FR2871946A1 - Procede de controle d'un systeme de pile a combustible et systeme associe - Google Patents
Procede de controle d'un systeme de pile a combustible et systeme associe Download PDFInfo
- Publication number
- FR2871946A1 FR2871946A1 FR0406628A FR0406628A FR2871946A1 FR 2871946 A1 FR2871946 A1 FR 2871946A1 FR 0406628 A FR0406628 A FR 0406628A FR 0406628 A FR0406628 A FR 0406628A FR 2871946 A1 FR2871946 A1 FR 2871946A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- cathode
- oxygen
- outlet
- reagent
- molar
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04574—Current
- H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
- H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
- H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04791—Concentration; Density
- H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04791—Concentration; Density
- H01M8/04805—Concentration; Density of fuel cell exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
- H01M8/04843—Humidity; Water content of fuel cell exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
- H01M8/04022—Heating by combustion
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
- H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Procédé de contrôle d'un système de pile à combustible (2), ledit système comprenant un reformeur (3) alimenté en carburant associé à un brûleur (5) pour la production de dihydrogène (H2) alimentant la pile à combustible (2), un groupe de compression d'air (7) pour l'alimentation en dioxygène (O2) de la pile à combustible (2), au moins un condenseur (15) en sortie de la pile à combustible (2), au moins un humidificateur (20) et une unité de commande électronique (10). On estime l'humidité relative (HRoutc) du courant gazeux en sortie de la cathode (C) de la pile à combustible (2) et le rapport (Rc) entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile (2) et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile (2), à partir de données comprenant l'intensité (I) du courant électrique imposé à la pile, les débits molaires de dioxygène (NinO2), de diazote (NinN2) et de vapeur d'eau (NinH2O) en entrée de la cathode (C), de la pression (Pc) à la cathode, de la fraction molaire en dioxygène (XO2,outc) et de la température (Tg,outc) du courant gazeux en sortie de la cathode (C), ledit réactif étant du dihydrogène (H2) ou du dioxygène (O2), et ladite fraction molaire en dioxygène (XO2,outc) étant mesurée par une sonde à oxygène (12).
Description
2871946 1
Procédé de contrôle d'un système de pile à combustible et système associé La présente invention concerne un procédé de contrôle d'un système de pile à combustible et un système associé.
Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile.
Pour assurer un bon fonctionnement de la pile à combustible, il est nécessaire de contrôler des paramètres comme l'humidité relative en sortie de la cathode de la pile à combustible, et le rapport entre le débit d'un réactif entrant dans la pile et le débit consommé de ce réactif dans la pile, le réactif étant du dihydrogène H2 ou du dioxygène 02.
En effet, si on contrôle mal le fonctionnement de la pile, il peut se produire un écoulement intermittent dans les canaux de la pile, notamment lorsque ce rapport diminue trop fortement, ce qui entraîne une chute de tension dans les cellules de la pile.
Il est possible, à ces fins, d'utiliser un débitmètre en entrée de la pile ou en sortie du compresseur, mais le coût est élevé.
Un but de l'invention est d'estimer l'humidité relative en sortie de la cathode de la pile à combustible, ainsi que le rapport entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile, sans capteur d'humidité, ni de débitmètre, donc à coût réduit.
Il est proposé, selon l'invention, un procédé de contrôle d'un système de pile à combustible. Le système comprend un reformeur alimenté en carburant associé à un brûleur pour la production de dihydrogène alimentant la pile à combustible, un groupe de compression d' air pour l'alimentation en dioxygène de la pile à combustible, au moins un condenseur en sortie de la pile à combustible, au moins un humidificateur et une unité de commande 2871946 2 électronique. On estime l'humidité relative du courant gazeux en sortie de la cathode de la pile à combustible et le rapport entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile, à partir de données comprenant l'intensité du courant électrique imposé à la pile, les débits molaires de dioxygène, de diazote et de vapeur d'eau en entrée de la cathode, de la pression à la cathode, de la fraction molaire en dioxygène et de la température du courant gazeux en sortie de la cathode, ledit réactif étant du dihydrogène ou du dioxygène, et ladite fraction molaire en dioxygène étant mesurée par une sonde à oxygène.
