FR3047092A1 - Systeme de regulation de pression, ensemble de pile a combustible et utilisation du systeme de regulation - Google Patents

Abstract

Système de régulation de pression (100) pour réguler une pression dans une ligne de fluide (16A) de telle sorte que cette pression respecte un critère de régulation prédéterminé. Le système comporte une vanne (20A) commandable en mode tout-ou-rien disposée à une extrémité aval de la ligne (16A) et apte à osciller entre une position ouverte et une position fermée ; un capteur de pression (40A), relié à la ligne (16A), permettant de mesurer la pression dans la ligne en amont de la vanne (20A) ; et une unité de régulation (50) configurée pour transmettre à la vanne (20A) des commandes d'ouverture/fermeture déterminées en fonction de la pression mesurée. A fréquence fixe, ces commandes imposent à la vanne des périodes d'ouverture (Oi). La durée de ces périodes d'ouverture est modulée de telle sorte que la pression dans la ligne respecte ledit critère prédéterminé.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un système de régulation de pression servant à réguler une pression dans une ligne de fluide de telle sorte que cette pression respecte un critère prédéterminé.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE L'invention concerne particulièrement la régulation de pression dans les lignes d'échappement de piles à combustible, que ce soit la ligne d'échappement d'eau et d'oxygène ou que ce soit la ligne d'échappement d'hydrogène de la pile. (Dans ce document, le terme 'ligne' désigne une canalisation de fluide, cette canalisation pouvant éventuellement inclure des équipements pour le transport du fluide comme des vannes, etc).

Dans les piles à combustible, notamment les piles à combustible à membrane d'échange de proton (PEMFC, de l'Anglais 'Proton exchange membrane fuel cell) et plus particulièrement celles fonctionnant à haute température (HT), il est nécessaire de réguler la pression d'échappement de la pile, de préférence à la fois dans les circuits d'hydrogène et d'oxygène, afin d'assurer la stabilité de fonctionnement de celle-ci.

Habituellement, la régulation de pression est réalisée au moyen d'une vanne de régulation continue. Une telle vanne peut prendre des positions de manière continue entre une position fermée et une position ouverte. La vanne de régulation est pilotée par une unité de régulation, associée à un capteur de pression. Grâce à l'information de pression dans la ligne, mesurée par le capteur de pression, l'unité de régulation fait varier continûment le degré d'ouverture de la vanne, de telle sorte que la pression dans la ligne s'établisse à la valeur souhaitée.

Cette solution a l'inconvénient de nécessiter l'emploi d'une vanne de régulation relativement chère, et dont la commande peut être difficile à réaliser du fait des lois de comportement parfois complexes de telles vannes. D'autres solutions sont fondées sur des équipements hydromécaniques, comme par exemple détendeur, déverseur ou encore régulateur de débit ; mais le plus souvent la fonction réalisée par ces équipements reste relativement primitive et est donc loin d'être optimale.

PRESENTATION DE L'INVENTION L'objectif de l'invention est donc de proposer un système de régulation de pression pour réguler une pression dans une ligne de fluide de telle sorte que cette pression respecte un critère prédéterminé, système qui soit plus simple, moins coûteux que les systèmes antérieurs, tout en demeurant de grande fiabilité.

Cet objectif est atteint grâce à un système de régulation de pression comportant une vanne commandable en mode tout-ou-rien disposée à une extrémité aval de la ligne et apte à osciller entre une position ouverte et une position fermée, un capteur de pression relié à la ligne et permettant de mesurer la pression dans la ligne, et une unité de régulation configurée pour élaborer et transmettre à la vanne des commandes d'ouverture/fermeture déterminées en fonction de la pression mesurée, lesdites commande imposant à la vanne à fréquence fixe des périodes d'ouverture, la durée de celles-ci étant modulée de telle sorte que la pression dans la ligne respecte ledit critère prédéterminé.

