FR2914786A1 - Gas flow rate evaluating method for fuel cell of e.g. motor vehicle, involves calculating total molar flow rate of gas with respect to formula comprising parameters of hydrogen concentrations, current, number of cells and Faraday's constant - Google Patents
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Abstract
Description
"Procédé d'évaluation des débits des gaz circulant dans une boucle de"Method for evaluating the flow rates of gases flowing in a loop of
recirculation en hydrogène d'une cellule de pile à combustible et dispositif associé". hydrogen recirculation of a fuel cell cell and associated device ".
L'invention concerne un procédé permettant d'évaluer les débits des gaz qui circulent dans une boucle de recirculation en hydrogène d'une cellule de pile à combustible. L'invention concerne également un dispositif pour 10 mettre en oeuvre un tel procédé. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène ou 15 un gaz contenant de l'oxygène tel que l'air, le seul produit de la réaction étant l'eau accompagnée d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité. Au sein de la pile à combustible, la réaction chimique globale résultant des réactions se produisant 20 aux électrodes est la suivante : H2 + 1- 02 -* H2O Une pile à combustible peut être utilisée pour fournir l'énergie électrique à tout dispositif tel que par exemple, un ordinateur, un téléphone portable mais 25 elle peut être également utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans un véhicule. Une pile à combustible est constituée d'un assemblage de cellules élémentaires. 30 Une cellule élémentaire 1 est schématiquement représentée sur la figure 1. Chaque cellule élémentaire 1 comporte un électrolyte conducteur protonique 2 qui est pris en sandwich entre deux électrodes poreuses cathodique 3 et 35 anodique 4 et qui assure le transfert électronique entre ces deux électrodes 3, 4. The invention relates to a method for evaluating the flow rates of gases flowing in a hydrogen recirculation loop of a fuel cell. The invention also relates to a device for implementing such a method. A fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy into electrical energy from a fuel, typically hydrogen, and an oxidant, oxygen, or oxygen-containing gas. that air, the only product of the reaction being water accompanied by a release of heat and a production of electricity. Within the fuel cell, the overall chemical reaction resulting from the reactions occurring at the electrodes is as follows: H 2 + 1 O 2 - * H 2 O A fuel cell can be used to supply electrical energy to any device such as for example, a computer, a mobile phone but it can also be used to provide traction for a motor vehicle and / or power for electrical devices contained in a vehicle. A fuel cell consists of an assembly of elementary cells. An elementary cell 1 is schematically shown in FIG. 1. Each elementary cell 1 comprises a protonic conductive electrolyte 2 which is sandwiched between two porous cathode 3 and anode electrodes 4 and which provides the electronic transfer between these two electrodes 3, 4.
A cet effet, l'électrolyte 2 peut être une membrane polymère échangeuse de protons d'épaisseur de 20 à 200 m, la pile résultante étant une pile de type à membrane échangeuse de protons ou dite pile PEMFC. For this purpose, the electrolyte 2 may be a proton exchange polymer membrane with a thickness of 20 to 200 m, the resulting cell being a proton exchange membrane type cell or PEMFC cell.
L'ensemble constitué par l'électrolyte 2 et les deux électrodes 3,4 forme un assemblage membrane électrodes (AME) 5 qui est lui-même pris en sandwich entre des première 6 et deuxième 7 plaques bipolaires réalisées en un matériau électriquement conducteur. The assembly consisting of the electrolyte 2 and the two electrodes 3,4 forms a membrane electrode assembly (AME) 5 which is itself sandwiched between first 6 and second 7 bipolar plates made of an electrically conductive material.
Les deux demi-réactions conduisant à la réaction de synthèse de l'eau précitée sont : A l'anode : H2- 2H+ + 2e- A la cathode : 02 + 2H+ + 2e--H2O. Pour assurer le fonctionnement d'une telle pile à combustible, la cathode doit être alimentée en oxygène, provenant généralement de l'air dans les applications automobiles. Pour cela, est prévu une branche d'admission en air 8 et une sortie d'air 9. The two half-reactions leading to the synthesis reaction of the aforementioned water are: At the anode: H2-2H + + 2e- At the cathode: O 2 + 2H + + 2e - H2O. To ensure the operation of such a fuel cell, the cathode must be supplied with oxygen, generally from the air in automotive applications. For this, there is provided an air intake branch 8 and an air outlet 9.
