FR2928776A1 - Fuel cell system for providing energy in motor vehicle, has electronic control unit with control module to control output of system depending on pressure in fuel cell membrane, where pressure is ranged between minimum and maximum pressures - Google Patents

Fuel cell system for providing energy in motor vehicle, has electronic control unit with control module to control output of system depending on pressure in fuel cell membrane, where pressure is ranged between minimum and maximum pressures Download PDF

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Abstract

The system has an electronic control unit (10) provided with a control module (11) for controlling thermal regulation of a fuel cell (1) and air supply circuit. The control module controls output of the system depending on current intensity delivered by the fuel cell, temperature in the fuel cell and pressure in membrane (1a) of the fuel cell, while complying with zero water balance in the fuel cell. The temperature in the fuel cell is ranged between minimum and maximum temperatures, and the pressure at the membrane of the fuel cell is ranged between minimum and maximum pressures. An independent claim is also included for a method for controlling a fuel cell system.

Description

B07/2883FR û AxC/EVH B07 / 2883 - AxC / EVH

Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de pile à combustible et procédé de commande Société par Actions Simplifiée known as: RENAULT s.a.s. Fuel cell system and control method

Invention de : Vincent LE LAY Karim BEN-CHERIF Fedh BEN-AICHA Damiano DI-PENTA Nicolas ROMANI Invention of: Vincent LE LAY Karim BEN-CHERIF Fedh BEN-AICHA Damiano DI-PENTA Nicolas ROMANI

2 Système de pile à combustible et procédé de commande 2 Fuel cell system and control method

La présente invention concerne un système de pile à combustible et un procédé de commande associé, notamment pour être embarqué à bord d'un véhicule automobile. Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie, par exemple pour des applications stationnaires, ainsi que dans les domaines aéronautique et automobile. Une pile à combustible comprend des plaques bipolaires servant à la distribution des fluides ainsi qu'au transfert des électrons, et des ensembles membrane-électrodes ou MEA ("Membrane Electrodes Assembly" en langue anglaise) qui sont le lieu des réactions électrochimiques et des transferts de protons. Un ensemble membrane-électrodes comprend des électrodes et une membrane. A l'anode, se produit l'oxydation de l'hydrogène avec production d'électrons et de protons. A la cathode, se produit la réduction de l'oxygène, mettant en jeu les électrons qui ont été véhiculés par les plaques bipolaires, et les protons qui ont été transférés au travers de la membrane échangeuse d'ions. The present invention relates to a fuel cell system and an associated control method, in particular for being on board a motor vehicle. Fuel cells are used to provide energy, for example for stationary applications, as well as in the aeronautics and automotive fields. A fuel cell comprises bipolar plates for the distribution of fluids and the transfer of electrons, and membrane-electrode assemblies (MEAs) which are the locus of electrochemical reactions and transfers. of protons. A membrane-electrode assembly comprises electrodes and a membrane. At the anode, the oxidation of hydrogen takes place with production of electrons and protons. At the cathode, oxygen reduction occurs, involving the electrons that have been transported by the bipolar plates, and the protons that have been transferred through the ion exchange membrane.

La membrane est un élément fragile dont dépendent grandement les performances et la longévité de la pile à combustible. Afin de préserver la membrane, il faut respecter des contraintes concernant la différence de pression entre les deux faces de la membrane, l'humidité de la membrane, et l'empoisonnement au monoxyde de carbone CO. The membrane is a fragile element that greatly depends on the performance and longevity of the fuel cell. In order to preserve the membrane, it is necessary to respect constraints concerning the pressure difference between the two faces of the membrane, the humidity of the membrane, and carbon monoxide poisoning CO.

La différence de pression entre les deux faces de la membrane (pression à l'anode - pression à la cathode) doit rester faible pour éviter un déchirement de la membrane. Il convient par exemple de garantir une différence de pression quasiment nulle en fonctionnement stabilisé de la pile et inférieure à 0,5 bar en régime transitoire. The pressure difference between the two faces of the diaphragm (anode pressure - cathode pressure) should be kept low to prevent tearing of the diaphragm. For example, it is necessary to guarantee a virtually zero pressure difference in stabilized operation of the cell and less than 0.5 bar under transient conditions.

