuel cell 12, the quantity of hydrogen consumed Q H 2.out is equal to the quantity of hydrogen admitted Q H 2.m · Thus, any difference between these two values is due to a hydrogen leak.
Il est à noter que cette égalité n’est pas vérifiée lors des phases transitoires du fonctionnement du système de pile à combustible 10, par exemple lors du démarrage du système, lorsque le compartiment anodique 16 et les circuits se remplissent d’hydrogène. La méthode de détection de fuites d’hydrogène ne s’applique donc pas à ces phases transitoires. It should be noted that this equality is not verified during the transient phases of the operation of the fuel cell system 10, for example during the start-up of the system, when the anode compartment 16 and the circuits are filled with hydrogen. The hydrogen leak detection method therefore does not apply to these transient phases.
Le débit de fuite d’hydrogène QH2.ieak ainsi obtenu s’exprime en grammes par seconde (g/s). The hydrogen leak rate Q H2 .i e ak a i ns i obtained is expressed in grams per second (g/s).
Ainsi, il est possible de calculer le débit de fuite d’hydrogène dans le système de pile à combustible 10, en aval de l’éjecteur 36 de type Venturi, avec pour seules données mesurées la température Ti et la pression Pi en amont de l’éjecteur, la pression P2 en aval de l’éjecteur et le courant électrique généré par la pile à combustible 12. Thus, it is possible to calculate the hydrogen leak rate in the fuel cell system 10, downstream of the Venturi-type ejector 36, with only the temperature Ti and the pressure Pi upstream of the measured data. ejector, the pressure P 2 downstream of the ejector and the electric current generated by the fuel cell 12.
La méthode comprend une sixième étape 160 de détection de fuite d’hydrogène dans le système à pile à combustible 10. Au cours de cette étape, le débit de fuite d’hydrogène QH2.ieak est comparé à une ou plusieurs valeurs seuil pour détecter une éventuelle fuite d’hydrogène. The method comprises a sixth step 160 of hydrogen leak detection in the fuel cell system 10. During this step, the hydrogen leak rate Q H2 .i e ak is compared with one or more threshold values to detect a possible hydrogen leak.
Pour effectuer cette comparaison, une première approche est de comparer directement le débit de fuite d’hydrogène Qm.ieak calculé au cours de l’étape 150 avec une valeur seuil prédéfinie de détection de fuite, notée Qthres Lorsque le débit de fuite calculé dépasse cette valeur seuil Qthres , alors le calculateur 92 conclut à la présence d’une fuite. Cependant, cette approche présente l’inconvénient d’être sensible aux bruits de mesure. To perform this comparison, a first approach is to directly compare the hydrogen leak rate Qm.i eak calculated during step 150 with a predefined leak detection threshold value, denoted Q th r es When the flow rate of calculated leak exceeds this threshold value Q thres , then the computer 92 concludes that a leak is present. However, this approach has the drawback of being sensitive to measurement noise.
Ainsi, une deuxième approche est privilégiée pour effectuer cette comparaison. Elle consiste à filtrer le débit de fuite d’hydrogène Qm.ieak calculé avant d’effectuer la comparaison avec une ou des valeurs seuils de détection de fuite. Thus, a second approach is preferred to perform this comparison. It consists of filtering the hydrogen leak rate Qm.i eak calculated before performing the comparison with one or more leak detection threshold values.
De préférence, le filtrage appliqué au débit de fuite d’hydrogène Qm.ieak est un filtre passe-bas du premier ordre. Preferably, the filtering applied to the hydrogen leak rate Qm.i eak is a first-order low-pass filter.
Par exemple, le débit de fuite d’hydrogène QH2 ieak est filtré avec un filtre passe-bas du premier ordre de constante de temps égale à dix secondes et le seuil de détection de fuite Qthres est fixé à 30 milligrammes par seconde (mg/s). For example, the hydrogen leak rate Q H2 ieak is filtered with a first-order low-pass filter with a time constant equal to ten seconds and the leak detection threshold Q th r es is set at 30 milligrams per second (mg/s).
Le choix d’un filtrage avec un filtre passe-bas du premier ordre de constante de temps égale à dix secondes est avantageux car il permet à la fois de s’affranchir des bruits de mesure et de la variabilité des mesures au cours du temps et d’obtenir une méthode de détection réactive, c’est-à-dire en mesure de détecter une fuite d’hydrogène très rapidement après son apparition, et très précise. The choice of filtering with a first-order low-pass filter with a time constant equal to ten seconds is advantageous because it makes it possible both to overcome measurement noise and the variability of measurements over time and to obtain a reactive detection method, that is to say capable of detecting a hydrogen leak very quickly after its appearance, and very precise.
Il est observé que lorsque le débit d’hydrogène admis dans le système de pile à combustible 10 est très faible ou nul, c’est-à-dire lorsque le courant électrique produit par la pile à combustible 12 est très faible ou nul, une erreur de mesure résiduelle est inévitable. Pour éviter que cette erreur de mesure résiduelle conduise à une détection de fuite d’hydrogène lors de l’étape 160, qui serait alors un «faux positif », il est avantageux de ne pas tenir compte des faibles fuites, à faible débit d’hydrogène admis. It is observed that when the hydrogen flow admitted into the fuel cell system 10 is very low or zero, that is to say when the electric current produced by the fuel cell 12 is very low or zero, a Residual measurement error is unavoidable. To prevent this residual measurement error from leading to leak detection of hydrogen during step 160, which would then be a “false positive”, it is advantageous not to take account of small leaks, at a low flow rate of hydrogen admitted.
