ES2300961T3 - Dispositivo y procedimiento de control de cantidades de aire, de vapor de agua y de carburante inyectadas en un reformador de sistema de pila de combustible a bordo de un vehiculo automovil. - Google Patents
Dispositivo y procedimiento de control de cantidades de aire, de vapor de agua y de carburante inyectadas en un reformador de sistema de pila de combustible a bordo de un vehiculo automovil. Download PDFInfo
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Abstract
Dispositivo de control de cantidades de aire, de vapor de agua y de carburante inyectadas en un reformador (3) de sistema de pila de combustible a bordo de un vehículo automóvil (1) que comprende una unidad de control electrónico (10) caracterizada porque la unidad de control electrónico (10) comprende un estimador (15) de las tasas de gases a la salida del reformador (3) a partir de datos de entrada que comprenden el caudal de alimentación de aire (QAir) el caudal de alimentación de vapor de agua (QEau), , el caudal de alimentación de carburante (QCarb), y la temperatura de entrada (TIN) de los gases del reformador, y los medios de control (16) de las cantidades de aire, de vapor de agua y de carburante inyectadas en el reformador (3).
Description
Dispositivo y procedimiento de control de
cantidades de aire, de vapor de agua y de carburante inyectadas en
un reformador de sistema de pila de combustible a bordo de un
vehículo automóvil.
La presente invención se refiere a un
dispositivo y a un procedimiento de control de cantidades de aire,
de vapor de agua y de carburante inyectadas en un reformador de
sistema de pila de combustible a bordo de un vehículo automóvil.
Las pilas de combustible se utilizan para
proporcionar energía bien para aplicaciones estacionarias, o bien en
el campo de la aeronáutica o del automóvil.
Al ser estrictos los objetivos de contaminación,
particularmente para el monóxido de carbono y el dióxido de
carbono, siendo además el monóxido de carbono un veneno para una
pila de combustible, es indispensable controlar con precisión las
emisiones de los elementos auxiliares de la pila de combustible, de
los que forma parte el reformador.
La invención se aplica más particularmente a los
reformadores que utilizan un reformado autotérmico.
La invención tiene por objeto determinar con
precisión las tasas de rechazo de gas a la salida de un reformador
de dispositivo de pila de combustible, particularmente del monóxido
de carbono CO y del dióxido de carbono CO_{2}, deducir de las
mismas una orden de las cantidades de vapor de agua, de aire y de
carburante a inyectar para alimentar el reformador.
Según la invención, se propone un dispositivo de
control de cantidades de aire, de vapor de agua y de carburante
inyectadas en un reformador de sistema de pila de combustible a
bordo de un vehículo automóvil que comprende una unidad de control
electrónico. La unidad de control electrónico comprende un estimador
de las tasas de gases a la salida del reformador a partir de datos
de entrada que comprenden el caudal de alimentación de vapor de
agua, el caudal de alimentación de aire, el caudal de alimentación
de carburante, y la temperatura de entrada de los gases del
reformador, y los medios de control de las cantidades de aire, de
vapor de agua y de carburante inyectadas en el reformador.
Por ejemplo, el reformador comprende una etapa
de reformado autotérmico.
En un modo de realización preferido, los datos
de entrada del estimador comprenden, además, la presión de los gases
en el reformador.
En un modo de realización ventajoso, el
estimador está adaptado además para estimar la temperatura de salida
de los gases del reformador, cuando el reformador es adiabático.
Además, los datos de entrada del estimador
comprenden adicionalmente las concentraciones de los gases a la
salida del reformador medidas por un sensor de concentraciones y las
tasas a la salida del reformador estimadas por el estimador.
Ventajosamente, los datos de entrada del
estimador comprenden, además, la temperatura de los gases a la
salida del reformador medida por un sensor de temperatura, y la
temperatura de salida de los gases del reformador estimada por el
estimador.