3 La membrane fonctionnant comme une éponge mise en température et sous pression, il faut assurer une humidification suffisante pour ne pas assécher l'éponge mais pas trop importante afin de ne pas inonder l'éponge . La gestion de l'humidité de la membrane en régime transitoire est délicate. Le gaz de reformat, riche en hydrogène, fourni par un reformeur à l'anode de la pile à combustible, contient du monoxyde de carbone CO qui, même en très faible quantité, peut s'accumuler au niveau de la pile à combustible et sérieusement dégrader les performances de la pile à combustible, et même dégrader la pile à combustible. Un catalyseur est présent à l'anode de la pile à combustible pour améliorer le mécanisme électrochimique anodique. Le monoxyde de carbone CO peut se fixer, de manière réversible, sur des sites d'adsorption du catalyseur, et limiter ainsi l'effet de ce catalyseur. L'empoisonnement au monoxyde de carbone des sites catalytiques entraîne une surtension anodique significative qui se soustrait à la tension aux bornes de la pile à combustible et diminue ainsi les performances de celle-ci. I1 est possible d'utiliser une alimentation d'air secondaire pour libérer le monoxyde de carbone des sites du catalyseur et ainsi limiter l'empoisonnement au monoxyde de carbone de la pile. La demande de brevet US 2005/0 227 125 explique l'influence des variations de courant, de pression et de température lors d'un échelon de puissance descendant sur la différence de pression et l'humidité de la membrane. Ce document propose de filtrer la demande de puissance pour assurer le maintien des contraintes de la pile. Aucune optimisation du rendement n'est envisagée. La demande de brevet GB 0 330 272 décrit un système de contrôle de l'injection d'eau à la cathode en fonction des conditions 3 Since the membrane functions as a sponge that is heated and under pressure, sufficient humidification must be ensured so as not to dry the sponge, but not too much so as not to flood the sponge. Transient membrane moisture management is tricky. The reformate gas, rich in hydrogen, supplied by a reformer at the anode of the fuel cell, contains carbon monoxide CO which, even in very small quantities, can accumulate at the fuel cell and seriously degrade the performance of the fuel cell, and even degrade the fuel cell. Catalyst is present at the anode of the fuel cell to improve the anode electrochemical mechanism. Carbon monoxide CO can reversibly bind to catalyst adsorption sites and thus limit the effect of this catalyst. Carbon monoxide poisoning of catalytic sites results in a significant anodic overvoltage which is subtracted from the voltage at the fuel cell terminals and thus decreases the performance of the fuel cell. It is possible to use a secondary air supply to release the carbon monoxide from the catalyst sites and thus limit the carbon monoxide poisoning of the cell. The patent application US 2005/0227125 explains the influence of the variations of current, pressure and temperature during a descending power step on the pressure difference and the humidity of the membrane. This document proposes to filter the power demand to maintain the constraints of the stack. No performance optimization is envisaged. Patent Application GB 0 330 272 describes a system for controlling the injection of water at the cathode according to the conditions

4 (pression, température) de fonctionnement. Le but est d'obtenir une bonne humidité de la membrane sans créer de zones d'accumulation d'eau. L'aspect transitoire n'est pas pris en compte. Les systèmes connus précités ne permettent pas de garantir un maintien en bon état de fonctionnement de la membrane, au cours du temps, et ne prennent pas en compte le rendement du système. La présente invention a pour objet d'optimiser le rendement d'un système de pile à combustible de manière dynamique, en temps réel. 4 (operating pressure, temperature). The goal is to obtain a good humidity of the membrane without creating zones of accumulation of water. The transient aspect is not taken into account. The above-mentioned known systems do not make it possible to guarantee that the membrane remains in good operating condition over time and does not take into account the efficiency of the system. The present invention aims to optimize the efficiency of a fuel cell system dynamically, in real time.