Pour cela, le débit de fuite d’hydrogène Qh2,ieak est filtré selon deux filtres différents, puis les résultats obtenus par ces deux filtrages sont comparés à deux seuils de détection différents, notés Qthres.i et Qthres.2 dans une variante de l’étape 160. For this, the hydrogen leak rate Q h2 ,i e ak is filtered according to two different filters, then the results obtained by these two filterings are compared with two different detection thresholds, denoted Qthres.i and Qthres.2 in a variant of step 160.
Par exemple, les deux seuils de détection de fuite sont définis de la manière suivante : For example, the two leak detection thresholds are defined as follows:
- le débit de fuite d’hydrogène QH2.ieak est filtré avec un filtre passe-bas du premier ordre de constante de temps égale à 1 seconde et le seuil de détection de fuite Qthres.i est fixé à 60 milligrammes par seconde (mg/s) ; et - the hydrogen leak rate Q H2 .i e ak is filtered with a first-order low-pass filter with a time constant equal to 1 second and the leak detection threshold Qthres.i is set at 60 milligrams per second (mg/s); and
- le débit de fuite d’hydrogène Qm.ieak est filtré avec un filtre passe-bas du premier ordre de constante de temps égale à 10 secondes et le seuil de détection de fuite Qthres.2 est fixé à 30 milligrammes par seconde (mg/s). - the hydrogen leak rate Qm.ieak is filtered with a first order low-pass filter with a time constant equal to 10 seconds and the leak detection threshold Qthres.2 is set at 30 milligrams per second (mg/ s).
Dans cet exemple, pour déterminer si une fuite d’hydrogène a lieu dans le système de pile à combustible 10, le premier seuil de détection Qthres.i est toujours retenu (A) et le deuxième seuil de détection Qthres.2 , plus sélectif, est retenu uniquement lorsque le courant produit par la pile à combustible 12 est supérieur ou égal à 10 A. In this example, to determine whether a hydrogen leak is taking place in the fuel cell system 10, the first detection threshold Qthres.i is always retained (A) and the second detection threshold Q thres.2 , more selective , is retained only when the current produced by the fuel cell 12 is greater than or equal to 10 A.
Ainsi, le seuil de détection le plus élevé est uniquement considéré lorsque le débit d’hydrogène admis est faible, ce qui permet d’éviter de détecter un «faux positif », causé par l’imprécision des mesures à faible débit. Thus, the highest detection threshold is only considered when the hydrogen flow rate admitted is low, which makes it possible to avoid detecting a “false positive”, caused by the inaccuracy of the measurements at low flow rate.
D’autres valeurs peuvent être retenues pour les constantes de temps des deux filtres passe-bas du premier ordre, ainsi que pour les seuils de détection Qthres.i et Qthres.2 associés. Other values can be retained for the time constants of the two first-order low-pass filters, as well as for the associated detection thresholds Qthres.i and Qthres.2.
De manière générale, la valeur de la constante de temps et le seuil de détection d’un premier filtre sont respectivement inférieure et supérieur à la valeur de la constante de temps et au seuil de détection d’un deuxième filtre. In general, the value of the time constant and the detection threshold of a first filter are respectively lower and higher than the value of the time constant and the detection threshold of a second filter.
On note également que la filtration du débit de fuite d’hydrogène QH2,ieak permet de s’affranchir de l’influence du déphasage se produisant au cours d’une purge entre l’ouverture de la vanne de purge et de drainage 54 et l’admission d’hydrogène compensant la perte d’hydrogène liée à la purge, car la durée d’une purge est bien inférieure à la constante de temps des filtres utilisés. It is also noted that the filtration of the hydrogen leak rate Q H2,iea k overcomes the influence of the phase shift occurring during a purge between the opening of the purge and drain valve 54 and the admission of hydrogen compensating for the loss of hydrogen linked to the purge, since the duration of a purge is much less than the time constant of the filters used.
La méthode de détection de fuite d’hydrogène comprend une septième étape 170 de fin de cycle, réalisée après la réalisation de l’étape 160 de détection de fuite d’hydrogène. The hydrogen leak detection method comprises a seventh step 170 at the end of the cycle, carried out after the completion of the hydrogen leak detection step 160.
Au cours de l’étape de fin de cycle 170, si le calculateur 92 détecte que le système de pile à combustible 10 est toujours en fonctionnement, alors la méthode de détection de fuite d’hydrogène débute un nouveau cycle en réalisant à nouveau les étapes 110 à 170, en débutant par l’étape 110 de démarrage. During the end of cycle step 170, if the computer 92 detects that the fuel cell system 10 is still in operation, then the method of detecting hydrogen leak begins a new cycle by again performing steps 110 to 170, beginning with start-up step 110.
Ainsi, tout au long du fonctionnement du système de pile à combustible 10, la méthode de détection de fuite d’hydrogène est exécutée en temps réel. Thus, throughout the operation of the fuel cell system 10, the hydrogen leak detection method is executed in real time.
En pratique, cela signifie que les données issues des capteurs de température 86 et de pression 88 et 90 sont transmises en temps réel au calculateur 92, ainsi que la mesure du courant produit par la pile à combustible 10, et qu’un cycle complet de la méthode de détection de fuite d’hydrogène est réalisée à chaque période d’échantillonnage du calculateur 92. In practice, this means that the data from the temperature 86 and pressure 88 and 90 sensors are transmitted in real time to the computer 92, as well as the measurement of the current produced by the fuel cell 10, and that a complete cycle of the hydrogen leak detection method is carried out at each sampling period of the computer 92.