Et l'anode doit être alimentée en hydrogène. A cet effet, est prévue une branche d'admission en hydrogène 10 et une sortie en hydrogène 11. En référence à la figure 2, il est connu de prévoir une boucle de recirculation 12 qui permet d'assurer la circulation des gaz issus de la sortie 4a de l'anode 4 via un circulateur 13 et de les mélanger à de l'hydrogène pur circulant dans la branche d'admission en hydrogène 14, cette branche d'admission étant alimentée en hydrogène par une alimentation en hydrogène pur 15. And the anode must be fed with hydrogen. For this purpose, there is provided a hydrogen intake branch 10 and a hydrogen outlet 11. With reference to FIG. 2, it is known to provide a recirculation loop 12 which makes it possible to ensure the circulation of gases from the 4a outlet of the anode 4 via a circulator 13 and to mix with pure hydrogen circulating in the hydrogen intake branch 14, this intake branch being supplied with hydrogen by a supply of pure hydrogen 15.
Le circulateur 13, qui peut être une pompe ou un éjecteur, est soumis à des conditions de fonctionnement délicates et notamment, toute présence d'eau liquide dans ce circulateur 13 doit être évitée. C'est pourquoi un séparateur 16 permet de collecter et de séparer l'eau présente sous forme liquide des autres espèces présentes dans le fluide issu de la sortie 4a de l'anode 4, tels que l'hydrogène, l'azote et la vapeur d'eau, ces dernières étant introduites dans la boucle de recirculation 12 décrite précédemment. Cette opération de recirculation des espèces issues des réactions anodiques permet d'une part de brasser toutes ces espèces, et d'autre part de participer à l'humidification du gaz d'alimentation de l'anode circulant dans la branche d'admission 14, ces deux fonctions participant au bon fonctionnement de la pile à combustible. The circulator 13, which may be a pump or an ejector, is subjected to delicate operating conditions and in particular, any presence of liquid water in this circulator 13 must be avoided. This is why a separator 16 makes it possible to collect and separate the water present in liquid form from the other species present in the fluid coming from the outlet 4a of the anode 4, such as hydrogen, nitrogen and steam. of water, the latter being introduced into the recirculation loop 12 described above. This operation of recirculation of the species resulting from the anodic reactions makes it possible on the one hand to mix all these species, and on the other hand to participate in the humidification of the feed gas of the anode circulating in the intake branch 14, these two functions contribute to the proper functioning of the fuel cell.
Pour maîtriser l'humidification du gaz d'alimentation, le fonctionnement du circulateur doit être maîtrisé. Pour cela, il peut être nécessaire de connaître soit le débit volumique, soit le débit massique du gaz 15 circulant dans la boucle de recirculation 12. Une mesure de ces débits est possible grâce à un capteur placé sur la boucle de recirculation 12. Mais la présence d'un tel capteur engendre les inconvénients suivants. 20 D'abord, pour ce qui est de la mesure du débit volumique, la perte de charge induite par ce capteur entraîne un surdimensionnement au niveau du circulateur 13 afin de compenser cette perte de charge, et donc une surconsommation électrique et une baisse du rendement du 25 système conséquente. Il existe des débitmètres volumiques non intrusifs, c'est-à-dire ne créant pas de perte de charge, mais ce type de débitmètre n'est pas forcément adapté à une boucle de recirculation en hydrogène d'une cellule de 30 pile à combustible et entraînent un coût et une contrainte d'intégration supplémentaire. Par ailleurs, en ce qui concerne la mesure de débits massiques, le flux de gaz sortant de l'anode 4 peut avoir une composition variable pour ce qui est de la 35 proportion des différentes espèces gazeuses en fonction du point de fonctionnement du système. To control the humidification of the feed gas, the operation of the circulator must be controlled. For this, it may be necessary to know either the volume flow rate or the mass flow rate of the gas flowing in the recirculation loop 12. A measurement of these flows is possible thanks to a sensor placed on the recirculation loop 12. The presence of such a sensor causes the following disadvantages. Firstly, with regard to the measurement of the volume flow, the pressure drop induced by this sensor causes an oversizing at the level of the circulator 13 in order to compensate for this pressure drop, and thus an electrical over-consumption and a drop in the efficiency. of the consequent system. There are non-intrusive volume flowmeters, that is to say not creating a pressure drop, but this type of flowmeter is not necessarily adapted to a hydrogen recirculation loop of a fuel cell. and result in additional cost and integration constraint. On the other hand, with respect to the measurement of mass flow rates, the flow of gas leaving the anode 4 may have a variable composition with respect to the proportion of different gaseous species depending on the point of operation of the system.