Un but de l'invention est également d'améliorer le maintien de la membrane dans un état permettant d'améliorer le rendement du système de pile à combustible. Aussi, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un système de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, ladite pile étant alimentée à l'anode en hydrogène par un reformeur et à la cathode en oxygène par injection d'air d'un circuit d'alimentation en air alimentant également l'anode de la pile par un circuit secondaire et le reformeur. Le système comprend, en outre, une unité de commande électronique munie de moyens de commande de la régulation thermique de la pile et du circuit d'alimentation en air. Lesdits moyens de commande sont adaptés pour maximiser dynamiquement le rendement du système dépendant de l'intensité du courant délivré par la pile, de la température dans la pile, et de la pression au niveau de la membrane de la pile, en respectant un bilan en eau nul au niveau de la pile, une température dans la pile comprise entre une température minimale et une température maximale, et une pression au niveau de la membrane de la pile comprise entre une pression minimale et une pression maximale. L'invention permet de maximiser le rendement de la pile à combustible, en tenant compte simultanément de contraintes de température, de pression et d'empoisonnement au monoxyde de carbone de la membrane de la pile. 5 Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de commande comprennent des cartographies mémorisées du rendement du système. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de commande sont adaptés pour mettre en oeuvre un algorithme de maximisation. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de commande sont adaptés pour effectuer une maximisation par linéarisation du rendement du système autour de points de fonctionnement du système. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de commande sont adaptés pour effectuer une maximisation non-linéaire du rendement du système. An object of the invention is also to improve the maintenance of the membrane in a state to improve the efficiency of the fuel cell system. Also, according to a first aspect of the invention, there is provided a fuel cell system, in particular for a motor vehicle, said battery being supplied to the hydrogen anode by a reformer and to the oxygen cathode by air injection. an air supply circuit also supplying the anode of the battery by a secondary circuit and the reformer. The system further comprises an electronic control unit provided with means for controlling the thermal regulation of the cell and the air supply circuit. Said control means are adapted to dynamically maximize the efficiency of the system depending on the intensity of the current delivered by the cell, the temperature in the cell, and the pressure on the cell membrane, while maintaining a balance sheet. zero water at the battery, a temperature in the cell between a minimum temperature and a maximum temperature, and a pressure at the cell membrane between a minimum pressure and a maximum pressure. The invention maximizes the efficiency of the fuel cell, simultaneously taking into account temperature, pressure and carbon monoxide poisoning constraints of the cell membrane. According to one embodiment, said control means comprise memorized maps of the efficiency of the system. According to one embodiment, said control means are adapted to implement a maximization algorithm. According to one embodiment, said control means are adapted to carry out maximization by linearization of the efficiency of the system around points of operation of the system. According to one embodiment, said control means are adapted to perform a non-linear maximization of the efficiency of the system.

Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un procédé de commande d'un système de pile à combustible, dans lequel on maximise dynamiquement le rendement du système dépendant de l'intensité du courant délivré par la pile, de la température dans la pile, et de la pression au niveau de la membrane de la pile, en respectant un bilan en eau nul au niveau de la pile, une température dans la pile comprise entre une température minimale et une température maximale, et une pression au niveau de la membrane de la pile comprise entre une pression minimale et une pression maximale. According to another aspect of the invention, there is also provided a method of controlling a fuel cell system, in which the efficiency of the system depending on the intensity of the current delivered by the battery is dynamically maximized, of the temperature in the cell, and the pressure at the cell membrane, respecting a zero water balance at the cell, a temperature in the cell between a minimum temperature and a maximum temperature, and a pressure at the cell. of the battery membrane between a minimum pressure and a maximum pressure.

Dans un mode de mise en oeuvre, on utilise des cartographies mémorisées du rendement du système. Dans un mode de mise en oeuvre, on met en oeuvre un algorithme de maximisation. In one embodiment, stored maps of system performance are used. In one embodiment, a maximization algorithm is implemented.

6 Dans un mode de mise en oeuvre, on effectue une maximisation par linéarisation du rendement du système autour de points de fonctionnement du système. Dans un mode de mise en oeuvre, on effectue une maximisation non-linéaire du rendement du système. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante, de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrée par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un système de pile à combustible selon un aspect de l'invention ; et - la figure 2 illustre un mode de réalisation des moyens de commande de la régulation thermique de la pile et du circuit d'alimentation en air. In one embodiment, optimization is performed by linearization of system efficiency around operating points of the system. In one embodiment, a non-linear maximization of the efficiency of the system is performed. The invention will be better understood on studying the following detailed description of some embodiments taken as non-limiting examples, and illustrated by the appended drawings in which: FIG. 1 schematically represents a battery system with fuel according to one aspect of the invention; and FIG. 2 illustrates an embodiment of the control means for the thermal regulation of the cell and of the air supply circuit.