Dans ce système, on comprend naturellement que les périodes d'ouverture sont séparées par des périodes de fermeture.

La régulation de pression vise à faire en sorte que la pression dans la ligne respecte un critère prédéterminé. Le plus souvent, ce critère est simplement défini par une pression ou une plage de pression souhaitée : la pression est alors régulée dans la ligne de telle sorte que la pression soit égale en permanence à la pression souhaitée, ou demeure en permanence dans la plage de pression souhaitée. Le critère peut par exemple définir les valeurs ou plages de valeurs souhaitées pour la pression dans la ligne, en fonction du temps.

Le système comporte comme composant fluidique principal une vanne commandable en mode tout-ou-rien ; cette vanne est généralement une électrovanne. Avantageusement, une telle vanne est généralement simple, présente donc une fiabilité élevée et un coût modeste.

Cette vanne est apte à osciller entre une position ouverte et une position fermée, c'est-à-dire à passer alternativement d'une position à l'autre, de manière répétée et à un rythme relativement rapide.

Ces mouvements alternatifs ou oscillations sont réalisés à une fréquence fixe. L'unité de régulation permet, par des fonctions relativement simples à regrouper sur une carte électronique, de piloter la vanne commandable.

La régulation est du type 'modulation de largeur d'impulsion' (MLI). Une telle commande peut être implémentée sur une carte électronique. La régulation peut notamment être réalisée en contrôlant - et donc en faisant varier la valeur du rapport cyclique de la vanne (ratio entre le temps d'ouverture et le temps total) en fonction du temps. Avantageusement, un tel mode de régulation permet de fait une régulation sensiblement continue du débit traversant la vanne, et cela bien que la vanne ne soit pas une vanne de régulation continue. L'unité de régulation peut être configurée pour mettre en oeuvre tout algorithme ou technologie de régulation connu(e). Par exemple, l'unité de régulation peut effectuer une régulation de type PID. La régulation réalisée peut éventuellement être plus complexe, et être par exemple de type intégrateur, avance/retard, filtre sélectif, filtre passe-bas, ou autre.

Dans un mode de réalisation, pour déterminer les commandes d'ouverture/fermeture à transmettre à la vanne, l'unité de régulation est configurée pour dans une première étape, élaborer une commande du débit (le débit de fluide à travers la vanne) en fonction de la pression mesurée. Cette étape peut être réalisée par toute méthode connue de régulation de la pression en fonction du débit. Notamment, les méthodes indiquées précédemment (des régulation de type PID, avance/retard, filtre sélectif, et/ou filtre passe-bas) peuvent être mises en œuvre lors de cette étape. L'unité de régulation est dans ce mode de réalisation également configurée pour, dans une deuxième étape, déterminer les commandes d'ouverture/fermeture de la vanne indiquées précédemment en fonction du débit.

La régulation par modulation de largeur d'impulsion permet de contrôler le débit de fluide passant à travers la vanne. Il s'est avéré qu'un tel contrôle est suffisant et efficace pour réaliser la régulation de la pression dans une ligne.

Toutefois, l'utilisation d'une vanne commandable en mode tout-ou-rien régulée par une commande de type MLI peut cependant conduire à générer quelques fluctuations de pression dans la ligne.

Dans certains modes de réalisation, ces fluctuations sont négligeables.

Cependant dans certains cas, ces fluctuations de pression peuvent perturber la régulation de pression effectuée. Il convient alors de prendre en compte ces fluctuations parasites afin d'améliorer la régulation effectuée.

Dans ce but, dans un mode de réalisation l'unité de régulation comporte un module de filtrage, configuré pour fournir une valeur de pression filtrée dans laquelle une composante fréquentielle dont la fréquence est égale à ladite fréquence fixe est atténuée d'au moins 40dB, et un module de régulation, configuré pour déterminer une commande de la vanne en fonction de la valeur de pression filtrée.