Según otro aspecto de la invención, se propone
igualmente un procedimiento de control de cantidades de aire, de
vapor de agua y de carburante inyectadas en un reformador de sistema
de pila de combustible a bordo de un vehículo automóvil. Se estima
inicialmente las tasas de gases a la salida del reformador a partir
de datos de entrada que comprenden el caudal de alimentación de
aire, el caudal de alimentación de vapor de agua, el caudal de
alimentación de carburante, y la temperatura de entrada de los gases
del reformador. A continuación se controla las cantidades de aire,
de vapor de agua y de carburante inyectadas en el reformador en
función de las tasas de gases estimadas.
En un modo de realización preferido, se utiliza,
además, datos de salida del estimador como datos de entrada del
estimador.
Ventajosamente, se utiliza datos medidos por
sensor a la entrada del estimador correspondientes a dichos datos de
salida estimados utilizados como datos de entrada.
Otros objetos, características y ventajas de la
invención aparecerán de la lectura de la descripción siguiente, de
algunos ejemplos que en modo alguno son limitativos, y hecha con
referencia a los dibujos anexos en los cuales:
- la figura 1 es un esquema sinóptico de un
dispositivo según la invención;
- la figura 2 es un esquema que ilustra una
realización del procedimiento según la invención;
- la figura 3 es un esquema sinóptico que
ilustra un primer modo de realización de un estimador de un
dispositivo según la invención;
- la figura 4 es un esquema sinóptico que
ilustra un segundo modo de realización de un estimador de un
dispositivo según la invención;
- la figura 5 es un esquema sinóptico que
ilustra un tercer modo de realización de un estimador de un
dispositivo según la invención;
- la figura 6 es un diagrama que ilustra un
dispositivo según la invención.
La figura 1 representa un dispositivo según la
invención, a bordo de un vehículo automóvil 1. El dispositivo
comprende una pila de combustible 2, un reformador 3 para alimentar
de hidrógeno la pila de combustible 2 por un conducto 4, estando
asociado dicho reformador 3 a un quemador catalítico 5 que permite
calentar el conjunto del dispositivo durante la fase de arranque,
así como regular la temperatura durante el funcionamiento nominal.
El quemador 5 aporta igualmente la energía necesaria para la
reacción de reformado y permite oxidar el monóxido de carbono CO
cuando utiliza un retorno, por un conducto 6, de los gases de salida
del ánodo de la pila de combustible 2.
El dispositivo comprende igualmente un grupo de
compresión de aire 7, que alimenta de oxígeno, generalmente en
forma de aire comprimido, a la pila de combustible 2, y al quemador
5, respectivamente por unos conductos 8 y 9. El dispositivo
comprende además una unidad de control electrónico UCE 10, utilizada
igualmente para otros fines tales como el control de la estabilidad
del vehículo o del frenado, conectada al reformador 3, al quemador
5, a la pila de combustible 2 y al grupo de compresión de aire 7
respectivamente por unas conexiones 11, 12, 13 y 14. El control
electrónico 10 comprende un estimador 15 de las tasas de los gases a
la salida del reformador 3, y eventualmente de su temperatura en el
caso de un reformador adiabático, y unos medios de control 16 de las
cantidades de aire, de vapor de agua y de carburante inyectadas en
el reformador 3.
El quemador 5 está alimentado por un conducto 17
unido a un depósito de carburante 18. La pila de combustible 2
alimenta un motor eléctrico 19 por una conexión 20. El motor
eléctrico 19 acciona en rotación el eje 21 de las ruedas 22 y 23.
El grupo de compresión de aire 7 está alimentado de aire por una
alimentación de aire 24.
El reformador 3 está alimentado de aire por el
grupo de compresión 7 por medio de un conducto 25 que comprende una
válvula controlada 26 unida a la unidad de control electrónico 10
por una conexión 27. La alimentación de carburante del reformador 3
se efectúa por un conducto 28 que une el depósito de carburante 18 y
el reformador 3, comprendiendo el conducto 28 una válvula
controlada 29 unida a la unidad de control electrónico 10 por una
conexión 30. El reformador 3 está alimentado de vapor de agua por un
conducto 31 unido a un depósito de agua 32 equipado para
proporcionar vapor de agua, y que comprende una válvula controlada
33 unida a la unidad de control electrónico 10 por una conexión
34.