Telle que représentée sur la figure 1 de manière très schématique, une pile à combustible 1, munie d'un empilement de cellules dont chacune comporte une membrane la, est alimentée à l'anode 2 par un gaz riche en hydrogène provenant d'un reformeur 3, et à la cathode 4 en air comprimé provenant d'un compresseur 5. Le gaz de reformat issu du reformeur 3 est véhiculé par un conduit 6 jusqu'à l'anode 2 de la pile 1, et l'air comprimé en sortie du compresseur 5 est véhiculé par un conduit 7 jusqu'à la cathode 4 de la pile 1. La pile 1 fournit un courant électrique à sa sortie lb. Sur la figure 1, on a représenté, à titre de simplification, un compartiment anodique 2 et un compartiment cathodique 4, séparés par une membrane la. On comprendra que dans la réalité, la pile à combustible 1 comprend un empilement de plusieurs plaques bipolaires associées chacune à une membrane telle que la membrane la. As shown schematically in FIG. 1, a fuel cell 1, provided with a stack of cells each having a membrane 1a, is fed to the anode 2 by a hydrogen-rich gas from a reformer. 3, and the cathode 4 in compressed air from a compressor 5. The reformate gas from the reformer 3 is conveyed by a conduit 6 to the anode 2 of the cell 1, and the compressed air output compressor 5 is conveyed by a conduit 7 to the cathode 4 of the battery 1. The battery 1 provides an electric current at its output lb. In Figure 1, there is shown, for simplification, an anode compartment 2 and a cathode compartment 4, separated by a membrane la. It will be understood that in reality, the fuel cell 1 comprises a stack of several bipolar plates each associated with a membrane such as the membrane la.

7 Un conduit 8 d'injection d'air secondaire est piqué sur le conduit 7 et relié à l'anode 2 de la pile 1 de manière à permettre d'introduire de l'oxygène dans le gaz de reformat pour libérer des sites d'adsorption occupés par du monoxyde de carbone d'une phase catalytique présente à l'anode 2 de la pile 1, ce qui favorise la réaction d'électro-oxydation anodique. Le conduit 8 est muni d'une vanne de régulation de débit 9 permettant de réguler le débit d'air secondaire injecté dans le gaz de reformat. Un conduit de dérivation 8a est également piqué sur le conduit 7 et relié à l'entrée du reformeur 3 pour l'alimentation en air comprimé du reformeur 3. Le reformeur 3 est en outre alimenté en carburant. Une unité de commande électronique 10 comprend un module de commande 11 de la régulation thermique de la pile 1 et du circuit d'alimentation en air de la pile 1. L'unité de commande électronique 10 est connectée aux différents éléments du système de manière à échanger des informations, et commander le fonctionnement de ces éléments. En particulier, l'unité de commande électronique 10 reçoit des informations sur le fonctionnement de la pile 1 par la connexion 10a et transmet des signaux de commande à la vanne 9 par la connexion 10b, au reformeur 3 par la connexion 10c et au compresseur 5 par la connexion 10d. Au vu des contraintes liées à la membrane la, on peut déterminer une température T dans la pile 1 et une pression P au niveau de la membrane la permettant de maximiser le rendement total du système, le courant électrique produit et les débits étant fixés par la puissance demandée et les stoechiométries de fonctionnement. Le rendement total du système de pile à combustible dépend des points de 7 A secondary air injection duct 8 is stitched on the duct 7 and connected to the anode 2 of the stack 1 so as to allow the introduction of oxygen into the reformate gas to free the sites of adsorption occupied by carbon monoxide of a catalytic phase present at the anode 2 of the cell 1, which promotes the anodic electro-oxidation reaction. The conduit 8 is provided with a flow control valve 9 for regulating the flow of secondary air injected into the reformate gas. A bypass duct 8a is also stitched on the duct 7 and connected to the inlet of the reformer 3 for the compressed air supply of the reformer 3. The reformer 3 is further supplied with fuel. An electronic control unit 10 comprises a control module 11 for the thermal regulation of the cell 1 and the air supply circuit of the cell 1. The electronic control unit 10 is connected to the various elements of the system so as to exchange information, and control the operation of these elements. In particular, the electronic control unit 10 receives information on the operation of the battery 1 by the connection 10a and transmits control signals to the valve 9 via the connection 10b, to the reformer 3 via the connection 10c and to the compressor 5 through the 10d connection. In view of the constraints related to the membrane 1a, it is possible to determine a temperature T in the cell 1 and a pressure P at the membrane which makes it possible to maximize the total efficiency of the system, the electric current produced and the flows being fixed by the requested power and operating stoichiometries. The total efficiency of the fuel cell system depends on the points of