L'invention permet d'estimer l'humidité relative en sortie de la cathode de la pile et le rapport entre le débit d'un réactif entrant dans la pile et le débit consommé de ce réactif dans la pile, à moindre coût.
Par exemple, la fraction molaire en dioxygène est mesurée par une sonde à oxygène.
Dans un mode de mise en oeuvre préféré, on calcule les débits molaires de dioxygène, de diazote et de vapeur d'eau en sortie de la cathode à partir d'un bilan de matière sur la pile.
Avantageusement, on détermine le débit molaire de vapeur d'eau en sortie de la cathode en résolvant une équation du second degré ayant une unique racine positive, ladite équation du second degré ayant des coefficients dépendant des débits molaires de dioxygène et de diazote en sortie de la cathode, du débit molaire de vapeur d'eau en entrée de la cathode, du volume de la cathode, d'une constante de mise en équilibre entre l'eau sous forme liquide et sous forme vapeur, de la constante des gaz parfaits, de la pression de saturation des gaz de sortie de la cathode à la température des gaz de sortie de la cathode, et de la pression à la cathode, pour en déduire l'humidité relative du courant gazeux en sortie de la cathode.
2871946 3 Dans un mode de mise en oeuvre préféré, on en déduit le rapport entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile, le réactif étant du dioxygène, à partir de la fraction molaire en dioxygène en sortie de la cathode et des lois de Faraday, ledit rapport étant donné par la relation: Pc, X02c,out _ 1 + HRout. P 'out Rc(Pc, X02,out Tg,outcut) _ 21, c sat(i'c) f Pc.(100Xo2,out _21)+21HRC Psat(Tc'out) dans laquelle: Rc est le rapport entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la 10 pile et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile, le réactif étant du dioxygène, adimensionnel; Pc est la pression à la cathode, en Pa X02' ut est la fraction molaire en dioxygène en sortie de la cathode, adimensionnelle; Tg " est la température des gaz de sortie de la cathode, en K; HRo"t est l'humidité relative du courant gazeux en sortie de la cathode, adimensionnelle; et Psat(Tc'o"t) est la pression de saturation des gaz de sortie de la cathode à la température Tg'' des gaz de sortie de la cathode, en Pa.
Par exemple, lorsque les canaux de sortie de la pile 2 sont saturés en eau, l'humidité relative vaut 1, et ledit rapport entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile, le réactif étant du dioxygène, est donné par la relation: P (x 2,out -1 + P Ts'out Re(pc, XO2,out, Tg,out) = 21 c c sat( c) Pc É(100X02' "t _21)+21ÉPsat(Tc'o"t) En outre, on calcule un correctif du / débit molaire de vapeur d'eau en sortie de la cathode à partir d'un correctif sur les concentrations molaires en dioxygène et en vapeur d'eau en sortie de la cathode en résolvant un système d'équations vectorielles 2871946 4 faisant intervenir le temps, par l'intermédiaire de la cinétique des réactions chimiques se déroulant dans la pile.
Selon l'invention, il est également proposé un système de contrôle de pile à combustible qui comprend un reformeur alimenté en carburant associé à un brûleur pour la production de dihydrogène alimentant la pile à combustible, un groupe de compression d'air pour l'alimentation en dioxygène de la pile à combustible, une boucle de circulation d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique de la pile à combustible, au moins un condenseur en sortie de la pile à combustible, au moins un humidificateur et une unité de commande électronique. L'unité de commande électronique comprend des moyens d'estimation pour estimer l'humidité relative du courant gazeux en sortie de la cathode de la pile à combustible et pour estimer le rapport entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile, à partir de données comprenant l'intensité du courant électrique imposé à la pile, les débits molaires de dioxygène, de diazote et de vapeur d'eau en entrée de la cathode, de la pression à la cathode, de la fraction molaire en dioxygène et de la température du courant gazeux en sortie de la cathode.
Le réactif est du dihydrogène ou du dioxygène.
Le système comprend, par exemple, une sonde à oxygène pour mesurer ladite fraction molaire en dioxygène en sortie de la 25 cathode.