Durante una etapa 40, los medios de control 16
de las cantidades de aire, de vapor de agua y de carburante
inyectadas en el reformador 3 optimizan el consumo de carburante del
reformador 3 así como las tasas de monóxido de carbono CO y de
dióxido de carbono CO_{2} a la salida del reformador 3, por un
algoritmo conocido por los expertos en la técnica. Los medios de
control 16 efectúan esta minimización a partir de los valores de la
tasa predeterminada de monóxido de carbono y del caudal de
dihidrógeno deseados a la salida del reformador 3 llevados a la
entrada 41 de la etapa 40 y de la estimación de las tasas de
monóxido y de dióxido de carbono a la salida del reformador 3,
efectuada por el estimador 15 y aportada por la rama de retorno 42
en la etapa 40. El valor de la tasa predeterminada de monóxido de
carbono deseada a la salida del reformador, que depende de las
normas de contaminación en vigor y del funcionamiento en el cual se
encuentra el reformador, se almacena en la memoria en la unidad de
control electrónico 10. Después de haber efectuado esta optimización
y deducido de los caudales optimizados de aire, de vapor de agua y
de carburante a inyectar en el reformador 3, los medios de control
25 ordenan nuevos caudales de inyección de aire, de vapor de agua y
de carburante, en el reformador 3, durante una etapa 43. A
continuación, en el curso de una etapa 44, la unidad de control
electrónico 10 efectúa nuevas medidas al nivel del reformador, por
medio de sensores no representados en los esquemas, y de nuevos
cálculos. Finalmente, durante una etapa 45, el estimador 15 de las
tasas de gases a la salida del reformador 3 proporciona a los
medios de control 16 una estimación de las tasas de gases rechazados
por el reformador 3. Se tiene por tanto un funcionamiento por
conexión en bucle.
La figura 3 ilustra un modo de realización de un
estimador 15 según la invención. Los datos de entrada del estimador
comprenden el caudal Q_{Carb} de alimentación de carburante del
reformador 3 proporcionado por una entrada 46, el caudal Q_{Air}
de alimentación de aire del reformador 3 proporcionado por una
entrada 47, el caudal Q_{Eau} de alimentación de vapor de agua
del reformador 3 proporcionado por una entrada 48, la temperatura
T_{IN} de los gases de entrada del reformador 3 proporcionada por
una entrada 49, y la presión P en el reformador 3 proporcionada por
una entrada 50.
A la salida del estimador 15, se proporcionan
las estimaciones de las tasas de gas a la salida del reformador 3
por una salida 51 a los medios de control 16, así como la estimación
de la temperatura T^{OUT} por una salida 52.
El estimador 15 se basa en lo que sigue:
El reformado autotérmico (Auto Thermal Reforming
o ATR en inglés) combina las dos reacciones siguientes, de manera
que se anula la entalpía de la reacción global:
Con el procedimiento de reformado autotérmico,
se puede valorizar el agua y el hidrógeno no consumidos por la pila
de combustible 2. Esta tecnología es interesante durante la
utilización de carburantes de petróleo líquidos. Además, la
presencia de aire y de agua permite una gran flexibilidad de
utilización. En efecto, durante las etapas de arranque del
reformador 3, será posible modular la cantidad de aire a inyectar en
el reformador 3 y así disminuir el tiempo de arranque.
Los reactivos al nivel del reformado autotérmico
son el aire, el carburante y el agua. El aire puede ser considerado
como O_{2} +\PsiN_{2} con \Psi = 3,773. La masa del aire por
mol de oxígeno es entonces m_{air} = M_{O2} + \PsiM_{N2} =
138,25 g, y su masa molar es M_{air} = \frac{m_{air}}{1 + \Psi}
= 28,96 g/mol.
La masa molar del agua es M_{H2O} = 18
g/mol.
El carburante es un alcano C_{n}H_{2n+2} o
una mezcla de alcanos, lo que da un carburante de fórmula media
C_{\alpha}H_{\beta} siendo \alpha y \beta números reales. Se
observa que y = \frac{\beta}{\alpha}, y el carburante igualmente
puede recibir la notación (CH_{y})\alpha, de masa molar
M_{carb} = \alpha(12+y).