Avantageusement, l'élimination, dans le signal de pression, de la composante fréquentielle correspondant à la fréquence d'oscillation de la vanne (la 'fréquence fixe'), permet d'éliminer du signal de pression l'essentiel des perturbations parasites induites par les ouvertures/fermetures périodiques de la vanne. L'unité de régulation peut comporter en outre un module d'entrée, configuré pour acquérir une information variable, permettant une mise à jour du critère de régulation. Par exemple, le module d'entrée peut permettre l'acquisition d'une nouvelle valeur de pression souhaitée dans la ligne, ou d'une nouvelle plage de pressions acceptables dans la ligne.

Un autre perfectionnement possible du système de régulation de pression selon l'invention consiste à équiper en outre ce système, d'une chambre interposée sur la ligne. Cette chambre forme alors une chambre d'amortissement, permettant de réduire l'importance des fluctuations de pression périodiques induites par les ouvertures/fermetures périodiques de la vanne.

Cette chambre est de préférence disposée à proximité de la vanne.

Cette chambre peut comporter uniquement un orifice d'entrée et un orifice de sortie de fluide, mais peut éventuellement comporter également d'autres orifices d'échange de fluide.

Dans un mode de réalisation, le capteur de pression est configuré pour réaliser des mesures de pression dans la chambre. En d'autres termes, un transducteur sensible à la pression du fluide, et faisant partie du capteur de pression, présente une surface sensible à la pression qui se trouve dans la chambre (voire à proximité immédiate de celle-ci). L'invention concerne également un ensemble de pile à combustible, comprenant une pile à combustible, une ligne d'échappement de la pile en hydrogène ou en oxygène et un système de régulation tel que défini précédemment, configuré pour réguler la pression dans ladite ligne d'échappement de la pile à combustibles. L'invention concerne de plus l'utilisation d'un système de régulation tel que défini précédemment pour réguler la pression d'échappement d'une pile à combustible, sur le circuit d'oxygène ou le circuit d'hydrogène.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de pile à combustible conforme à l'invention ; et - la figure 2 présente des courbes de variation des principales variables du système de régulation de pression de l'ensemble de pile à combustible de la figure 1, lors d'une opération d'ouverture progressive par paliers de la vanne de ce système de régulation de pression.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

La figure 1 présente de manière schématique un ensemble de pile à combustible 1000. L'ensemble de pile à combustible 1000 comporte principalement une pile à combustible 15.

La pile à combustible 15 est alimentée en oxygène depuis un réservoir d'oxygène 10A via une ligne d'oxygène 12A, et en hydrogène depuis un réservoir d'hydrogène 10B via une ligne d'hydrogène 12B.

Le débit dans les lignes d'oxygène et d'hydrogène 12A et 12B est régulé au moyen notamment d'électrovannes commandables 14A et 14B, interposées sur les lignes 12A et 12B.

En aval de la pile 15, le surplus éventuel d'oxygène et l'eau formée par la pile 15 sont évacués par une ligne d'échappement (eau-oxygène) 16A, alors que le surplus éventuel d'hydrogène est évacué par une ligne d'échappement d'hydrogène 16B.

La ligne d'oxygène 12A, la partie de la pile 15 dans laquelle circule l'oxygène et la ligne d'échappement 16A constituent le circuit d'oxygène, alors que la ligne d'hydrogène 12B, la partie de la pile 15 dans laquelle circule l'hydrogène, et la ligne d'échappement 16B constituent le circuit d'hydrogène. L'ensemble de pile à combustible 1000 comprend en outre un système de régulation de pression 100 conforme à l'invention, configuré pour réguler la pression sur les lignes 16A et 16B.

Comme la régulation de pression dans la ligne 16B est fait de manière sensiblement identique à la régulation de pression dans la ligne 16A, seule sera présentée la régulation de pression dans la ligne 16A.

Pour réguler cette pression, le système de régulation de pression 100 comporte une unité de régulation 50, une chambre d'amortissement 30A avec un capteur de pression 40A, une vanne de régulation de pression 20A, et une restriction 22A.