Et les capteurs de débit massique sont généralement étalonnés pour une composition de gaz donnée. And the mass flow sensors are generally calibrated for a given gas composition.
Ces capteurs deviennent donc inopérant ou trop peu précis lorsque la composition du mélange de gaz est These sensors therefore become inoperative or too inaccurate when the composition of the gas mixture is
différente de celle avec laquelle ils ont été étalonnés. different from the one with which they were calibrated.
Pour pallier ces inconvénients, le procédé de l'invention permet d'évaluer des débits de gaz circulant dans une boucle de recirculation en hydrogène qui assure la circulation des gaz issus de l'anode d'une cellule de To overcome these drawbacks, the method of the invention makes it possible to evaluate flow rates of gas flowing in a hydrogen recirculation loop which ensures the circulation of the gases coming from the anode of a cell of
pile à combustible jusqu'à la branche d'admission en hydrogène de cette anode, et dans laquelle circule de l'hydrogène résiduel, de l'azote et de la vapeur d'eau, ce procédé étant essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes de : - mesure de la concentration en hydrogène X1 sur la branche d'admission, - mesure de la concentration en hydrogène X2 sur la boucle de recirculation, et fuel cell to the hydrogen inlet branch of this anode, and in which circulates residual hydrogen, nitrogen and water vapor, this method being essentially characterized in that it comprises at least the steps of: measuring the concentration of hydrogen X 1 on the intake branch, measuring the concentration of hydrogen X 2 on the recirculation loop, and
- calcul du débit molaire total de gaz dans la 20 boucle de recirculation au regard de la formule suivante : = 1 ù X1 CONSO total X ù X QH2 1 2 25 où X1 est la concentration en hydrogène sur la branche d'admission, où X2 est la concentration en hydrogène sur la boucle de recirculation, et calculation of the total molar flow rate of gas in the recirculation loop with respect to the following formula: where X 1 is the hydrogen concentration on the intake branch, where X 2 is the hydrogen concentration on the recirculation loop, and
CONSO où Q est le débit molaire d'hydrogène consommé par la H2 CONSO where Q is the molar flow rate of hydrogen consumed by the H2
30 pile et répond à la formule suivante : CONSO NI QH2 2F où I est le courant généré par la pile à combustible, N est le nombre de cellules de pile à combustible, et F est la constante de Faraday. And N is the fuel cell generated current, N is the number of fuel cells, and F is the Faraday constant.