La période d’échantillonnage du calculateur 92 est par exemple comprise entre 1 milliseconde et 10 millisecondes (ms). The sampling period of computer 92 is for example between 1 millisecond and 10 milliseconds (ms).
Plus précisément, à chaque période d’échantillonnage du calculateur 92, le calculateur effectue les calculs des étapes 130, 140 et 150 et effectue l’étape de détection de fuite d’hydrogène 160. More specifically, at each sampling period of the computer 92, the computer performs the calculations of steps 130, 140 and 150 and performs the hydrogen leak detection step 160.
On décrit à présent plus en détail et en référence à la figure 5 des résultats expérimentaux obtenus par la méthode de détection de fuite d’hydrogène appliquée à un système de pile à combustible 10 réalisé conformément à l’invention et ne présentant pas de fuite détectable d’hydrogène. There will now be described in more detail and with reference to FIG. 5 experimental results obtained by the hydrogen leak detection method applied to a fuel cell system 10 produced in accordance with the invention and not exhibiting any detectable leak. of hydrogen.
La figure 5 compare : le calcul du débit d’hydrogène consommé QH2.0ut par la pile à combustible 12, réalisé à l’aide de l’équation 2 ci-dessus, avec le calcul du débit d’hydrogène QH2 in admis à l’entrée de l’éjecteur 36 de typeFIG. 5 compares: the calculation of the flow rate of hydrogen consumed Q H2.0 ut by the fuel cell 12, carried out using equation 2 above, with the calculation of the flow rate of hydrogen Q H2 in admitted to the entrance of the ejector 36 type
Venturi, réalisé à l’aide des équations 6 et 7 ci-dessus. Venturi, made using equations 6 and 7 above.
Cette comparaison est effectuée en de nombreux points de fonctionnement de la pile à combustible 12, c’est-à-dire pour différentes valeurs de courant électrique produit par la pile à combustible. Ces différentes valeurs de courant électrique produit sont présentées en abscisse et les débits d’hydrogène calculés QH2.out et Qm.in sont présentés en ordonnée. This comparison is performed at numerous operating points of the fuel cell 12, that is to say for different values of electric current produced by the fuel cell. These different values of electric current produced are presented on the abscissa and the calculated hydrogen flow rates Q H 2.out and Qm.in are presented on the ordinate.
Pour obtenir ces résultats expérimentaux, les relations suivantes ont été appliquées pour calculer le débit d’hydrogène QH2 in admis : [Équation 10] To obtain these experimental results, the following relationships were applied to calculate the hydrogen flow rate Q H2 inadmissible: [Equation 10]
Pour obtenir ces relations, les paramètres suivants ont été retenus : To obtain these relationships, the following parameters were retained:
- Ac : plus petite section du col sonique 64 égal à 1 ,43x10-6m2 ; - A c : smallest section of the sonic neck 64 equal to 1.43× 10-6 m 2 ;
- y : coefficient adiabatique du dihydrogène égal à 1 ,405 ; - d : égal à 0,97 ; - y: adiabatic coefficient of dihydrogen equal to 1.405; - d: equal to 0.97;
- MWh 2 : masse molaire du dihydrogène, égale à 2,0159 g/mol ; et - MW h 2 : molar mass of dihydrogen, equal to 2.0159 g/mol; and
- R : constante universelle des gaz parfaits, égale à environ 8,314 Jxmol 1xK 1. - R: universal ideal gas constant, equal to approximately 8.314 Jxmol 1 xK 1 .
On remarque à la figure 5 que sur toute la plage de fonctionnement de la pile à combustible 12, les écarts entre calcul du débit d’hydrogène consommé QH2.0ut et Ie calcul du débit d’hydrogène QH2,in admis sont inférieurs à 10 milligrammes par seconde (mg/s), sauf lorsque le courant produit par la pile à combustible 12 est faible, en pratique inférieur à 10 A, où les imprécisions de mesure conduisent à une erreur sur le calcul du débit d’hydrogène admis QH2,in d’environ 25 milligrammes par second (mg/s). It can be seen in FIG. 5 that over the entire operating range of the fuel cell 12, the differences between the calculation of the flow rate of hydrogen consumed Q H2.0 u t and the calculation of the flow rate of hydrogen Q H2, not allowed are less than 10 milligrams per second (mg/s), except when the current produced by the fuel cell 12 is low, in practice less than 10 A, where the measurement inaccuracies lead to an error in the calculation of the flow rate of hydrogen admitted Q H2,in of about 25 milligrams per second (mg/s).
Grâce à cette comparaison entre le calcul du débit d’hydrogène consommé et le calcul du débit d’hydrogène admis en l’absence de fuite, les seuils de filtrage utilisés dans l’étape 160 dans le cas où deux seuils de détection de fuite sont utilisés ont pu être définis. Thanks to this comparison between the calculation of the hydrogen flow rate consumed and the calculation of the hydrogen flow rate admitted in the absence of a leak, the filtering thresholds used in step 160 in the case where two leak detection thresholds are used could be defined.