Avantageusement, le système comprend des moyens correctifs pour calculer un correctif du débit molaire de vapeur d'eau en sortie de la cathode à partir d'un correctif sur les concentrations molaires en dioxygène et en vapeur d'eau en sortie de la cathode en résolvant un système d'équations vectorielles faisant intervenir le temps, par l'intermédiaire de la cinétique des réactions chimiques se déroulant dans la pile.
2871946 5 En outre, le système comprend des moyens pour mesurer l'intensité du courant électrique imposé à la pile, des moyens pour mesurer la pression à la cathode, des moyens pour mesurer la température du courant gazeux en sortie de la cathode, et des moyens pour déterminer les débits molaires de dioxygène, de diazote et de vapeur d'eau en entrée de la cathode.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, et faite en 10 référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif selon l'invention; la figure 2 est un schéma illustrant un mode de réalisation de l'invention; et la figure 3 est un schéma illustrant un autre mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente un dispositif selon l'invention, embarqué dans un véhicule automobile 1. Le dispositif comprend une pile à combustible 2 comprenant une anode A et une cathode C, un reformeur 3 pour alimenter en dihydrogène l'anode A de la pile à combustible 2 par un conduit 4, le reformeur 3 étant associé à un brûleur 5 permettant de chauffer l'ensemble du dispositif, lors de la phase de démarrage, ainsi que de réguler la température lors du fonctionnement nominal. Le brûleur 5 apporte également l'énergie nécessaire à la réaction endothermique de reformage à la vapeur: Carburant + H2O -* CO + H2 et permet d'oxyder le monoxyde de carbone CO quand il utilise un retour, par un conduit 6, des gaz de sortie de l'anode de la 30 pile à combustible 2.
Le dispositif comprend également un groupe de compression d'air 7, qui alimente en en dioxygène, généralement sous forme d'air comprimé, la cathode C de la pile à combustible 2871946 6 2, et le brûleur 5, respectivement par des conduits 8 et 9. Le dispositif comprend en outre une unité de commande électronique 10, utilisée également pour d'autres buts tels que le contrôle de stabilité du véhicule ou du freinage, connectée à de nombreux éléments du véhicule 1 par des connexions non représentées sur la figure 1. L'unité de commande électronique 10 comprend un module d'estimation 11 pour estimer l'humidité relative HR ut du courant gazeux en sortie de la cathode C de la pile à combustible 2 et pour estimer le rapport Rc entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile 2 et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile 2, à partir de données comprenant l'intensité I du courant électrique imposé à la pile 2, les débits molaires de dioxygène Nol, de diazote NN2 et de vapeur d'eau NH2o en entrée de la cathode C, de la pression Pc à la cathode C, de la fraction molaire en dioxygène X 2'' et de la température TT' ut du courant gazeux en sortie de la cathode C, le réactif étant du dihydrogène H2 ou du dioxygène 02. Une sonde à oxygène 12 est présente pour mesurer la fraction molaire en dioxygène X02'OUt en sortie de la cathode.
Un conduit 13 relie la sortie de la cathode à un échappement 14 du groupe de compression d'air 7, et comprend un condenseur 15 permettant de condenser la vapeur d'eau présente dans les gaz de sortie de la cathode C. Le condenseur 15 est relié à un réservoir d'eau 16 par un conduit 17 permettant à l'eau condensée de s'écouler vers le réservoir d'eau 16.
Le conduit 6 relie la sortie de l'anode A au brûleur 5, et comprend un condenseur 18 permettant de condenser la vapeur d'eau présente dans les gaz de sortie de la cathode A. Le condenseur 18 est relié au réservoir d'eau 16 par un conduit 19 permettant à l'eau condensée de s'écouler vers le réservoir d'eau 16.
Un humidificateur 20 est situé sur un conduit 21 reliant le réservoir d'eau 16 à la pile 2, pour assurer une bonne 2871946 7 humidification de la membrane. Ainsi, l'humidificateur 20 est alimenté en eau par le réservoir d'eau 16.
Un condenseur 22 est situé sur le conduit 4 pour condenser la vapeur d'eau présente dans l'alimentation de l'anode A fournie par le reformeur 3. Le condenseur 22 est relié au réservoir d'eau 16 par un conduit 23 permettant à l'eau condensée de s'écouler vers le réservoir d'eau 16.