Le procédé de l'invention peut comprendre en outre 5 au moins l'étape de : The method of the invention may further comprise at least the step of:
- calcul du débit molaire d'hydrogène circulant dans la boucle de recirculation (12) au regard de formule suivante : QH2 = X2 ,total où Q est le débit molaire total de gaz circulant dans total calculation of the molar flow rate of hydrogen circulating in the recirculation loop (12) with respect to the following formula: QH2 = X2, total where Q is the total molar flow rate of gas flowing in total
la boucle de recirculation, et 15 où X2 est la concentration en hydrogène sur la boucle de recirculation. Le procédé de l'invention peut également comprendre au moins les étapes supplémentaires de : - mesure de la température de saturation Tat ou d'humidité relative du gaz circulant dans la boucle de recirculation, the recirculation loop, and where X 2 is the hydrogen concentration on the recirculation loop. The method of the invention may also comprise at least the additional steps of: measuring the saturation temperature Tat or the relative humidity of the gas flowing in the recirculation loop;
- mesure de la pression P, etmeasuring the pressure P, and
calcul du débit volumique de vapeur d'eau circulant dans la boucle de recirculation par les relations suivantes . Q VAP = X VAP Qtotai où Q est le débit molaire total de gaz circulant dans total la boucle de recirculation, et où XVAP répond à la formule suivante . pvap XVAP p 10 20 25 30 35 T at ù 46,13 ~ Où Tsat est la température de saturation (en Kelvin) dans 5 la boucle de recirculation 12. Avec Pvap qui est la pression de vapeur et qui est donnée par la loi d'Antoine : PVAP = exp(23,1961ù 3816,44 Et avantageusement, le procédé de l'invention comprend également au moins l'étape de : calculation of the volume flow rate of water vapor circulating in the recirculation loop by the following relationships. Q VAP = X VAP Qtotai where Q is the total molar flow rate of gas flowing in the total recirculation loop, and where XVAP responds to the following formula. where Tsat is the saturation temperature (in Kelvin) in the recirculation loop 12. With Pvap, which is the vapor pressure and which is given by the law of dv. Antoine: PVAP = exp (23, 1961, 3816, 44) And advantageously, the method of the invention also comprises at least the step of:
- calcul du débit molaire d'azote dans la boucle de 10 recirculation au regard de la formule suivante : QN2 = QTOTAL QVAP ù QH2 où Q TOTAL le débit molaire total de gaz dans la boucle TOTAL 15 de recirculation, où Q est le débit molaire de vapeur d'eau dans la VAP boucle de recirculation,et où Q est le débit molaire d'hydrogène dans la boucle de H2 recirculation. Enfin, le procédé de l'invention peut comprendre en outre au moins l'étape de : calcul du débit massique d'hydrogène au regard de 25 la formule suivante : massique QH2 =QH2xM(H2) Où M(H2) est la masse molaire de l'hydrogène et/ou - calcul du débit massique de vapeur d'eau au regard de la formule suivante : 20 30 7 Qmassaque VA'=QVAxM(H2O) Où M(H20) est la masse molaire de l'eau et/ou - calcul du débit massique d'azote au regard de la 5 formule suivante : mass que N2xM(N2) QN2 calculation of the molar flow rate of nitrogen in the recirculation loop with respect to the following formula: QN2 = QTOTAL QVAP ù QH2 where Q TOTAL the total molar flow rate of gas in the TOTAL recirculation loop, where Q is the molar flow rate of water vapor in the VAP recirculation loop, and where Q is the molar flow rate of hydrogen in the loop of H2 recirculation. Finally, the method of the invention may further comprise at least the step of: calculating the mass flow rate of hydrogen with respect to the following formula: mass QH2 = QH2xM (H2) Where M (H2) is the molar mass hydrogen and / or - calculation of the mass flow rate of water vapor with respect to the following formula: ## EQU1 ## where M (H 2 O) is the molar mass of the water and / or - calculation of the mass flow rate of nitrogen with respect to the following formula: mass than N2xM (N2) QN2
Où M(N2) est la masse molaire de l'azote 10 L'invention porte également sur un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé précédemment décrit, le dit dispositif comprenant au moins une boucle de recirculation en hydrogène qui assure la circulation des gaz issus de l'anode d'une cellule de pile à Where M (N2) is the molar mass of nitrogen The invention also relates to a device for implementing the previously described method, said device comprising at least one hydrogen recirculation loop which ensures the circulation of gases. from the anode of a cell stack to
15 combustible jusqu'à la branche d'admission en hydrogène de cette anode dans laquelle boucle de recirculation circule de l'hydrogène résiduel, de l'azote et de la vapeur d'eau. Ce dispositif est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un appareil de mesure de Fuel to the hydrogen inlet branch of this anode in which recirculation loop circulates residual hydrogen, nitrogen and water vapor. This device is essentially characterized in that it comprises a measuring device of
20 la concentration en hydrogène au niveau de la branche d'admission en hydrogène et un appareil de mesure de la concentration en hydrogène au niveau de la boucle de recirculation. The hydrogen concentration at the hydrogen inlet branch and an apparatus for measuring the hydrogen concentration at the recirculation loop.