En outre, les faibles écarts relevés à la figure 5 démontrent la précision des calculs utilisés par la méthode de détection de fuite d’hydrogène, en particulier la précision des équations 1 à 8. Ainsi, la comparaison représentée à la figure 5 correspond à une confirmation expérimentale sur un système de pile à combustible 10 de la précision de la méthode de détection de fuite d’hydrogène. In addition, the small deviations noted in Figure 5 demonstrate the accuracy of the calculations used by the hydrogen leak detection method, in particular the accuracy of equations 1 to 8. Thus, the comparison represented in Figure 5 corresponds to a experimental confirmation on a fuel cell system 10 of the accuracy of the hydrogen leak detection method.
Par « précis », on entend ici que le système de pile à combustible 10 et que la méthode de détection de fuite d’hydrogène ont les avantages suivants : - une bonne résolution, c’est-à-dire que la plus petite variation du calcul du débit d’hydrogène consommé QH2.out et du calcul du débit d’hydrogène QH2,in admis est faible, en pratique de l’ordre de 1 milligrammes par secondes (mg/s) ; et une bonne exactitude, c’est-à-dire que l’erreur entre les débits d’hydrogène consommé Qm.out et d’hydrogène QH2,in admis calculés par la méthode de détection de fuite et les débits d’hydrogène consommé et d’hydrogène admis réels est faible, en pratique inférieure à 2% FS (abréviation de l’anglais "full scale", c’est- à-dire que les pourcentages sont exprimés en pourcentage de la pleine échelle) pour un courant électrique produit par la pile à hydrogène 12 supérieur ou égal à 10 A et inférieure à 4% FS pour un courant électrique produit inférieur à 10 A. Grâce à l’invention, il est donc possible de proposer une méthode permettant de détecter avec précision, et en temps réel, des fuites d’hydrogène se produisant dans un système de pile à combustible. By “accurate”, it is meant here that the fuel cell system 10 and that the hydrogen leak detection method have the following advantages: good resolution, that is to say that the smallest variation of the calculation of the flow rate of hydrogen consumed Q H 2.ou t and of the calculation of the flow rate of hydrogen Q H2.in allowed is low, in practice of the order of 1 milligrams per second (mg/s); and good accuracy, that is to say that the error between the flow rates of hydrogen consumed Qm.ou t and of hydrogen Q H2,in admitted calculated by the leak detection method and the hydrogen flow rates actual hydrogen consumed and admitted is low, in practice less than 2% FS (abbreviation for "full scale", i.e. the percentages are expressed as a percentage of the full scale) for a current electricity produced by the hydrogen fuel cell 12 greater than or equal to 10 A and less than 4% FS for an electric current produced less than 10 A. Thanks to the invention, it is therefore possible to propose a method making it possible to detect with precision, and in real time, hydrogen leaks occurring in a fuel cell system.
En outre, grâce à l’invention, le principe physique de l’écoulement de gaz au sein de l’éjecteur 36 de type Venturi est utilisé pour permettre de mettre en œuvre la méthode de détection de fuite d’hydrogène. In addition, thanks to the invention, the physical principle of gas flow within the Venturi-type ejector 36 is used to enable the hydrogen leak detection method to be implemented.
De plus, la méthode de détection de fuite d’hydrogène de l’invention nécessite seulement le recours à des outils de mesure simple à intégrer au système de pile à combustible 10 et peu onéreux. In addition, the hydrogen leak detection method of the invention only requires the use of measuring tools that are simple to integrate into the fuel cell system 10 and inexpensive.
En effet, la méthode de détection de fuite de l’invention requiert uniquement l’utilisation d’un capteur de température 86 et de deux capteurs de pression 88 et 90. En outre, ces capteurs permettent de réaliser d’autres fonctions dans le système de pile à combustible 10. Indeed, the leak detection method of the invention only requires the use of a temperature sensor 86 and two pressure sensors 88 and 90. In addition, these sensors make it possible to perform other functions in the system. fuel cell 10.
Par exemple, le deuxième capteur de pression 90 est nécessaire pour connaître la pression d’hydrogène dans le compartiment anodique 16 de la pile à combustible 12, et ainsi réguler l’admission d’hydrogène dans ce compartiment anodique par la vanne d’alimentation 38. For example, the second pressure sensor 90 is necessary to know the hydrogen pressure in the anode compartment 16 of the fuel cell 12, and thus regulate the admission of hydrogen into this anode compartment by the supply valve 38 .
Ainsi, il est simple et peu coûteux d’adapter un système de pile à combustible pour pouvoir y mettre en œuvre la méthode de détection de fuite de l’invention. Thus, it is simple and inexpensive to adapt a fuel cell system in order to be able to implement the leak detection method of the invention therein.
La méthode de détection de fuite de l’invention présente également l’avantage d’être réalisée en cours de fonctionnement du système de pile à combustible 10, ce qui est plus sécurisé car cela permet de détecter une fuite se déclenchant pendant le fonctionnement du système. The leak detection method of the invention also has the advantage of being carried out during operation of the fuel cell system 10, which is more secure because it makes it possible to detect a leak triggered during the operation of the system. .
La méthode de détection de fuite de l’invention présente également l’avantage de ne pas affecter le fonctionnement ni le rendement du système de pile à combustible 10, ce qui permet de ne pas augmenter les coûts d’exploitation du système. The leak detection method of the invention also has the advantage of not affecting the operation or the efficiency of the fuel cell system 10, which makes it possible not to increase the operating costs of the system.