Entonces, el reformado autotérmico se puede
escribir en las condiciones estequiométricas:
\vskip1.000000\baselineskip
Se tiene entonces las siguientes relaciones
másicas:
donde masse air = masa de aire,
masse eau = masa de agua, masse carburant = masa de
carburante
en las cuales el índice st significa
estequiométrico, m_{air} la masa de aire por mol de oxígeno, en
gramos, y m_{eau} la masa de agua H_{2}O por mol de oxígeno, en
gramos.
Es posible describir la reacción con otras dos
relaciones que son la relación de los caudales molares de agua y de
carburante a la entrada del reformador, y la relación de los
caudales molares de oxígeno y de carburante a la entrada del
reformador.
Contrariamente a la combustión, para la cual se
define una relación entre el carburante y el aire, se tiene las dos
relaciones mencionadas, y por tanto un grado de libertad más.
\vskip1.000000\baselineskip
Se define entonces las riquezas de la mezcla
\Phi_{Air}, \Phi_{Eau} por:
\newpage
Para una mezcla definida por estas dos riquezas,
los reactivos R son:
y los productos P
son:
en la cual n_{x} corresponde al
número de moles de producto X obtenido para un mol de
carburante.
\vskip1.000000\baselineskip
Igualmente se pueden producir otras reacciones
que son:
\vskip1.000000\baselineskip
Entonces se puede escribir para los reactivos R
y los productos P:
con:
poniendo:
la reacción global se
escribe:
\vskip1.000000\baselineskip
Un balance de conservación de la materia da el
sistema siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
Este sistema de ecuaciones se pone en la forma:
B = A.n^{p} con
se busca el vector n^{P} que hace
mínima la energía de Gibbs G, es
decir:
donde NS es el número de compuestos
presentes en el reformador, en este ejemplo NS = 5 (O_{2},
CO_{2}, CO, H_{2}O, y
H_{2})
y \mu' es un vector cuyas componentes son los
potenciales químicos de las especies (\mu_{i}).
\vskip1.000000\baselineskip
Por tanto es preciso minimizar la energía de
Gibbs G bajo la forma de la limitación B = A.n^{P}
Se forma entonces el hamiltoniano H:
siendo \lambda un vector de los
factores multiplicativos de
Lagrange.
Los potenciales químicos se ponen entonces en la
forma:
donde:
P es la presión en el reformador, en Pa;
T es la temperatura en el reformador en K;
\mu^{o}_{j} es el potencial normal de la
especie j en las condiciones normales de temperatura y presión;
y
R es la constante de los gases perfectos.
Se escribe entonces:
\vskip1.000000\baselineskip
Un balance atómico se reduce entonces a una
ecuación con tres incógnitas, y se pasa de una dimensión 5 a una
dimensión 3. Eso define la limitación de optimización del
hamiltoniano H:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Se aplica entonces:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
y se escribe D = B_{2} + B_{3}
para obtener \Sigman^{P}_{i} = D + n^{P}_{O_{2}}. La energía
de Gibbs se escribe entonces en la
forma:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
y se tiene entonces el hamiltoniano
H:
Se hace entonces:
\vskip1.000000\baselineskip
y se deriva el hamiltoniano con
respecto a estas variables,
obteniéndose:
\vskip1.000000\baselineskip
con:
\vskip1.000000\baselineskip
La resolución de este sistema permite determinar
la composición de los gases a la salida del reformador 3.
Si el reformador 3 es además adiabático, es
posible determinar la temperatura de salida utilizando la
relación:
en la
cual:
Q representa las pérdidas térmicas a nivel del
reformador, en W, ahora bien, el reformador es adiabático, por tanto
Q = 0;
\DeltaH_{i}(T) es la entalpía de
formación de la especie i a la temperatura T en J/mol; y
n^{R}_{i}, n^{P}_{i} son respectivamente las
cantidades de materia de la especie i a la entrada y a la salida del
reformador en moles/s.