Pour pouvoir évaluer le débit volumique de vapeur To be able to evaluate the volumetric flow of steam
25 d'eau circulant dans la boucle de recirculation, le dispositif de l'invention comprend également un appareil de mesure de la température de saturation ou d'humidité relative du gaz circulant dans la boucle de recirculation et un appareil de mesure de la pression du gaz circulant As the water circulates in the recirculation loop, the device of the invention also comprises an apparatus for measuring the saturation or relative humidity temperature of the gas flowing in the recirculation loop and a device for measuring the pressure of the recirculation loop. circulating gas
30 dans cette boucle de recirculation. 30 in this recirculation loop.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins The invention will be better understood, and other objects, features, details and advantages thereof will appear more clearly in the following explanatory description made with reference to the drawings.
35 schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant deux variantes de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une cellule de pile à combustible de l'art antérieur, - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de recirculation de l'hydrogène de l'art antérieur, - la figure 3 est une représentation schématique du dispositif de l'invention selon une première 10 variante ; et la figure 4 est une représentation schématique du dispositif de l'invention selon une deuxième variante. Les éléments communs au dispositif de l'art antérieur de la figure 2 et au dispositif de l'invention 15 des figures 3 et 4 porteront les mêmes références. Comme représenté sur la figure 3, le dispositif de l'invention prévoit, comme dans le dispositif de l'art antérieur, une boucle de recirculation en hydrogène 12 permettant d'assurer la circulation du gaz issu de la 20 sortie 4a de l'anode 4 jusqu'à la branche d'admission 14 alimentée par un système d'alimentation en hydrogène 15. Sur cette boucle de recirculation 12 sont montés un circulateur 13 et un séparateur 16. Selon l'invention, un premier capteur d'hydrogène 25 20 est disposé sur la branche d'admission 14 proche de l'entrée 4b de l'anode 4 et un deuxième capteur d'hydrogène 21 est disposé sur la boucle de recirculation 12 entre le séparateur 16 et le circulateur 13. Ces deux capteurs 20, 21 sont aptes à mesurer la 30 concentration en hydrogène dans le flux de gaz considéré. A partir de ces deux mesures, il est alors possible de calculer la valeur du débit molaire total du gaz circulant dans la branche de recirculation 12 de la façon suivante. 35 Nous avons . admission admission QH2 Xi Q TOTAL admission où QH2 est le débit molaire d'hydrogène dans la branche d'admission 14, X1 est la concentration mesurée d'hydrogène dans la branche d'admission 14, et admission est le débit molaire total de gaz dans la branche d'admission 14. Nous avons également : recirculation recirculation QH2 X2 TOTAL recirculation où QH2 est le débit molaire d'hydrogène dans la boucle de recirculation 12, 15 X2 est la concentration mesurée d'hydrogène dans la boucle de recirculation 12, et recirculation est le débit molaire total de gaz dans la 20 En négligeant les transferts de matière à travers la membrane non représentée sur la figure 3, le débit volumique d'hydrogène dans la branche d'admission 14 admission L. H 2 et le débit volumique d'hydrogène dans la boucle de Q TOTAL Q TOTAL boucle de recirculation 12 que l'on cherche à calculer. recirculation L. H 2 sont liés par la formule recirculation 12 25 suivante : admission recirculation consommé _ NI QH2 H2 QH2 2F Q consommé H2 pile, est le débit molaire d'hydrogène consommé par où 30 la où N est le nombre de cellules dans la pile à combustible, où I est le courant généré par la pile, et où F est la constante de Faraday. De ce qui précède, peut être calculé le débit molaire Qrecirculation TOTAL circulant dans la boucle de 5 recirculation 12 par la relation suivante total de gaz recirculation 1 ù X 1 total X1X2 CONSO CONSO NI avec H2 H 2F 10 Le dispositif représenté sur la figure 4 reprend tous les éléments représentés sur la figure 3. Ce dispositif présente en outre un capteur de pression 22 et un capteur de température de saturation ou d'humidité relative 23 aptes à mesurer respectivement la 15 pression dans la boucle de recirculation 12 et la température de saturation ou l'humidité relative dans