Un réservoir de carburant 24 alimente le brûleur 5 et le reformeur 3 en carburant par un conduit 25.
La pile à combustible 2 alimente un moteur électrique M 26 par une connexion 27. Le moteur électrique 26 entraîne en rotation l'axe 28 des roues 29 et 30. Le groupe de compression d'air 7 est alimenté en air par une alimentation en air 31.
En outre, un conduit 32 reliant la sortie du brûleur 5 à un échappement 14 du groupe de compression d'air 7, afin que les gaz de sortie du brûleur 5.
Sur la figure 2, on a représenté l'unité centrale 10 comprenant un module d'estimation 11. Le module d'estimation 11 comprend un premier sous-module d'estimation l la de 20 l'humidité relative RRut du courant gazeux en sortie de la cathode C de la pile à combustible 2, et un sous-module llb d'estimation du rapport Re. Nous allons maintenant décrire comment le module effectue son estimation.
Le sous-module lla reçoit en entrée le courant I imposé à la pile 2, ainsi que les débits dioxygène Nol, de diazote NNZ, et de vapeur d'eau NH2 en entrée de la cathode C la pression Fie à la cathode C, et la température Tg ut du courant gazeux en sortie de la cathode C. Les débits de sortie en dioxygène NN2, et en diazote NN,t sont obtenus par un bilan de matière: Nout = Nin _ I 30 2 4F Nout = Nin N2 N2 où : No? est le débit molaire de dioxygène en sortie de la cathode C, en mol/s NNz est le débit molaire de diazote en sortie de la cathode C, en mous NH20 est le débit molaire de vapeur d'eau en entrée de la cathode C, en mol/s; No2 est le débit molaire de dioxygène en entrée de la cathode C, en mous I est le courant imposé à la pile 2, en ampère; et F est la constante de Faraday, égale à la charge électrique d'une mole d'électrons, 9,648530929. 104 Coulombs. Le débit de gaz anhydre, ou gaz sec, Nsc"' ut en sortie de la cathode C, ne comprenant que du dioxygène 02 et du diazote N2 est alors donné par la relation: Ncec,out _ Ncec,in I 4F Nout _ N1 V X H2O H20 RTg,out dans laquelle NH2o est le débit molaire de vapeur d'eau 20 C, en mol/s; NH2o est le débit molaire de vapeur d'eau en entrée de la cathode C, en mol/s; Vc est le volume de la cathode C de la pile 2, en m3; 2 est la constante de mise en équilibre de l'eau liquide avec l'eau 25 vapeur, adimensionnelle; R est la constante des gaz parfaits, égale à 8,314 J.mol-1K-' Tg,out est la température du courant gazeux en sortie de la cathode C, en K; Psat(Tg' t) est la pression de saturation des gaz de sortie de la 30 cathode C à la température 'reg' des gaz de sortie de la cathode C, en Pa; De plus, pour le débit de vapeur d'eau, la conservation de matière donne la relation suivante: H2O c Nout p (Tg,out _ H2O ll JJ Nout sat c +Nsec,out Pc en sortie de la cathode 2871946 9 Nscec,out est le débit molaire de gaz anhydre, ou gaz sec, en sortie de la cathode C, ne comprenant que du dioxygène 02 et du diazote N2, en mol/s; et Pc est la pression à la cathode C, en Pa.
Le débit molaire de vapeur d'eau NHZo en sortie de la cathode C est donc la solution d'une équation du second degré : P(x)=x2+alx+a2=0 dans laquelle: al = N' c,out NH20 'rR (Psat(Tg'out) Pe) ; et a2 = Nsec, out. Nm Vc.p.rg,out, Nsec,out 2 c H20 iR sat( c) On a P(0)<0, la limite de P(x) >0 quand x tend vers +c., et P' (x)>O lorsque x>0, donc il existe une unique racine rP(x) = 0 positive ou solution positive du système x>O Cette solution est: Nout - -al + (al) 4a2 H2O 2 = _ + C l a2 L'humidité relative HR ut du courant gazeux en sortie de la cathode C de la pile à combustible 2 est alors calculé par la relation suivante: Pout Nont P Nout. P HRout = H2O H2O c H2O c c Psat(Tgc,out) NouttotPsat(..cg,out) ( NoutH2O +Ncsec,out).PsatTg,out ( c) dans laquelle N ttt est le débit molaire gazeux total en sortie de la cathode C, en mol/s.