La méthode de détection de fuite de l’invention présente également l’avantage de permettre de détecter l’ensemble des fuites de produisant dans le système de pile à combustible 10 en aval de l’éjecteur 36 de type Venturi, indépendamment de l’emplacement dans le système de ces fuites, puisque la méthode se base sur la comparaison entre le débit d’hydrogène consommé et le débit d’hydrogène admis. En d’autres termes, les étapes 130, 140, 150 et 160 sont telles que la méthode détecte l’ensemble des fuites d’hydrogène se produisant dans le système de pile à combustible en aval de l’éjecteur de type Venturi, c’est-à-dire que la méthode de détection de fuite d’hydrogène est configurée pour détecter l’ensemble des fuites d’hydrogène se produisant dans le système de pile à combustible en aval de l’éjecteur de type Venturi. Il est à noter que la recirculation d’hydrogène dans le circuit de recirculation 60 n’affecte pas la méthode de détection de fuites d’hydrogène. En effet, cette recirculation permet d’augmenter le débit d’hydrogène dans la pile à combustible 12, mais ne modifie ni la quantité d’hydrogène admis, ni la quantité d’hydrogène consommé. En variante non-représentée de l’invention, la vanne d’alimentation 38 est remplacée par un injecteur procurant une alimentation en hydrogène discontinue. The leak detection method of the invention also has the advantage of making it possible to detect all of the leaks produced in the fuel cell system 10 downstream of the Venturi-type ejector 36, independently of the location. in the system of these leaks, since the method is based on the comparison between the flow of hydrogen consumed and the flow of hydrogen admitted. In other words, the steps 130, 140, 150 and 160 are such that the method detects all of the hydrogen leaks occurring in the fuel cell system downstream of the Venturi-type ejector, i.e. that is, the hydrogen leak detection method is configured to detect all of the hydrogen leaks occurring in the fuel cell system downstream of the Venturi-type ejector. It should be noted that the recirculation of hydrogen in the recirculation circuit 60 does not affect the hydrogen leak detection method. Indeed, this recirculation makes it possible to increase the flow rate of hydrogen in the fuel cell 12, but does not modify either the quantity of hydrogen admitted, nor the quantity of hydrogen consumed. As a variant of the invention, not shown, the supply valve 38 is replaced by an injector providing a discontinuous hydrogen supply.
En variante non-représentée de l’invention, le système d’alimentation en hydrogène 30 comprend un détendeur de gaz disposé entre le réservoir d’hydrogène 32 et la vanne d’alimentation 38. En variante non-représentée de l’invention, la vanne de purge 54 est remplacée par un orifice calibré, ou par une vanne proportionnelle, afin de permettre une purge continue du compartiment anodique 16 de la pile à combustible 12. In a not shown variant of the invention, the hydrogen supply system 30 comprises a gas pressure reducer arranged between the hydrogen tank 32 and the supply valve 38. In a not shown variant of the invention, the purge valve 54 is replaced by a calibrated orifice, or by a proportional valve, in order to allow continuous purge of the anode compartment 16 of the fuel cell 12.
En variante non-représentée de l’invention, le débit de fuite d’hydrogène Qm.ieak est filtré selon un nombre de filtres différent de deux, par exemple selon trois filtres différents. Dans ce cas, le résultat obtenu par chacun de ces filtrages est comparé à un seuil de détection associé. As a variant of the invention, not shown, the hydrogen leak rate Qm.ieak is filtered according to a number of filters different from two, for example according to three different filters. In this case, the result obtained by each of these filterings is compared with an associated detection threshold.
Le mode de réalisation et les variantes envisagés ci-dessus peuvent être combinés pour générer de nouveaux modes de réalisation dans l’invention. The embodiment and the variants contemplated above can be combined to generate new embodiments in the invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode de détection de fuite d’hydrogène ( Qm.ieak ) dans un système de pile à combustible (10), le système de pile à combustible comprenant au moins : un empilement de cellules électrochimiques (14) formant une pile à combustible (12) comprenant un compartiment anodique (16) et un compartiment cathodique (18) séparés par une membrane (20) polymère échangeuse de protons ; un système d’alimentation en hydrogène (30) comprenant un réservoir d’hydrogène (32) et un circuit d’alimentation (34) reliant le réservoir d’hydrogène à une entrée (22) du compartiment anodique (16) de la pile à combustible, le circuit d’alimentation comprenant un éjecteur (36) de type Venturi ; un circuit de recirculation (60) d’hydrogène non-consommé par la pile à combustible entre une sortie (24) du compartiment anodique de la pile à combustible et l’éjecteur (36) de type Venturi du circuit d’alimentation, la recirculation de l’hydrogène non- consommé étant entraînée par l’éjecteur par effet Venturi ; et - un système de purge (50) comprenant une vanne (54) de purge et de drainage du compartiment anodique, caractérisé en ce que la méthode de détection de fuite d’hydrogène comprend au moins les étapes suivantes : a) calculer (130) le débit total d’hydrogène consommé ( Qm.out ) par le système de pile à combustible (10) ; b) calculer (140) le débit d’hydrogène admis (QH2.in) Par Ie système d’alimentation (30) en hydrogène dans une tubulure d’admission (62) de l’éjecteur (36) de type Venturi ; c) déterminer (150) le débit de fuite (QH2.ieak) par calcul de la différence entre le débit d’hydrogène admis et le débit total d’hydrogène consommé ; et d) détecter (160) une éventuelle fuite d’hydrogène dans le système de pile à combustible (10) par comparaison du débit de fuite avec au moins une valeur de Seuil ( Qthres Qthres.l Qthres.2) de telle sorte que la méthode détecte l’ensemble des fuites d’hydrogène ( Qm.ieak ) se produisant dans le système de pile à combustible (10) en aval de l’éjecteur (36) de type Venturi. 