cette boucle 12. A partir de ces mesures, il est possible de calculer la fraction de vapeur Xvap dans le mélange de gaz qui 20 circule dans la boucle de recirculation 12 par la formule suivante : pvap X VAP = P Avec Pvap qui est la pression de vapeur et qui est donnée 25 par la loi d'Antoine : PVQP = exp(23,1961ù 3816,44 30 Il est alors possible de déterminer le débit molaire FIGS. 1 is a diagrammatic representation of a fuel cell cell of the prior art, FIG. 2 is a representation of the invention, and FIG. schematic of a device for recirculating hydrogen of the prior art, - Figure 3 is a schematic representation of the device of the invention according to a first variant; and Figure 4 is a schematic representation of the device of the invention according to a second variant. The elements common to the device of the prior art of FIG. 2 and to the device of the invention of FIGS. 3 and 4 will bear the same references. As shown in FIG. 3, the device of the invention provides, as in the device of the prior art, a hydrogen recirculation loop 12 making it possible to ensure the circulation of the gas coming from the outlet 4a of the anode 4 to the intake branch 14 fed by a hydrogen supply system 15. On this recirculation loop 12 are mounted a circulator 13 and a separator 16. According to the invention, a first hydrogen sensor 25 is disposed on the intake branch 14 near the inlet 4b of the anode 4 and a second hydrogen sensor 21 is disposed on the recirculation loop 12 between the separator 16 and the circulator 13. These two sensors 20, 21 are able to measure the hydrogen concentration in the gas flow under consideration. From these two measurements, it is then possible to calculate the value of the total molar flow rate of the gas flowing in the recirculation branch 12 in the following manner. 35 We have. intake admission QH2 Xi Q TOTAL admission where QH2 is the molar flow rate of hydrogen in intake branch 14, X1 is the measured hydrogen concentration in intake branch 14, and admission is the total molar flow rate of gas in the intake branch 14. We also: recirculation recirculation QH2 X2 TOTAL recirculation where QH2 is the molar flow rate of hydrogen in the recirculation loop 12, 15 X2 is the measured concentration of hydrogen in the recirculation loop 12, and Recirculation is the total molar flow of gas in the 20 By neglecting the material transfers through the membrane not shown in Figure 3, the volume flow of hydrogen in the inlet branch 14 admission L. H 2 and the volume flow of hydrogen in the loop of Q TOTAL Q TOTAL recirculation loop 12 that one seeks to calculate. Recirculation L. H 2 are linked by the following recirculation formula 12: intake recirculation consumed _ NI QH2 H2 QH2 2F Q consumed H2 stack, is the molar flow rate of hydrogen consumed by where N is the number of cells in the fuel cell, where I is the current generated by the battery, and where F is the Faraday constant. From the foregoing, the TOTAL recirculation flow rate Q circulating in the recirculation loop 12 can be calculated by the following total recirculation gas ratio 1 where X 1 total X 1 X 2 CONSO CONS O NI with H 2 H 2 F The device shown in FIG. 4 This device also has a pressure sensor 22 and a saturation or relative humidity temperature sensor 23 capable of respectively measuring the pressure in the recirculation loop 12 and the temperature of the recirculation loop 12. saturation or relative humidity in this loop 12. From these measurements, it is possible to calculate the fraction of vapor Xvap in the gas mixture circulating in the recirculation loop 12 by the following formula: pvap X VAP = P With Pvap, which is the vapor pressure and which is given by Antoine's law: PVQP = exp (23,1961 to 3816,44 It is then possible to determine the molar flow rate
recirculation de vapeur d'eau Q circulant dans la boucle de VAP recirculation of water vapor Q circulating in the VAP loop