2871946 10 L'humidité relative HRcut calculée, ainsi que la pression Pc à la cathode C, et la température Tg ut du courant gazeux en sortie de la cathode C, et la mesure par la sonde à oxygène 12 de la fraction molaire en dioxygène X 2' ut en sortie de la cathode C sont fournies en entrée du sous-module llb.
En appliquant les lois de Faraday et la conservation de matière dans la pile 2, on obtient: XO2,out = 1 c Rc =21 P 02' ut _21) l+21HR ut Psat Out) (100Xc(Tc') La figure 3 illustre un système similaire à celui de la figure 2, mais comprenant en outre un sous-module correctif 11c pour calculer un correctif du débit molaire de vapeur d' eau NHzo en sortie de la cathode C à partir d'un correctif sur les concentrations molaires en dioxygène 02 et en vapeur d'eau H2O en sortie de la cathode C en résolvant un système d'équations vectorielles faisant intervenir le temps, par l'intermédiaire de la cinétique des réactions chimiques se déroulant dans la pile 2.
Ce sous-module correctif llc utilise ce qui suit. On 25 considère le vecteur des concentrations des espèces C=[Co2;CH20]t, dans lequel: Co, est une concentration en dioxygène, en mol/l, et CH2O est une concentration en vapeur d'eau, en mol/1.
79 R ( HR ut. P (Tg, Ilt) \\ - c satl c / 1+ 1+ 21 Rc) Pc HR out. psat(Tg'out) / _ Les proportions 79 et 21 sont respectivement les proportions de diazote et de dioxygène dans l'air.
Or la sonde à oxygène 12 fournit la valeur de la fraction molaire en dioxygène X 2' ut en sortie de la cathode C, ce qui permet de déduire Re, par la relation suivante: Pc (X02,out _ 1) + HRout, psat (Tc 'out) 2871946 11 Un modèle de transport et réaction de composés est donné par la relation suivante: dC ut = f (Cout, Cin, T, I, P) ut dans laquelle C nt est le vecteur des concentrations en sortie de la cathode C en moles/m3 Ci' est le vecteur des concentrations en sortie de la cathode C en moles/m3 T est la température à la cathode C, en K; P est la pression des gaz à la cathode C, en Pa I est l'intensité de courant imposée à la pile, en A; et Y est la mesure disponible (mesure de la concentration en dioxygène).
On reconstruit alors la concentration en vapeur d'eau en sortie de la cathode C afin de déterminer l'humidité relative.
Le sous-module correctif llc a alors pour entrées les mesures de pression Pc, la température Tg'', l'intensité de courant I, et les débits en dioxygène Nol et diazote NN2 ainsi que la fraction molaire X 2,out On a alors: dCout f(Cout Cin,T I,Pp) + K(y -9) dt C nt est le vecteur de concentration estimé en sortie de la cathode. En posant e = Cout C t, on obtient: de = f(Cont,Cin,T,I,PP)_ f(Cout,Cin,T,I,PP)+K(Colt font) dt K est choisi de manière à ce que e converge vers 0. Dans ce cas, C ut permet de donner une bonne estimation de la concentration des espèces dans la cathode.
L'invention permet d'estimer l'humidité relative en sortie 30 de la cathode de la pile à combustible, ainsi que le rapport entre le dt y=Co 02 2871946 12 débit molaire d'un réactif entrant dans la pile et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile ( ?), sans capteur d'humidité, ni de débitmètre, donc à coût réduit.
L'invention permet également d'améliorer la fiabilité de la pile en contrôlant ces valeurs estimées.