La chambre d'amortissement 30A, la vanne commandable de régulation de pression 20A et la restriction 22A sont interposées dans cet ordre sur la ligne d'échappement 16A en aval de la pile 15 ; sur la ligne 16B sont interposées de la même manière une chambre d'amortissement 30B, une vanne commandable de régulation de pression 20B, et une restriction 22B.

Une des fonctions principales du système de régulation 100 est de réguler la pression dans la ligne 16A. Le maintien d'une pression constante ou du moins régulière dans cette ligne est nécessaire en effet pour permettre un fonctionnement stable de la pile 15. Il est donc nécessaire de réguler la pression dans la ligne 16A, c'est-à-dire, dans le cas présent, de stabiliser cette pression à une valeur souhaitée PO. Ainsi dans le cas présent, le critère prédéterminé que le système 100 vise à respecter est que la pression dans la ligne 16A reste sensiblement égale à la pression PO.

La chambre d'amortissement 30A, interposée sur la ligne 16A en amont de la vanne 20A, est une chambre ayant un certain volume intérieur. Grâce à cette chambre, les fluctuations de pression causées par les oscillations sensiblement périodiques de la vanne 20A sont amorties.

Le capteur de pression 40A est configuré pour réaliser des mesures de pression dans la chambre 30A, en amont de la vanne 20A. Dans ce but, le capteur 40A comporte un transducteur 42A, par exemple du type pont de jauge, sensible à la pression, présentant une surface 44A sensible à la pression qui se trouve dans la chambre 30A.

Les informations de pression collectées à une fréquence régulière par le capteur 40A sont transmises à l'unité de régulation 50.

Cette unité de régulation 50 comporte cinq modules :

Un module de conditionnement de signal de pression 51, un module de filtrage 52, un module d'acquisition de la consigne 53, un module de régulation 54, et un module de conditionnement de signal de sortie 55. Ces modules peuvent être des modules analogiques ou numériques.

Le module de conditionnement de signal de pression 51 est un module électronique qui reçoit en entrée le signal émis par le capteur de pression 40A, et conditionne ou convertit celui-ci en un signal P exploitable par le module de filtrage 52.

Le module de filtrage 52 est un module électronique qui reçoit en entrée le signal de pression P conditionné par le module de conditionnement 51. Il filtre ce signal de manière à fournir une valeur de pression filtrée H dans laquelle la composante fréquentielle dont la fréquence est égale à la fréquence des oscillations (fréquence du cycle de commande MLI) de la vanne 20 est atténuée. Cette atténuation doit valoir au moins 40dB, mais peut être de tout autre valeur selon la situation du système considéré, en fonction notamment du temps de réponse de la vanne, du volume de la capacité, du filtre naturel du capteur,...).

Dans l'exemple présenté, le module de filtrage 52 réalise une fonction de transfert par exemple de la forme suivante :

Dans cette expression : . ζ représente un paramètre d'amortissement fixe ; dans le cas présent, sa valeur est de 0,707 ; et . ω représente la pulsation du filtre choisi, exprimée en Radians par seconde. La fonction de transfert H assurée par le module de filtrage 52 est choisie de manière à réduire les composantes de pression fluctuant à la pulsation ω.

Dans le mode de réalisation présenté, comme la vanne a une première fréquence propre à une fréquence de 30Hz, cette pulsation ω vaut ω = 30*27i*f soit environ 188,5 Rad/s.

Le signal de pression filtré H produit par le module de filtrage 52 est transmis au module de régulation 54.

Le module d'acquisition ou module d'acquisition de consignes 53, quant à lui, sert à transmettre à l'unité de régulation 50 de nouvelles valeurs, de nouvelles consignes pour le critère de régulation. Il permet par exemple de faire varier la pression PO à laquelle la pression P dans la ligne 16A est régulée. Les valeurs acquises par le module d'acquisition 53 sont transmises au module de régulation 54.