1. Method for detecting hydrogen leakage ( Qm.ieak ) in a fuel cell system (10), the fuel cell system comprising at least: a stack of electrochemical cells (14) forming a fuel cell ( 12) comprising an anode compartment (16) and a cathode compartment (18) separated by a proton exchange polymer membrane (20); a hydrogen supply system (30) comprising a hydrogen tank (32) and a supply circuit (34) connecting the hydrogen tank to an inlet (22) of the anode compartment (16) of the fuel, the supply circuit comprising an ejector (36) of the Venturi type; a recirculation circuit (60) of hydrogen not consumed by the fuel cell between an outlet (24) of the anode compartment of the fuel cell and the Venturi type ejector (36) of the supply circuit, the recirculation unconsumed hydrogen being driven by the ejector by Venturi effect; and - a purge system (50) comprising a valve (54) for purging and draining the anode compartment, characterized in that the hydrogen leak detection method comprises at least the following steps: a) calculating (130) the total flow rate of hydrogen consumed ( Qm.out ) by the fuel cell system (10); b) calculating (140) the flow rate of hydrogen admitted (Q H2 .i n ) by the hydrogen supply system ( 30) in an inlet pipe (62) of the ejector (36) of the type Venturi; c) determining (150) the leak rate (Q H 2.ieak) by calculating the difference between the flow rate of hydrogen admitted and the total flow rate of hydrogen consumed; and d) detecting (160) a possible hydrogen leak in the fuel cell system (10) by comparing the leak rate with at least one Threshold value ( Qthres Qthres.l Qthres.2) such that the method detects all of the hydrogen leaks ( Qm.ieak ) occurring in the fuel cell system (10) downstream of the Venturi-type ejector (36).
2. Méthode de détection de fuite d’hydrogène ( QH2.ieak ) selon la revendication 1 , caractérisée en ce que au cours de l’étape a), le calcul (130) du débit total d’hydrogène consommé QH2.out Par le système de pile à combustible (10) est effectué à partir de la somme suivante (équation 2) : 2. Hydrogen leak detection method (Q H 2.i eak ) according to claim 1, characterized in that during step a), the calculation (130) of the total flow hydrogen consumed Q H 2.out P ar the fuel cell system (10) is made from the following sum (equation 2):
QHÏ.OUÎ — QH2.outsto + QH2.outxo Ί QH2.outgurg dans laquelle : QHÏ.OUÎ — QH2.out sto + QH2.out xo Ί QH2.out gurg where:
- QH2.outsto est le débit de base d’hydrogène consommé par la pile à combustible (12) par réaction électrochimique ; - Q H 2.out sto is the basic rate of hydrogen consumed by the fuel cell (12) by electrochemical reaction;
- QH2.OUÎ puv g est le débit d’hydrogène perdu dans les purges du compartiment anodique (16) de la pile à combustible ; et - QH2. where puv g is the flow rate of hydrogen lost in the purges of the anode compartment (16) of the fuel cell; and
- QH2.OUÎXO est le débit d’hydrogène traversant la membrane (20) polymère échangeuse de protons depuis le compartiment anodique (16) vers le compartiment cathodique (18). - QH2. ORIXO is the flow rate of hydrogen passing through the proton exchange polymer membrane (20) from the anode compartment (16) to the cathode compartment (18).
3. Méthode de détection de fuite d’hydrogène ( Qm.ieak ) selon la revendication 2, caractérisée en ce que au cours de l’étape a), le débit d’hydrogène perdu QH2.OUÎ puv g dans les purges du compartiment anodique (16) de la pile à combustible (12) est calculé selon l’équation suivante (équation 1) : dans laquelle : 3. Hydrogen leak detection method (Qm.ieak) according to claim 2, characterized in that during step a), the flow of hydrogen lost QH2.OUÎ puv g in the purges of the anode compartment (16) of the fuel cell (12) is calculated according to the following equation (equation 1): in which :
- MWh 2 est la masse molaire du dihydrogène ; - MW h 2 is the molar mass of dihydrogen;
- R est la constante universelle des gaz parfaits ; - R is the universal ideal gas constant;
- T est la température au sein du compartiment anodique (16) ; - T is the temperature within the anode compartment (16);
V anode est le volume du compartiment anodique (16) ; et V anode is the volume of the anode compartment (16); and
Panode.in est le gradient de la pression (P2) mesuré à l’entrée du compartiment anodique (16) au cours d’une purge. Panode.in is the pressure gradient (P2) measured at the inlet of the anode compartment (16) during a purge.
4. Méthode de détection de fuite d’hydrogène (QH2.ieak) selon la revendication 3, caractérisée en ce que le gradient de pression Panode.in est obtenu par une méthode de purge en admission constante consistant à différer le rétablissement de la pression perdue dans le compartiment anodique (16) de la pile à combustible (12) lors d’une purge en différant l’ouverture d’une vanne d’alimentation (38) en hydrogène du système d’alimentation (30). 4. Hydrogen leak detection method (Q H 2.ieak) according to claim 3, characterized in that the pressure gradient Panode.in is obtained by a method of purging in constant admission consisting in postponing the restoration of the pressure lost in the anode compartment (16) of the fuel cell (12) during a purge by delaying the opening of a hydrogen supply valve (38) of the supply system (30).