2871946 13
Claims (13)
1. Procédé de contrôle d'un système de pile à combustible (2), ledit système comprenant un reformeur (3) alimenté en carburant associé à un brûleur (5) pour la production de dihydrogène (H2) alimentant la pile à combustible (2), un groupe de compression d'air (7) pour l'alimentation en dioxygène (02) de la pile à combustible (2), au moins un condenseur (15) en sortie de la pile à combustible (2), au moins un humidificateur (20) et une unité de commande électronique (10), caractérisé par le fait que l'on estime l'humidité relative (HR ut) du courant gazeux en sortie de la cathode (C) de la pile à combustible (2) et le rapport (Rc) entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile (2) et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile (2), à partir de données comprenant l'intensité (I) du courant électrique imposé à la pile, les débits molaires de dioxygène (No2), de diazote (NN2) et de vapeur d'eau (NH2o) en entrée de la cathode (C), de la pression (Pc) à la cathode (C), de la fraction molaire en dioxygène (Xo2, ut) et de la température (TT' ut) du courant gazeux en sortie de la cathode (C)
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit réactif est du dioxygène (02).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite fraction molaire en dioxygène (Xo2' ut) est mesurée par une sonde à oxygène (12).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on calcule les débits molaires de dioxygène (NHZ), de diazote (NHZ) et de vapeur d'eau (NH2o) en sortie de la cathode (C) à partir d'un bilan de matière sur la pile (2).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on détermine le débit molaire de vapeur d'eau (NH2o) 2871946 14 en sortie de la cathode (C) en résolvant une équation du second degré ayant une unique racine positive, ladite équation du second degré ayant des coefficients dépendant des débits molaires de dioxygène (NN2) et de diazote (NNZ) en sortie de la cathode, du débit molaire de vapeur d'eau (NH2o) en entrée de la cathode (C), du volume (Vc) de la cathode (C), d'une constante (i) de mise en équilibre entre l'eau sous forme liquide et sous forme vapeur, de la constante des gaz parfaits (R), de la pression de saturation (Psat(Tg' ut)) des gaz de sortie de la cathode (C) à la température (T Tut) des gaz de sortie de la cathode (C), et de la pression (P,) à la cathode (C), pour en déduire l'humidité relative (HRout) du courant gazeux en sortie de la cathode (C).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on en déduit le rapport (Ra) entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile (2) et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile (2), le réactif étant du dioxygène (02), à partir de la fraction molaire en dioxygène (X 2' ut) en sortie de la cathode (C) et des lois de Faraday, ledit rapport étant donné par la relation: R Pc (XOZ,out _1) +fout É Psat(Tg'out) c(Pc, XOZc,out 1,cg,out out) =21 Pc É(100Xo2,out _21)+ 21HRout.Psat(Tc'out) dans laquelle: Rc est le rapport entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile (2) et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile (2), le réactif étant du dioxygène (02), adimensionnel; Pe est la pression à la cathode (C), en Pa X 2'' est la fraction molaire en dioxygène en sortie de la cathode (C), adimensionnelle; Tg'OUt est la température des gaz de sortie de la cathode (C), en K; HR t est l'humidité relative du courant gazeux en sortie de la cathode (C), adimensionnelle; et Psat(Tc out) est la pression de saturation des gaz de sortie de la cathode (C) à la température (Tg'') des gaz de sortie de la cathode (C), en Pa.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lorsque les canaux de sortie de la pile (2) sont saturés en eau, ladite humidité relative (HR 't) vaut 1, et ledit rapport (Rc) entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile (2), le réactif étant du dioxygène (02), est donné par la relation: p Xo2,out _1)+p Tg'out Re(Pc0Xo2,out T,g,out) = 21 c c sat( ) p c É (100Xo2,out _ 21) + 21É Psat(Tg'out)
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que l'on calcule un correctif du débit molaire de vapeur d'eau (NH2o) en sortie de la cathode (C) à partir d'un correctif sur les concentrations molaires en dioxygène (02) et en vapeur d'eau (H2O) en sortie de la cathode (C) en résolvant un système d'équations vectorielles faisant intervenir le temps, par l'intermédiaire de la cinétique des réactions chimiques se déroulant dans la pile (2).