Le module de régulation 54, sur la base du signal de pression filtré H, détermine les commandes de la vanne 20A de manière à respecter le critère de régulation visé (éventuellement mis à jour par des informations transmises par le module d'acquisition 53).

Dans une première étape, l'unité de régulation détermine le débit souhaité dans la vanne à partir du signal de pression filtré H reçu du module de filtrage 52, de telle sorte que la pression en amont de la vanne respecte le critère prédéterminé, à savoir, dans le cas présent, reste égale à la pression PO.

Puis dans une deuxième étape, l'unité de régulation détermine le rapport cyclique R de la vanne 20A à partir du débit souhaité déterminé lors de la première étape.

Les deux premières étapes peuvent éventuellement être réalisées en une seule opération : dans ce cas, le module 54 définit la valeur souhaitée pour le rapport cyclique R, en fonction du signal de pression filtré H reçu du module de filtrage 52, de telle sorte que la pression en amont de la vanne respecte le critère prédéterminé.

Une fois que cette valeur souhaitée pour le rapport cyclique R est définie, dans une troisième étape, le module 54 convertit cette valeur R en une commande ou une suite de commandes T définissant les périodes d'ouverture/fermeture de la vanne 20A. La durée des périodes d'ouverture est modulée de telle sorte que le rapport cyclique R de la vanne 20A soit égal à la valeur déterminée par la deuxième étape de traitement.

De manière connue en soi, cette troisième étape peut être réalisée par une méthode de modulation de largeur d'impulsion dite « intersective ». Suivant cette méthode, on compare le signal d'entrée (qui est dans le cas présent la valeur souhaitée du rapport cyclique R) à un signal triangulaire. Le signal de sortie, qui définit le degré d'ouverture de la vanne 20A, vaut alors 1 si le signal d'entrée est supérieur au signal triangulaire, et 0 sinon. Le signal de sortie change donc d’état à chaque intersection entre le signal d'entrée et le signal triangulaire.

Le module de conditionnement de signal de sortie 55, reçoit alors le signal de sortie T produit par le module de régulation 54, et effectue une conversion (de tension, puissance, ou autre) de manière à obtenir un signal S adapté à la voie de commande de la vanne 20A.

Ce signal S est alors transmis à la vanne 20A qui adopte la position spécifiée par le signal reçu.

La figure 2 illustre, pour une période de temps donnée, un exemple de commandes d'ouverture/fermetures élaborées par l'unité de régulation 50 et transmises à la vanne 20A.

La courbe du haut représente les variations du rapport cyclique R de la vanne 20A en fonction du temps.

La courbe du milieu représente les variations du degré d'ouverture O de la vanne 20A en fonction du temps.

La courbe du bas représente les variations de la pression P dans la ligne 16A en fonction du temps.

La vanne 20A est une vanne conçue pour osciller entre une position ouverte et une position fermée. Son degré d'ouverture O varie donc entre une valeur 0 quand la vanne est fermée et une valeur 1 quand la vanne est ouverte.

La vanne 20A reçoit des commandes d'ouverture/fermeture qui lui imposent, à intervalle fixe (ou fréquence fixe) des périodes d'ouverture Oi. Entre les périodes d'ouverture Oi, la vanne est fermée (0=0).

Dans l'exemple présenté, la durée des intervalles fixes est fixée à une valeur T de 33,3 ms. La fréquence correspondante, 1/T, est égale à 30Hz.

Dans l'exemple présenté, la fréquence des périodes d'ouverture est considérée comme la fréquence des commandes d'ouverture. Celles-ci sont transmises à fréquence fixe, aux instants T, 2T, 3T, 4T, etc. On comprend cependant que, tout en restant dans le cadre de l'invention, la fréquence des périodes d'ouverture Oi pourrait également être fondée sur un autre paramètre dépendant des instants des commandes d'ouverture/fermeture de la vanne 20A. Par exemple, la fréquence des périodes d'ouverture pourrait être déterminée à partir des instants de fin des périodes d'ouverture (instants de commandes de fermeture). Elle pourrait aussi être déterminée à partir des instants médian des périodes d'ouverture Oi.