La figura 4 describe una variante de realización
del estimador 15 según la invención. Con respecto a la figura 3, el
estimador 15 no recibe ya a la entrada la presión P, sino que recibe
por una conexión 53 unas medidas C_{mesuree} de las
concentraciones a la salida del reformador 3 medidas por unos
sensores de concentraciones. El estimador 15 recibe además las
estimaciones de las tasas de gases de salida del reformador 3 por
una conexión 54.
En el reformador 3, la reacción de los gases con
el agua es lenta con respecto a las otras reacciones, no interviene
más que en una segunda etapa. Disponiendo de un modelo de la tasa de
reacción, y considerando el vector de las concentraciones de las
especies medidas por estos captores:
se
obtiene:
donde R es la tasa de reacción, Y
representa un vector de medida, y C representa un vector del cual
cada componente vale 0 ó 1 en función de la existencia o no de un
sensor de medida de la concentración de la especie asociada. Por
ejemplo, si no se dispone más que de un sensor de dihidrógeno
H_{2,} entonces, para el vector X = ^{t}[C_{CO};
C_{CO_{2}}; C_{H_{2}}; C_{H_{2}O}], se tiene C =[0;0;1;0], y
la medida será Y =
[C_{H_{2}}].
La tasa de reacción R fija la dinámica de la
reacción describiendo una cinética química y utilizando como
entrada las concentraciones de las especies C, la temperatura T, y
el conjunto n^{P} de las tasas de las especies a la salida del
reformador 3.
\vskip1.000000\baselineskip
Entonces se construye un vector \hat{X} de
estimación del vector X de la manera siguiente:
donde K es una matriz o una función
no lineal de su argumento escogida de manera que se asegure la
convergencia del error e = X - \hat{X}, entre el sistema real y la
estimación, verificando la
ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
Cuando el error e converge hacia 0, \hat{X}
converge hacia X. Esta estimación permite calcular todavía con mayor
precisión las concentraciones a la salida del reformador 3.
La figura 5 describe una variante de realización
del estimador 15 según la invención. Con relación a la figura 3, el
estimador 15 no recibe ya a la entrada la presión P, sino que
recibe, por una conexión 55 una medida T^{OUT} de la temperatura
a la salida del reformador 3 medida por un sensor de temperatura. El
estimador 15 recibe además la estimación de la temperatura de
salida de los gases del reformador 3 por una conexión 56.
\vskip1.000000\baselineskip
Disponiendo de un modelo que tiene en cuenta la
temperatura, se tiene la ecuación siguiente:
en la cual A(t) y
B(t) corresponden respectivamente a la parte de transporte de
materia y a la parte de reacción
química.
\newpage
Entonces se aumenta el argumento del vector de
estado X^{aug} = ^{t}[XT^{OUT}], y se obtiene:
Se tiene que R^{aug} (X^{aug}, n^{P},
T_{IN}, n^{R}) está definido por:
y el vector Y representa un vector
de medida. En este caso, el vector C^{aug} viene dado por
C^{aug} = ^{t}[0, 0, 0, 0, 0, 1] e Y = T^{OUT} medida
por un
termopar.
Se tiene entonces un estimador regido por:
y el error e = X^{aug} -
\hat{X}^{aug} entre el sistema real y la estimación verifica la
ecuación:
K es una matriz escogida de manera que se
asegura la convergencia de la estimación, y puede ser reemplazada
por una función no lineal de su argumento. Cuando el error e
converge hacia 0, \hat{X}^{aug} converge hacia X^{aug}.
La figura 6 describe un dispositivo de control
según un aspecto de la invención.
Un módulo de optimización 60 recibe por una
entrada 61 la tasa n^{P}_{CO} de monóxido de carbono deseada a la
salida del reformador 3 autotérmico, así como el caudal de
dihidrógeno H_{2} deseado a la salida del reformador 3. El módulo
de optimización 60 recibe por una conexión 63 el resultado de la
estimación efectuada por el estimador 15. Por medio de un algoritmo
conocido por el experto en la técnica, optimiza el consumo de
carburante con vistas a obtener un caudal tal de dihidrógeno
respetando al mismo tiempo la tasa de monóxido de carbono CO
deseada.