9. Système de contrôle de pile à combustible (2) comprenant un reformeur (3) alimenté en carburant associé à un brûleur (5) pour la production de dihydrogène (H2) alimentant la pile à combustible (2), un groupe de compression d'air (7) pour l'alimentation en dioxygène (02) de la pile à combustible (2), au moins un condenseur (15) en sortie de la pile à combustible (2), au moins un humidificateur (20) et une unité de commande électronique (10), caractérisé par le fait que l'unité de commande électronique (10) comprend des moyens d'estimation (11) pour estimer l'humidité relative (HRout) du courant gazeux en sortie de la cathode (C) de la pile à combustible (2) et pour estimer le rapport (Rc) entre le débit molaire d'un réactif entrant dans la pile (2) et le débit molaire consommé de ce réactif dans la pile (2), à partir de données comprenant l'intensité (I) du courant 2871946 16 électrique imposé à la pile (2), les débits molaires de dioxygène (NH2), de diazote (NN2) et de vapeur d'eau (NH2o) en entrée de la cathode (C), de la pression (Pc) à la cathode (C), de la fraction molaire en dioxygène (X z' "t) et de la température (Tg') du courant gazeux en sortie de la cathode (C).
10. Système selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit réactif est du dioxygène (02).
11. Système selon la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait qu'il comprend une sonde à oxygène (12) pour mesurer ladite fraction molaire en dioxygène (Xoz' "t) en sortie de la cathode (C).
12. Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que les moyens d'estimation (11) comprennent des moyens correctifs (11c) pour calculer un correctif du débit molaire de vapeur d'eau (NH20) en sortie de la cathode (C) à partir d'un correctif sur les concentrations molaires en dioxygène (02) et en vapeur d'eau (H20) en sortie de la cathode (C) en résolvant un système d'équations vectorielles faisant intervenir le temps, par l'intermédiaire de la cinétique des réactions chimiques se déroulant dans la pile (2).
13. Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, des moyens pour mesurer l'intensité (I) du courant électrique imposé à la pile (2), des moyens pour mesurer la pression (Pu) à la cathode (C), des moyens pour mesurer la température (Tg' "t) du courant gazeux en sortie de la cathode (C), et des moyens pour déterminer les débits molaires de dioxygène (No2), de diazote (NNz) et de vapeur d'eau (NH20) en entrée de la cathode (C).
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0406628A FR2871946B1 (fr) | 2004-06-18 | 2004-06-18 | Procede de controle d'un systeme de pile a combustible et systeme associe |
| JP2007516008A JP2008503041A (ja) | 2004-06-18 | 2005-05-02 | 燃料電池装置の制御方法及び燃料電池装置の制御装置 |
| PCT/FR2005/050295 WO2006005857A2 (fr) | 2004-06-18 | 2005-05-02 | Procede de controle d’un systeme de pile a combustible et systeme associe |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0406628A FR2871946B1 (fr) | 2004-06-18 | 2004-06-18 | Procede de controle d'un systeme de pile a combustible et systeme associe |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2871946A1 true FR2871946A1 (fr) | 2005-12-23 |
| FR2871946B1 FR2871946B1 (fr) | 2006-09-01 |
Family
ID=34945802
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR0406628A Expired - Fee Related FR2871946B1 (fr) | 2004-06-18 | 2004-06-18 | Procede de controle d'un systeme de pile a combustible et systeme associe |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008503041A (fr) |
| FR (1) | FR2871946B1 (fr) |
| WO (1) | WO2006005857A2 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2930842A1 (fr) * | 2008-05-02 | 2009-11-06 | Renault Sas | Pile a combustible et procede de regulation de l'humidite |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992010009A2 (fr) * | 1990-11-23 | 1992-06-11 | Vickers Shipbuilding And Engineering Limited | Utilisation de cellules electrochimiques dans les systemes de production d'energie |
| DE19982376T1 (de) * | 1998-10-26 | 2001-02-15 | Toshiba Kawasaki Kk | Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem |
| DE10029468A1 (de) * | 1999-06-23 | 2001-04-12 | Daihatsu Motor Co Ltd | Brennstoffzellensystem |