La durée des périodes d'ouverture O, est modulée par l'unité de régulation 50 de telle sorte que la pression dans la ligne reste en permanence égale ou sensiblement égale à la valeur souhaitée.

Dans ce but, pendant la période de temps représentée par la figure 2, l'unité de régulation détermine (au cours des première et deuxième étape de traitement indiquées précédemment) que le rapport cyclique R doit évoluer de la manière suivante : De l'instant initial à un instant tO, la vanne 20 doit rester fermée. De l'instant tO à un instant tl, le rapport cyclique de la vanne doit être égal à 0,25. A partir de l'instant tl, le rapport cyclique de la vanne doit valoir 0,5.

Cette commande concernant le rapport cyclique R est transcrite sous forme de commandes de périodes d'ouverture Oi en modifiant la durée des périodes d'ouverture Oi : Pendant la période précédent tO, la vanne doit rester fermée : la durée des périodes d'ouverture reste nulle.

De l'instant tO à l'instant tl, il y a trois périodes d'ouverture 01 à 03. Pour que le ratio cyclique soit égal à 0,25, la durée des périodes d'ouverture est de T/4. A partir de l'instant tl, le rapport cyclique devient égal à 0,5. La durée des périodes d'ouverture devient alors de T/2.

Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Le comburant utilisé par la pile à combustible peut par exemple être de l'air au lieu de l'oxygène. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS

   1. Système de régulation de pression (100) pour réguler une pression dans une ligne de fluide (16A) de telle sorte que cette pression respecte un critère de régulation prédéterminé, comportant une vanne (20A) commandable en mode tout-ou-rien disposée à une extrémité aval de la ligne (16A) et apte à osciller entre une position ouverte et une position fermée, un capteur de pression (40A) relié à la ligne (16A) et permettant de mesurer la pression dans la ligne, et une unité de régulation (50) configurée pour élaborer et transmettre à la vanne (20A) des commandes d'ouverture/fermeture déterminées en fonction de la pression mesurée, lesdites commande imposant à la vanne à fréquence fixe des périodes d'ouverture (Oi), la durée de celles-ci étant modulée de telle sorte que la pression dans la ligne respecte ledit critère prédéterminé.
2. 2. Système de régulation de pression (100) selon la revendication 1, dont l'unité de régulation (50) comporte un module de filtrage (52), configuré pour fournir une valeur de pression filtrée dans laquelle une composante fréquentielle dont la fréquence est égale à ladite fréquence fixe est atténuée d'au moins 40dB, et un module de régulation (54), configuré pour déterminer une commande de la vanne en fonction de la valeur de pression filtrée.
3. 3. Système de régulation de pression (100) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une chambre (30A) interposée sur la ligne.
4. 4. Système de régulation de pression (100) selon la revendication 3, dans lequel le capteur de pression (40A) est configuré pour réaliser des mesures de pression dans la chambre (30A).
5. 5. Système de régulation de pression (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'unité de régulation (50) est configurée pour dans une première étape, élaborer une commande du débit en fonction de la pression mesurée, et, dans une deuxième étape, déterminer lesdites commandes d'ouverture/fermeture de la vanne en fonction du débit.
6. 6. Ensemble de pile à combustible (1000), comprenant une pile à combustible (15), une ligne d'échappement (16A) de la pile et un système de régulation (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, configuré pour réguler la pression dans ladite ligne d'échappement (16A) de la pile à combustibles (15).
7. 7. Utilisation d'un système de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour réguler la pression d'échappement d'une pile à combustible (15) sur le circuit d'oxygène ou le circuit d'hydrogène.