8 fonctionnement en température T et en pression P de la pile 1. I1 est également nécessaire de respecter les contraintes citées précédemment pour éviter que la pile 1 ne se détériore. Aussi, il est nécessaire de vérifier, à tout instant, que la température T est comprise entre une température minimale Tmin et une température maximale Tmax, et que la pression P, qui est la différence de pression entre les deux faces de la membrane, reste comprise entre une pression minimale Pmin et une pression maximale Pmax. 8 operation temperature T and pressure P of the battery 1. It is also necessary to respect the constraints mentioned above to prevent the battery 1 from deteriorating. Also, it is necessary to verify, at any moment, that the temperature T is between a minimum temperature Tmin and a maximum temperature Tmax, and that the pressure P, which is the pressure difference between the two faces of the membrane, remains between a minimum pressure Pmin and a maximum pressure Pmax.

En outre il faut garder, à tout instant un bilan en eau nul au niveau de la pile 1, pour éviter les assèchement ou engorgement en eau de la membrane la de la pile à combustible 1. On peut écrire, de manière simplifiée, le bilan en eau B de la pile à combustible 1 sous la forme de l'équation suivante : B(I,T,P) = 0 dans laquelle : I représente l'intensité du courant délivré par la pile, T représente la température dans la pile, et P représente la pression à proximité de la membrane. In addition, it is necessary to keep, at all times, a water balance of zero at the level of the cell 1, in order to avoid drying up or waterlogging of the membrane 1a of the fuel cell 1. It is possible to write, in a simplified manner, the balance sheet. in water B of the fuel cell 1 in the form of the following equation: B (I, T, P) = 0 in which: I represents the intensity of the current delivered by the battery, T represents the temperature in the battery , and P represents the pressure near the membrane.

I1 faut alors optimiser le rendement du système en B(I,T,P) = 0 respectant les contraintes : Tmin < T < Tmax (1) P min < P < P max I1 est possible de générer des cartographies hors ligne ou prédéterminées, ou bien d'utiliser un ou plusieurs algorithmes d'optimisation. It is then necessary to optimize the efficiency of the system in B (I, T, P) = 0 respecting the constraints: Tmin <T <Tmax (1) P min <P <P max I1 It is possible to generate off-line or predetermined mappings, or to use one or more optimization algorithms.

Si l'on considère la pile à combustible 1 comme une éponge ou un réservoir, une réalisation possible est l'écriture dynamique du bilan en eau. Le bilan en eau B(I,T,P) est la différence entre le débit d'eau If one considers the fuel cell 1 as a sponge or a reservoir, a possible realization is the dynamic writing of the water balance. The water balance B (I, T, P) is the difference between the water flow

9 sortant et le débit d'eau entrant. En considérant que l'on dispose d'un volume tampon VCHZO, on peut définir une variable SOWFc représentant l'état en eau de la pile ("State Of Water" en langue anglaise), compris entre 0 (vide en eau) et 1 (remplie en eau)). 9 outgoing and incoming water flow. Considering that we have a buffer volume VCHZO, we can define a variable SOWFc representing the state of water of the battery ("State Of Water" in English), between 0 (empty water) and 1 (filled with water)).

On obtient alors l'équation suivante : dSOWFC B(I,T,P)) (2) dt VCH2Q On cherche alors à optimiser le rendement énergétique du système en respectant la contrainte : SOWmin < SOW < SOWmax , SOWmin et SOWmax étant des valeurs limites à ne pas dépasser pour éviter de détériorer la membrane la. Le rendement du système est défini par la formule : Pu aux Pustack 1 n Pustack ~ Qcarb xPCI carb avec Pustack = puissance fournie par l'empilement de cellules, PuaäX = puissance consommée par les auxiliaires du système, dont le compresseur, Qcarb = débit de carburant consommé par le reformeur (kg.s-l), PClcarb = Pouvoir Calorifique Inférieur du carburant (J.kg-l). We then obtain the following equation: dSOWFC B (I, T, P)) (2) dt VCH2Q We then try to optimize the energy efficiency of the system by respecting the constraint: SOWmin <SOW <SOWmax, SOWmin and SOWmax being values limits not to be exceeded to avoid damaging the membrane. The efficiency of the system is defined by the formula: Pu to Pustack 1 n Pustack ~ Qcarb xPCI carb with Pustack = power provided by the stack of cells, PuaäX = power consumed by the auxiliaries of the system, including the compressor, Qcarb = flow rate fuel consumed by the reformer (kg.sl), PClcarb = lower calorific value of the fuel (J.kg-1).