recirculation 12 au regard de la relation suivante : T at ù 46,13 ~ Où Tsat est la température de saturation (en Kelvin) dans la boucle de recirculation 12. 11 recirculation recirculation Q VAP = X VAP Qtotai Qrecirculation total est le débit molaire total du gaz circulant où dans la branche de recirculation 12 calculé précédemment. Qrecirculation circulant H2 Et le débit molaire d'hydrogène dans la boucle de recirculation 12 peut également se calculer par la formule suivante : 2 recirculation Qrecirculation total Q H 2 Où X2 est la concentration mesurée d'hydrogène dans la boucle de recirculation 12. recirculation Enfin, le débit molaire d'azote Q dans la N2 boucle de recirculation 12 est alors également possible à déterminer à partir de la relation suivante : recirculation recirculation recirculation recirculation QN2 total QVAP QH 2 De ces trois débits, peuvent être déduits la masse volumique et le débit massique total du gaz circulant dans la boucle de recirculation 12 par les formules suivantes . massique =Q H2 xM(H QH 2 2 Où M(H2) est la masse molaire de l'hydrogène massaque 3 0 Q = v, xM(H2O) vin, Où M(H20) est la masse molaire de l'eau massique QN2 N2xM(N2) 25 Où M(N2) est la masse molaire de l'azote Et finalement : massique (j/~massique massique massique ùTOTAL ù L~N2 ~VAP ~H2 P' Mmélange P mélange R•T avec Mmélange = XH2 •M(H2)+XH2O •M(H20)+XN2 •M(N2) recirculation 12 with regard to the following relation: T at ù 46,13 ~ Where Tsat is the saturation temperature (in Kelvin) in the recirculation loop 12. 11 recirculation recirculation Q VAP = X VAP Qtotai Total recirculation is the total molar flow circulating gas or in the recirculation branch 12 previously calculated. Circulating circulation H2 and the molar flow rate of hydrogen in the recirculation loop 12 can also be calculated by the following formula: 2 recirculation Q total recirculation QH 2 Where X2 is the measured concentration of hydrogen in the recirculation loop 12. recirculation Finally, the molar flow rate of nitrogen Q in the N2 recirculation loop 12 is then also possible to be determined from the following relation: recirculation recirculation recirculation recirculation QN2 total QVAP QH 2 From these three flow rates, density and flow can be deduced total mass of the gas flowing in the recirculation loop 12 by the following formulas. mass = Q H2 xM (H QH 2 2 where M (H2) is the molar mass of massaceous hydrogen 30 Q = v, xM (H2O) wine, where M (H20) is the molar mass of the bulk water QN2 N2xM (N2) Where M (N2) is the molar mass of nitrogen And finally: mass (j / mass mass mass ùTOTAL ù L ~ N2 ~ VAP ~ H2 P 'Mmixture P mixture R • T with Mmixture = XH2 • M (H2) + XH2O • M (H2O) + XN2 • M (N2)
Où Mmélange est la masse molaire, P la pression et T la température du gaz circulant dans la boucle de 10 recirculation 12. Where M is the molar mass, P is the pressure and T is the temperature of the gas flowing in the recirculation loop 12.
Il peut, selon une autre variante, être envisagé de doubler ces mesures par la présence de capteurs de débit volumique et massique améliorant ainsi la fiabilité du 15 système. Le dispositif et le procédé de l'invention permettent par des moyens simples et peu coûteux d'évaluer le débit volumique dans la boucle de recirculation 12 d'un système pile à combustible. 20 Ceci permet avantageusement de ne pas utiliser un capteur de débit volumique coûteux, encombrant, entraînant des pertes de charges importantes. Ce procédé permet donc de supprimer les pertes de rendement résultant de l'augmentation de la consommation 25 électrique du circulateur et permet également des gains de masse et de volume particulièrement avantageux pour une application dans le domaine automobile. Par ce procédé il est également possible de déterminer les débits massiques dans la boucle de 30 recirculation, y compris pendant les phases de fonctionnement du système au cours desquelles la composition du mélange de gaz sortant de la pile est variable dans le temps. It may, according to another variant, be considered to double these measurements by the presence of volume and mass flow rate sensors thereby improving the reliability of the system. The device and method of the invention allow by simple and inexpensive means to evaluate the volume flow in the recirculation loop 12 of a fuel cell system. This advantageously makes it possible not to use an expensive, bulky volumetric volume flow sensor, resulting in significant losses of loads. This method thus makes it possible to eliminate the yield losses resulting from the increase in the electrical consumption of the circulator and also allows gains in mass and volume that are particularly advantageous for an application in the automotive field. By this method it is also possible to determine the mass flow rates in the recirculation loop, including during the operating phases of the system during which the composition of the gas mixture exiting the stack is variable in time.