5. Méthode de détection de fuite d’hydrogène ( QH2.ieak ) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que au cours de l’étape a), le débit d’hydrogène consommé par perméation QH2.0utxo au travers de la membrane (20) polymère échangeuse de protons depuis le compartiment anodique (16) vers le compartiment cathodique (18) est calculé selon l’équation suivante (équation 4) : dans laquelle : 5. Hydrogen leak detection method (Q H2 .ieak) according to any one of claims 2 to 4, characterized in that during step a), the flow of hydrogen consumed by permeation Q H2.0 ut xo through the proton exchange polymer membrane (20) from the anode compartment (16) to the cathode compartment (18) is calculated according to the following equation (equation 4): in which :
MWh est la masse molaire du dihydrogène ; MW h is the molar mass of dihydrogen;
N est le nombre de cellules électrochimiques (14) de la pile à combustible (12) ; F est la constante de Faraday ; JXo est la densité de courant de cross over ; et S membrane est la surface de la membrane (20) d’une cellule électrochimique (14). N is the number of electrochemical cells (14) of the fuel cell (12); F is Faraday's constant; J Xo is the crossover current density; and S membrane is the surface of the membrane (20) of an electrochemical cell (14).
6. Méthode de détection de fuite d’hydrogène {QH2.ieak) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que au cours de l’étape b), le débit d’hydrogène admis QH2.in par Ie système d’alimentation (30) en hydrogène dans la tubulure d’admission (62) de l’éjecteur (36) de type Venturi est calculé selon que le régime d’écoulement se produisant au sein de l’éjecteur de type Venturi est un régime d’écoulement subsonique ou un régime d’écoulement sonique. 6. Hydrogen leak detection method {Q H 2.ieak) according to any one of the preceding claims, characterized in that during step b), the flow rate of hydrogen admitted Q H2 .i n by the hydrogen supply system ( 30) in the inlet pipe (62) of the Venturi type ejector (36) is calculated according to whether the flow regime occurring within the type ejector Venturi is a subsonic flow regime or a sonic flow regime.
7. Méthode de détection de fuite d’hydrogène ( Qm.ieak ) selon la revendication 6, caractérisée en ce que : 7. Hydrogen leak detection method (Qm.ieak) according to claim 6, characterized in that:
• lorsque le régime d’écoulement est subsonique, le débit d’hydrogène QH2.insub admis par le système d’alimentation (30) en hydrogène dans la tubulure d’admission (62) de l’éjecteur (36) de type Venturi est calculé selon l’équation suivante (équation 6) : dans laquelle : • when the flow regime is subsonic, the flow rate of hydrogen Q H 2.in sub admitted by the hydrogen supply system (30) into the intake pipe (62) of the ejector (36) of Venturi type is calculated according to the following equation (equation 6): in which :
Pi est la pression de l’hydrogène admis dans la tubulure d’admission (62) de l’éjecteur (36) de type Venturi ; Pi is the pressure of the hydrogen admitted into the inlet pipe (62) of the Venturi-type ejector (36);
Ti est la température de l’hydrogène admis à l’admission de l’éjecteur de type Venturi ; Ti is the temperature of the hydrogen admitted to the inlet of the Venturi-type ejector;
P est la pression de l’hydrogène en sortie de l’éjecteur de type Venturi ; d est l’efficacité du col sonique (64) de l’éjecteur (36) de type Venturi ; P is the hydrogen pressure at the outlet of the Venturi-type ejector; d is the efficiency of the sonic neck (64) of the Venturi-type ejector (36);
- Ac est la plus petite section du col sonique (64) de l’éjecteur (36) ; MWh 2 est la masse molaire du dihydrogène ; y est le coefficient adiabatique du dihydrogène ; et - A c is the smallest section of the sonic neck (64) of the ejector (36); MW h 2 is the molar mass of dihydrogen; y is the adiabatic coefficient of dihydrogen; and
- R est la constante universelle des gaz parfaits, et - R is the universal ideal gas constant, and
• lorsque le régime d’écoulement est sonique, le débit d’hydrogène QH2.inS0Jl admis par le système d’alimentation (30) en hydrogène dans la tubulure d’admission (62) de l’éjecteur (36) de type Venturi est calculé avec l’équation suivante (équation 7) : dans laquelle : • when the flow regime is sonic, the hydrogen flow QH2.in S0Jl admitted by the hydrogen supply system (30) into the intake pipe (62) of the Venturi-type ejector (36) is calculated with the following equation (equation 7): in which :
Pi est la pression de l’hydrogène admis dans la tubulure d’admission (62) de l’éjecteur (36) de type Venturi ; Pi is the pressure of the hydrogen admitted into the inlet pipe (62) of the Venturi-type ejector (36);
Ti est la température de l’hydrogène admis dans la tubulure d’admission de l’éjecteur de type Venturi ; d est l’efficacité du col sonique (64) de l’éjecteur (36) de type Venturi ; Ti is the temperature of the hydrogen admitted into the inlet manifold of the Venturi-type ejector; d is the efficiency of the sonic neck (64) of the Venturi-type ejector (36);
- Ac est la plus petite section du col sonique (64) de l’éjecteur (36) ; - A c is the smallest section of the sonic neck (64) of the ejector (36);
MWh 2 est la masse molaire du dihydrogène ; MW h 2 is the molar mass of dihydrogen;
- y est le coefficient adiabatique du dihydrogène ; et - y is the adiabatic coefficient of dihydrogen; and
- R est la constante universelle des gaz parfaits. - R is the universal ideal gas constant.