Cette formule peut être mise sous la forme suivante : ( 2FUCeu x 1 x 1û Puau, FPS pu H2 Ra Ncell Ucell XI ~ 11 pp (3) (4) avec 1 1FPS QHz xPCI Hz Qcarb XPCI carb (5) où : QH2 = débit d'hydrogène produit par le reformeur (kg.s-l) ; This formula can be put in the following form: (2FUCeu x 1 x 1u Puau, SPF pu H2 Ra Ncell Ucell XI ~ 11 pp (3) (4) with 1 1FPS QHz xPCI Hz Qcarb XPCI carb (5) where: QH2 = hydrogen flow rate produced by the reformer (kg.sl);

10 PCIH2 = Pouvoir Calorifique Inférieur de l'hydrogène ; Nceil = nombre de cellules de l'empilement ; I = courant produit par l'empilement (A) ; Ra = stoechiométrie anodique ; Uceil = différence de potentiel d'une cellule ; F = nombre de Faraday. Le débit d'hydrogène peut être déterminé par la formule : Q Nceul = 2F xRa (6) HZ La puissance fournie par l'empilement est définie par : Pu stack = NceaUcellxl (7) Le rendement du système dépend du rendement du reformeur, de la tension produite par l'empilement et de la puissance consommée par les auxiliaires. Ces trois grandeurs sont directement liées, en plus des capacités intrinsèques des différents composants, aux conditions de pression, débit et température imposées par les fluides. Le rendement ilpp peut donc être considéré comme une fonction du courant électrique produit I, de la température T et de la pression P, soit 1]pp (I,T,P). Pour chaque valeur de puissance ou de courant délivré par la pile 1, il est possible de déterminer le couple de commande u=(P,T) fonction de la pression P et de la température T, qui maximise le rendement rpp(I,T,P) de la pile 1. Les écritures du critère d'optimisation et du système d'état de la pile 1 étant non-linéaires, il est possible de linéariser le système autour de points de fonctionnement prédéterminés, puis d'élaborer une commande optimale du système. I1 est également possible d'utiliser directement des techniques non-linéaires d'élaboration de commande maximisant le rendement PCIH2 = Lower Calorific Value of Hydrogen; Nceil = number of cells in the stack; I = current produced by the stack (A); Ra = anodic stoichiometry; Uceil = potential difference of a cell; F = number of Faraday. The hydrogen flow rate can be determined by the formula: Q Nceul = 2F xRa (6) HZ The power provided by the stack is defined by: Pu stack = NceaUcellxl (7) The efficiency of the system depends on the efficiency of the reformer, the voltage produced by the stack and the power consumed by the auxiliaries. These three quantities are directly related, in addition to the intrinsic capacities of the various components, to the pressure, flow and temperature conditions imposed by the fluids. The efficiency ilpp can therefore be considered as a function of the product electric current I, the temperature T and the pressure P, ie 1] pp (I, T, P). For each value of power or current delivered by the battery 1, it is possible to determine the control torque u = (P, T) as a function of the pressure P and of the temperature T, which maximizes the efficiency rpp (I, T , P) of the stack 1. The writes of the optimization criterion and the state system of the stack 1 being non-linear, it is possible to linearize the system around predetermined operating points, then to develop a command optimal system. It is also possible to directly use nonlinear control generation techniques that maximize efficiency.