Enfin, le procédé et le dispositif de l'invention permettent de pouvoir piloter au mieux dans toutes les situations le circulateur afin de respecter la contrainte d'humidification des gaz à l'entrée de l'anode. Finally, the method and the device of the invention make it possible to control the circulator in the best possible manner in order to respect the humidification stress of the gases at the inlet of the anode.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103672281A (en) * | 2012-09-10 | 2014-03-26 | 诺马德国有限责任公司 | Push-fit connector |
CN112510229A (en) * | 2020-12-04 | 2021-03-16 | 上海捷氢科技有限公司 | Fuel cell system and method and device for calculating hydrogen metering ratio of fuel cell system |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62119869A (en) * | 1985-11-20 | 1987-06-01 | Toshiba Corp | Control system for fuel cell power generation plant |
JPH0337965A (en) * | 1989-07-05 | 1991-02-19 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Recycling gas flow rate measuring method for fuel cell |
EP1339125A2 (en) * | 2002-02-15 | 2003-08-27 | Nissan Motor Co., Ltd. | Purging control of fuel cell anode effluent |
US20030232226A1 (en) * | 2002-06-12 | 2003-12-18 | Denso Corporation | Fuel cell system |
EP1391700A1 (en) * | 2002-08-22 | 2004-02-25 | Nissan Motor Co., Ltd. | Gas flow rate measurement using gas concentration measurements |
WO2004051780A2 (en) * | 2002-12-03 | 2004-06-17 | Nissan Motor Co.,Ltd. | Fuel cell system |
WO2004105165A2 (en) * | 2003-05-21 | 2004-12-02 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell arrangement |
US20050147863A1 (en) * | 2003-10-22 | 2005-07-07 | Denso Corporation | Fuel supply system for fuel cell system designed to ensure stability in regulating flow rate of recirculated off-gas |
-
2007
- 2007-04-06 FR FR0754379A patent/FR2914786A1/en active Pending
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62119869A (en) * | 1985-11-20 | 1987-06-01 | Toshiba Corp | Control system for fuel cell power generation plant |
JPH0337965A (en) * | 1989-07-05 | 1991-02-19 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Recycling gas flow rate measuring method for fuel cell |
EP1339125A2 (en) * | 2002-02-15 | 2003-08-27 | Nissan Motor Co., Ltd. | Purging control of fuel cell anode effluent |
US20030232226A1 (en) * | 2002-06-12 | 2003-12-18 | Denso Corporation | Fuel cell system |
EP1391700A1 (en) * | 2002-08-22 | 2004-02-25 | Nissan Motor Co., Ltd. | Gas flow rate measurement using gas concentration measurements |
WO2004051780A2 (en) * | 2002-12-03 | 2004-06-17 | Nissan Motor Co.,Ltd. | Fuel cell system |
WO2004105165A2 (en) * | 2003-05-21 | 2004-12-02 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell arrangement |
US20050147863A1 (en) * | 2003-10-22 | 2005-07-07 | Denso Corporation | Fuel supply system for fuel cell system designed to ensure stability in regulating flow rate of recirculated off-gas |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103672281A (en) * | 2012-09-10 | 2014-03-26 | 诺马德国有限责任公司 | Push-fit connector |
CN103672281B (en) * | 2012-09-10 | 2017-01-04 | 诺马德国有限责任公司 | Push-fit connector |
CN112510229A (en) * | 2020-12-04 | 2021-03-16 | 上海捷氢科技有限公司 | Fuel cell system and method and device for calculating hydrogen metering ratio of fuel cell system |
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