8. Méthode de détection de fuite d’hydrogène (QH2.ieak) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le débit de fuite (QH2.ieak) déterminé (150) à l’étape c) est filtré avant d’effectuer la comparaison avec au moins une valeur de seuil ( Qthres Qthres.h Qthres.2)· 8. Hydrogen leak detection method (Q H 2.ieak) according to any one of the preceding claims, characterized in that the leak rate (Q H 2.ieak) determined (150) in step c ) is filtered before performing the comparison with at least one threshold value ( Qthres Qthres.h Qthres.2)
9. Méthode de détection de fuite d’hydrogène (QH2.ieak) selon la revendication 8, caractérisée en ce que le débit de fuite ( QH2.ieak ) déterminé (150) à l’étape c) est filtré selon deux filtres différents et en ce que les résultats obtenus par ces deux filtrages sont comparés à deux seuils de détection différents ( Qthres.i , Qthres.2) ' 9. Hydrogen leak detection method (Q H 2.ieak) according to claim 8, characterized in that the leak rate (Q H 2.ieak) determined (150) in step c) is filtered according to two different filters and in that the results obtained by these two filters are compared with two different detection thresholds (Qthres.i, Qthres.2) '
- un premier seuil de détection de fuite (Qthres.1) comparé au débit de fuite filtré avec un filtre passe bas du premier ordre de constante de temps égale à une première valeur ; et - a first leak detection threshold (Q thres .1) compared to the leak flow rate filtered with a first-order low-pass filter with a time constant equal to a first value; and
- un deuxième seuil de détection de fuite ( Qthres.2 ) comparé au débit de fuite filtré avec un filtre passe bas du premier ordre de constante de temps égale à une deuxième valeur, en ce que le premier seuil de détection de fuite a une valeur supérieure à celle du deuxième seuil de détection de fuite, et en ce que la première valeur de constante de temps est inférieure à la deuxième valeur de constante de temps. - a second leak detection threshold ( Qthres.2 ) compared to the leak flow rate filtered with a first-order low-pass filter with a time constant equal to a second value, in that the first leak detection threshold has a value greater than that of the second leak detection threshold, and in that the first time constant value is less than the second time constant value.
10. Méthode de détection de fuite d’hydrogène (QH2.ieak) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce la méthode de détection de fuite d’hydrogène est réalisée de manière cyclique, en temps réel, et en ce que, de préférence, les étapes c) et d) de la méthode de détection de fuite d’hydrogène sont réalisées par un calculateur (92) de contrôle du système de pile à combustible (10) à chaque période d’échantillonnage du calculateur. 10. Hydrogen leak detection method (Q H 2.ieak) according to any one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen leak detection method is carried out cyclically, in real time, and in that, preferably, steps c) and d) of the hydrogen leak detection method are carried out by a computer (92) for controlling the fuel cell system (10) at each sampling period of the computer .
11. Système de pile à combustible (10) pour la mise en œuvre de la méthode de détection de fuite d’hydrogène (QH2.ieak) de l’une des revendications 1 à 10 comprenant au moins : un empilement de cellules électrochimiques (14) formant une pile à combustible (12) comprenant un compartiment anodique (16) et un compartiment cathodique (18) séparés par une membrane (20) polymère échangeuse de protons ; un système d’alimentation en hydrogène (30) comprenant un réservoir d’hydrogène (32) et un circuit d’alimentation (34) reliant le réservoir d’hydrogène à l’entrée (22) du compartiment anodique (16) de la pile à combustible, le circuit d’alimentation comprenant un éjecteur (36) de type Venturi ; un circuit de recirculation (60) d’hydrogène non-consommé par la pile à combustible entre la sortie (24) du compartiment anodique de la pile à combustible et l’éjecteur (36) de type Venturi du circuit d’alimentation, la recirculation de l’hydrogène non- consommé étant entraînée par l’éjecteur par effet Venturi ; 11. Fuel cell system (10) for implementing the hydrogen leak detection method (Q H 2.ieak) of one of claims 1 to 10 comprising at least: a stack of electrochemical cells (14) forming a fuel cell (12) comprising an anode compartment (16) and a cathode compartment (18) separated by a proton exchange polymer membrane (20); a hydrogen supply system (30) comprising a hydrogen tank (32) and a supply circuit (34) connecting the hydrogen tank to the inlet (22) of the anode compartment (16) of the cell fuel, the supply circuit comprising an ejector (36) of the Venturi type; a recirculation circuit (60) of hydrogen not consumed by the fuel cell between the outlet (24) of the anode compartment of the fuel cell and the Venturi type ejector (36) of the supply circuit, the recirculation unconsumed hydrogen being driven by the ejector by Venturi effect;
- un système de purge (50) comprenant une vanne (54) de purge et de drainage du compartiment anodique ; et un calculateur (92) configuré pour mettre en œuvre les étapes a) à d) de la méthode de détection de fuite d’hydrogène. - a purge system (50) comprising a valve (54) for purging and draining the anode compartment; and a computer (92) configured to implement steps a) to d) of the hydrogen leak detection method.
12. Système de pile à combustible (10) selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le système de pile à combustible (10) comprend en outre un capteur de pression (88) et un capteur de température (86) disposés en amont de l’éjecteur (36) de type Venturi et un capteur de pression (90) disposé en aval de l’éjecteur de type Venturi. 12. Fuel cell system (10) according to claim 11, characterized in that the fuel cell system (10) further comprises a pressure sensor (88) and a temperature sensor (86) arranged upstream of the Venturi-type ejector (36) and a pressure sensor (90) arranged downstream of the Venturi-type ejector.
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