11 rlpp(I,T,P) de la pile 1, par exemple en utilisant la mise en équations de type Hamilton Jacobi Belleman (HJB). La figure 2 illustre un mode de réalisation du module de commande 11. Dans cet exemple de réalisation, l'unité de commande électronique 10 élabore une consigne de puissance du système de pile à combustible, noté ici module de puissance (MdP) 12 comprenant la pile à combustible 1. Le module de commande 11 élabore, à partir de cette consigne de puissance, et de mesures des paramètres de fonctionnement du système que sont la pression et la température au niveau des membranes la, et le courant électrique fourni par la pile à combustible. Un module d'élaboration de contraintes 13 élabore, à partir desdites mesures une contrainte d'humidité de la membrane la, une contrainte de différence de pressions de part et d'autre de la membrane la, et une contrainte d'empoisonnement au monoxyde de carbone CO de la membrane la. En ce qui concerne la contrainte d'humidité de la membrane, on cherchera à ce que les gaz soient globalement humidifiés à 100% en sortie de la pile à combustible, ce qui traduit une bonne humidification de la pile. La température et la pression agissent sur l'humidification et le transfert d'eau de la cathode vers l'anode. Pour la contrainte de différence de pression, on cherchera à maintenir une différence de pression minimale entre les deux faces de la membrane pour éviter la création de tensions mécaniques sur la membrane risquant d'entraîner des fissures et un vieillissement prématuré. De préférence, cette contrainte se traduit donc par une valeur nulle pour la consigne de différence de pression. 11pp (I, T, P) of the stack 1, for example using Hamilton Hamilton Belleman equations (HJB). FIG. 2 illustrates an embodiment of the control module 11. In this exemplary embodiment, the electronic control unit 10 generates a power instruction of the fuel cell system, denoted here power module (MP) 12 comprising the fuel cell 1. The control module 11 elaborates, from this power setpoint, and measurements of the operating parameters of the system that are the pressure and temperature at the membranes la, and the electric current supplied by the battery fuel. A stress generation module 13 generates, from said measurements, a moisture stress of the membrane 1a, a pressure difference constraint on both sides of the membrane 1a, and a stress of poisoning with a carbon monoxide. Carbon CO of the membrane. With regard to the moisture stress of the membrane, it will be sought that the gases are globally wetted 100% at the outlet of the fuel cell, which reflects a good humidification of the battery. The temperature and the pressure act on the humidification and the transfer of water from the cathode to the anode. For the pressure difference constraint, an attempt will be made to maintain a minimum pressure difference between the two faces of the membrane to avoid the creation of mechanical tensions on the membrane that may cause cracks and premature aging. Preferably, this constraint therefore results in a zero value for the pressure difference setpoint.

12 Pour la contrainte d'empoisonnement au CO, on estimera l'empoisonnement au CO sur les sites catalytiques afin d'en déduire une valeur de consigne d'injection d'air. Un module 14 de maximisation dynamique du rendement élabore ensuite, à partir des contraintes fournies par le module d'élaboration de contraintes 13 et d'une valeur de consigne de puissance du système, une consigne de température T dans la pile, une consigne de pression P au voisinage de la membrane la, et des consignes de débits du circuit d'alimentation en air du système, dont le débit d'alimentation en air secondaire. Le module 14 met en oeuvre les équations (3) à (7) telles que décrites précédemment. A partir de la consigne de température T délivrée par le module 14 de maximisation, et des mesures précitées des paramètres de fonctionnement du système, un module de régulation thermique 15 élabore des signaux de commande pour des pompes et des vannes du système. A partir de la consigne de pression P, des consignes de débits délivrées par le module 14 de maximisation, et des mesures effectuées mentionnées plus haut, un module de commande 16 du circuit d'alimentation en air du système élabore un signal de commande du compresseur d'air et des signaux de commande des différentes vannes du système, à destination du module de puissance 12. On peut ensuite utiliser par exemple une commande multivariable pour contrôler les différents actionneurs. For the CO poisoning constraint, CO poisoning on the catalytic sites will be estimated in order to deduce an air injection set point value. A module 14 of dynamic performance maximization then develops, from the constraints provided by the constraint generation module 13 and a system power reference value, a temperature setpoint T in the stack, a pressure setpoint. P in the vicinity of the membrane la, and flow instructions of the system air supply circuit, including the secondary air supply rate. The module 14 implements the equations (3) to (7) as described above. From the temperature set point T delivered by the maximization module 14, and the aforementioned measurements of the operating parameters of the system, a thermal regulation module 15 generates control signals for pumps and valves of the system. From the pressure setpoint P, the flow instructions delivered by the maximization module 14, and the measurements mentioned above, a control module 16 of the system air supply circuit generates a control signal for the compressor. of air and control signals of the various valves of the system, to the power module 12. One can then use for example a multivariable control to control the various actuators.