| WO2001095409A2 (fr) * | 2000-05-31 | 2001-12-13 | Nuvera Fuel Cells, Inc. | Systeme de pile a combustible a haut rendement a cycle combine avec turbine a production de courant |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6476681A (en) * | 1987-09-17 | 1989-03-22 | Toshiba Corp | Humidity measuring method |
| JP3733791B2 (ja) * | 1999-07-09 | 2006-01-11 | 日産自動車株式会社 | 車両用燃料電池システムの出力補正制御装置 |
| DE10110419A1 (de) * | 2000-03-08 | 2003-10-23 | Honda Motor Co Ltd | Brennstoffzellensystem |
| JP4593119B2 (ja) * | 2004-01-20 | 2010-12-08 | パナソニック株式会社 | 燃料電池発電装置 |
-
2004
- 2004-06-18 FR FR0406628A patent/FR2871946B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2005
- 2005-05-02 WO PCT/FR2005/050295 patent/WO2006005857A2/fr active Application Filing
- 2005-05-02 JP JP2007516008A patent/JP2008503041A/ja not_active Ceased
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992010009A2 (fr) * | 1990-11-23 | 1992-06-11 | Vickers Shipbuilding And Engineering Limited | Utilisation de cellules electrochimiques dans les systemes de production d'energie |
| DE19982376T1 (de) * | 1998-10-26 | 2001-02-15 | Toshiba Kawasaki Kk | Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem |
| DE10029468A1 (de) * | 1999-06-23 | 2001-04-12 | Daihatsu Motor Co Ltd | Brennstoffzellensystem |
| WO2001095409A2 (fr) * | 2000-05-31 | 2001-12-13 | Nuvera Fuel Cells, Inc. | Systeme de pile a combustible a haut rendement a cycle combine avec turbine a production de courant |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2930842A1 (fr) * | 2008-05-02 | 2009-11-06 | Renault Sas | Pile a combustible et procede de regulation de l'humidite |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2008503041A (ja) | 2008-01-31 |
| WO2006005857A3 (fr) | 2006-05-04 |
| WO2006005857A2 (fr) | 2006-01-19 |
| FR2871946B1 (fr) | 2006-09-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2616990C (fr) | Systeme a pile a combustible et dispositif de commande de generation | |
| US8956773B2 (en) | System and method for detecting a fuel cell anode gas composition | |
| JP4192301B2 (ja) | 改質器の制御装置 | |
| KR101571177B1 (ko) | 다양한 연료 조성물을 갖는 연료로 작동되는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 흐름 제어 조립체 | |
| US20110087441A1 (en) | Online method to estimate hydrogen concentration estimation in fuel cell systems at shutdown and startup | |
| US20120237840A1 (en) | Power generation system | |
| US20060046114A1 (en) | Fuel cell system | |
| US7399542B2 (en) | Fuel cell system burp control | |
| CN114361512A (zh) | 一种燃料电池排水、排杂控制系统及控制方法 | |
| CA2419452A1 (fr) | Procede de regulation de la concentration en combustible dans le liquide d'anode d'une pile a combustible et dispositif correspondant | |
| US6974645B2 (en) | Fuel cell system | |
| US7846590B2 (en) | Fuel cell system cathode inlet relative humidity control | |
| JP4296741B2 (ja) | コージェネレーションシステム | |
| JP2005302648A (ja) | 水素濃度推定方法及び燃料電池システム | |
| FR2871946A1 (fr) | Procede de controle d'un systeme de pile a combustible et systeme associe | |
| FR2881577A1 (fr) | Systeme pile a combustible et procede de commande associe | |
| WO2010103400A1 (fr) | Système de pile à combustible, procédé de commande du système de pile à combustible et procédé de détection d'état pour la pile à combustible | |
| US11721821B2 (en) | Fuel cell system and method for controlling fuel cell system | |
| JP2004303444A (ja) | 固体高分子型燃料電池の背圧制御装置 | |
| FR2930842A1 (fr) | Pile a combustible et procede de regulation de l'humidite | |
| FR2897985A1 (fr) | Systeme et procede de commande d'un module de puissance a pile a combustible. | |
| JP2004059354A (ja) | 水素製造プラント制御装置および水素製造装置ならびに水素製造方法 | |
| FR2877497A1 (fr) | Dispositif et procede de commande d'une quantite de carburant injectee dans un reformeur de systeme de pile a combustible embarque a bord d'un vehicule automobile | |
| JP5770622B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| FR2914740A1 (fr) | Procede de determination du debit volumique d'un fluide circulant dans une canalisation et dispositif associe |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20130228 |