El resultado de esta optimización se transmite
por una conexión 64 al módulo de mando 16, que va entonces a
ordenar la inyección de vapor de agua, de aire y de carburante en el
reformador 3 por medio de una conexión 65b, y a transmitir esta
orden de caudales de alimentación al estimador 15 por una conexión
65a. Un conjunto C de sensores de concentración mide las
concentraciones a la salida del reformador 3, y las transmite al
estimador 15 por una conexión 66.
Un sensor de temperatura T mide la temperatura
T_{IN} a la entrada del reformador 3, y la transmite al estimador
15 por una conexión 67. Actúa del segundo modo descrito de
realización del estimador 15, pero cualquier otro modo de
realización se adapta igualmente al sistema. Los gases de salida del
reformador son desulfurados a continuación en un módulo de
desulfuración WGS, y después oxidados por oxidación preferente en un
módulo de oxidación preferente PrOx (CO + ½ O_{2} \rightarrow
CO_{2}). Un módulo de control 68 de inyección de aire y de vapor
de agua en el módulo de desulfuración WGS y en el módulo de
oxidación preferente PrOx puede utilizar igualmente los datos
proporcionados por el estimador 3, por una conexión 69, así como la
tasa de monóxido de carbono CO deseada proporcionada por una
conexión 70.
La invención permite estimar la composición de
los gases de salida de un reformador de sistema de pila de
combustible, y utilizar esta estimación para controlar la inyección
de vapor de agua, de aire y de carburante en el reformador.
Claims (9)
1. Dispositivo de control de cantidades de aire,
de vapor de agua y de carburante inyectadas en un reformador (3) de
sistema de pila de combustible a bordo de un vehículo automóvil (1)
que comprende una unidad de control electrónico (10)
caracterizada porque la unidad de control electrónico (10)
comprende un estimador (15) de las tasas de gases a la salida del
reformador (3) a partir de datos de entrada que comprenden el caudal
de alimentación de aire (Q_{Air}) el caudal de alimentación de
vapor de agua (Q_{Eau}), el caudal de alimentación de carburante
(Q_{Carb}), y la temperatura de entrada (T_{IN}) de los gases
del reformador, y los medios de control (16) de las cantidades de
aire, de vapor de agua y de carburante inyectadas en el reformador
(3).
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el reformador (3) comprende una etapa de
reformado autotérmico.
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque los datos de entrada del estimador (15)
comprenden, además, la presión (P) de los gases en el
reformador.
4. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque el estimador (15) está adaptado además
para estimar la temperatura de salida (T^{OUT}) de los gases del
reformador (3), cuando el reformador (3) es adiabático.
5. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque los datos de entrada del estimador (15)
comprenden adicionalmente las concentraciones (c_{mesuree}) de los
gases a la salida del reformador (3) medidas por un sensor de
concentraciones y las tasas a la salida del reformador estimadas por
el estimador (15).
6. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque los datos de entrada del estimador
comprenden, además, la temperatura (T^{OUT}) de los gases a la
salida del reformador (3) medida por un sensor de temperatura, y la
temperatura de salida (T^{OUT}) de los gases del reformador (3)
estimada por el estimador (15).
7. Procedimiento de control de cantidades de
aire, de vapor de agua y de carburante inyectadas en un reformador
(3) de sistema de pila de combustible a bordo de un vehículo
automóvil (1), caracterizado porque se estima inicialmente
las tasas de los gases a la salida del reformador a partir de datos
de entrada que comprenden el caudal de alimentación de aire
(Q_{Air}), el caudal de alimentación de vapor de agua (Q_{Eau}),
el caudal de alimentación de carburante (Q_{Carb}), y la
temperatura de entrada (T_{IN}) de los gases del reformador (3). A
continuación se controla las cantidades de aire, de vapor de agua y
de carburante inyectadas en el reformador (3) en función de las
tasas de gases estimadas.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque se utiliza, además, datos de salida del
estimador (15) como datos de entrada del estimador (15).
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque se utiliza datos medidos por sensor a la
entrada del estimador (15) correspondientes a dichos datos de salida
estimados utilizados como datos de entrada.
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