La présente invention permet de maximiser le rendement d'un système de pile à combustible en limitant fortement la dégradation de la membrane de la pile à combustible. The present invention maximizes the efficiency of a fuel cell system by severely limiting the degradation of the fuel cell membrane.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Système de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, ladite pile étant alimentée à l'anode en hydrogène par un reformeur (3) et à la cathode en oxygène par injection d'air d'un circuit d'alimentation en air alimentant également l'anode (2) de la pile par un circuit secondaire (8) et le reformeur (3), le système comprenant, en outre, une unité de commande électronique (10) munie de moyens de commande (11) de la régulation thermique de la pile et du circuit d'alimentation en air, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (11) sont adaptés pour maximiser dynamiquement le rendement du système dépendant de l'intensité du courant délivré par la pile, de la température dans la pile, et de la pression au niveau de la membrane de la pile, en respectant un bilan en eau nul au niveau de la pile, une température dans la pile comprise entre une température minimale et une température maximale, et une pression au niveau de la membrane de la pile comprise entre une pression minimale et une pression maximale. A fuel cell system, particularly for a motor vehicle, said cell being supplied to the hydrogen anode by a reformer (3) and to the oxygen cathode by air injection of an air supply circuit supplying fuel. also the anode (2) of the cell by a secondary circuit (8) and the reformer (3), the system further comprising an electronic control unit (10) provided with control means (11) of the control thermal circuit of the cell and the air supply circuit, characterized in that said control means (11) are adapted to dynamically maximize the efficiency of the system depending on the intensity of the current delivered by the cell, the temperature in the battery, and the pressure at the cell membrane, respecting a zero water budget at the cell, a temperature in the cell between a minimum temperature and a maximum temperature, and a pressure at the level of the cell. comp cell membrane between a minimum pressure and a maximum pressure. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de commande (11) comprennent des cartographies mémorisées du rendement du système. The system of claim 1, wherein said control means (11) comprises stored maps of system performance. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de commande (11) sont adaptés pour mettre en oeuvre un algorithme de maximisation. 3. System according to claim 1, wherein said control means (11) are adapted to implement a maximization algorithm. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel lesdits moyens de commande (11) sont adaptés pour effectuer une maximisation par linéarisation du rendement du système autour de points de fonctionnement du système. 14 The system of claim 2 or 3, wherein said control means (11) is adapted to perform linearization maximization of system efficiency around operating points of the system. 14 5. Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel lesdits moyens de commande (11) sont adaptés pour effectuer une maximisation non-linéaire du rendement du système. 5. System according to claim 2 or 3, wherein said control means (11) are adapted to perform a non-linear maximization of the efficiency of the system. 6. Procédé de commande d'un système de pile à combustible, dans lequel on maximise dynamiquement le rendement du système dépendant de l'intensité du courant délivré par la pile, de la température dans la pile, et de la pression au niveau de la membrane de la pile, en respectant un bilan en eau nul au niveau de la pile, une température dans la pile comprise entre une température minimale et une température maximale, et une pression au niveau de la membrane de la pile comprise entre une pression minimale et une pression maximale. A method of controlling a fuel cell system, wherein the efficiency of the system depending on the intensity of the current delivered by the cell, the temperature in the cell, and the pressure at the level of the cell are dynamically maximized. membrane of the cell, respecting a zero water balance at the stack, a temperature in the cell between a minimum temperature and a maximum temperature, and a pressure at the membrane of the cell between a minimum pressure and maximum pressure. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on utilise des cartographies mémorisées du rendement du système. 7. The method of claim 6, wherein stored maps of the system performance are used. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on met en oeuvre un algorithme de maximisation. 8. The method of claim 6, wherein it implements a maximization algorithm. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel on effectue une maximisation par linéarisation du rendement du système autour de points de fonctionnement du système. 9. The method of claim 7 or 8, wherein one carries out a linearization maximization of the efficiency of the system around points of operation of the system. 10. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel on effectue une maximisation non-linéaire du rendement du système. 20 The method of claim 7 or 8, wherein non-linear maximization of the efficiency of the system is performed. 20
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