WO2017129906A1 - Système de régulation de pression, ensemble de pile à combustible et utilisation du système de régulation - Google Patents

Système de régulation de pression, ensemble de pile à combustible et utilisation du système de régulation Download PDF

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Serge Daniel LE GONIDEC
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a pressure control system, the system for regulating the pressure in a fluid line so that the pressure meets a predetermined criterion.
  • the invention particularly relates to the regulation of pressure in fuel cell exhaust lines, whether it is the exhaust line of the oxygen circuit (which serves to evacuate the mixture of water and oxygen produced by the stack) or be it the exhaust line of the hydrogen circuit (which is used to evaluate the hydrogen not consumed by the battery).
  • igne designates a fluid channel, this channel possibly being able to include equipment for transporting the fluid such as valves, etc.
  • PEMFCs proton exchange membrane fuel cells
  • HT high temperature
  • the pressure regulation is carried out by means of a continuous control valve.
  • a continuous control valve can take positions continuously between a closed position and an open position.
  • the control valve is controlled by a control unit, associated with a pressure sensor. Thanks to the pressure information in the line, measured by the pressure sensor, the control unit continuously varies the degree of opening of the valve, so that the pressure in the line is established at the value desired.
  • the object of the invention is therefore to propose a pressure regulation system for regulating a pressure in a fluid line such that this pressure meets a predetermined criterion, a system that is simpler and less expensive than the prior systems. while remaining very reliable.
  • controllable valve in all-or-nothing mode arranged on the line or at a downstream end of the line (preferably at the downstream end thereof) and able to oscillate between an open position and a closed position, a sensor pressure sensor connected to the line and for measuring the pressure in the line, and a control unit configured to develop and transmit to the valve opening / closing commands determined according to the measured pressure, said command imposing on the valve fixed frequency opening periods, the duration thereof being modulated so that the pressure in the line meets said predetermined criterion.
  • the pressure regulation is intended to ensure that the pressure in the line meets a predetermined criterion. Most often, this criterion is simply defined by a pressure or a desired pressure range: the pressure is then regulated in the line so that the pressure is permanently equal to the desired pressure, or remains permanently in the range of desired pressure.
  • the criterion can for example define the values or ranges of values desired for the pressure in the line, as a function of time.
  • the system comprises as main fluid component a controllable valve in all-or-nothing mode; this valve is usually a solenoid valve.
  • a controllable valve in all-or-nothing mode is usually a solenoid valve.
  • a solenoid valve is usually a solenoid valve.
  • this controllable valve is the only valve disposed on the exhaust line and involved in the pressure regulation in this line.
  • the exhaust line then has no other valve for pressure regulation.
  • it may not include any pressure limiting / regulation valve, whether a limiter or a pressure regulator, respectively configured to ensure (especially by mechanical means) that the pressure upstream or downstream respectively of the limiter or respectively the controller remains below a predetermined value.
  • the exhaust line could of course include a pressure limiter calibrated to a value such that in normal operation it does not intervene in the regulation of the pressure in the exhaust line).
  • the controllable valve is able to oscillate between an open position and a closed position, that is to say to pass alternately from one position to another, repeatedly and at a relatively fast rate.
  • the control unit allows, by relatively simple functions to be grouped on an electronic card, to control the controllable valve.
  • the regulation is of the type 'pulse width modulation' (PWM).
  • PWM pulse width modulation'
  • Such a command can be implemented on an electronic card.
  • control can be achieved by controlling - and thus varying - the value of the duty cycle of the valve (ratio of opening time to total time) as a function of time.
  • a regulation mode allows a substantially continuous regulation of the flow rate through the valve, and this although the valve is not a continuous control valve.
  • the controller may be configured to implement any known algorithm or control technology.
  • the control unit can perform a PID type control.
  • the regulation performed may be more complex, and example integrator type, advance / delay, selective filter, low-pass filter, or other.
  • the control unit is configured for in a first step, to develop a flow control (the flow of fluid through the valve) in function of the measured pressure.
  • This step can be carried out by any known method of regulating the pressure as a function of the flow rate.
  • the methods indicated previously PID type regulation, advance / delay, selective filter, and / or low-pass filter can be implemented during this step.
  • control unit is also configured to determine, in a second step, the valve opening / closing commands indicated above as a function of the flow rate.
  • Pulse width modulation control is used to control the flow rate of fluid passing through the valve. It has been found that such control is sufficient and effective for regulating the pressure in a line.
  • these fluctuations are negligible.
  • control unit comprises a filtering module, configured to provide a filtered pressure value in which a frequency component whose frequency is equal to said fixed frequency is attenuated by at least 40 dB, and a regulation module, configured to determine a control of the valve as a function of the filtered pressure value.
  • the elimination, in the pressure signal, of the frequency component corresponding to the oscillation frequency of the valve allows to eliminate the pressure signal most parasitic disturbances induced by the periodic opening / closing of the valve.
  • the regulation unit may furthermore comprise an input module, configured to acquire variable information, enabling the regulation criterion to be updated.
  • the input module may allow the acquisition of a new desired pressure value in the line, or a new range of acceptable pressures in the line.
  • Another possible improvement of the pressure regulating system according to the invention is to further equip this system with a chamber interposed on the line. This chamber then forms a damping chamber, to reduce the importance of periodic pressure fluctuations induced by the periodic openings / closures of the valve.
  • This chamber is preferably disposed near the valve.
  • This chamber may comprise only an inlet orifice and a fluid outlet orifice, but may optionally also comprise other fluid exchange orifices.
  • the pressure sensor is configured to perform pressure measurements in the chamber.
  • a transducer sensitive to the pressure of the fluid, and forming part of the pressure sensor has a pressure sensitive surface that is in the chamber (or in close proximity thereto).
  • a second object of the invention is to propose a fuel cell assembly comprising a pressure regulation system for regulating the pressure in an exhaust line of the cell so that this pressure meets a predetermined criterion, such that the fuel cell assembly is simpler, less expensive than previous fuel cell assemblies providing pressure control in at least one exhaust line of the cell, while remaining highly reliable.
  • a fuel cell assembly comprising a fuel cell, a hydrogen or oxygen cell exhaust line, and a control system as defined previously configured to regulate the pressure in said exhaust line of the fuel cell.
  • the invention further relates to the use of a control system as defined above for regulating the exhaust pressure of a fuel cell, in particular the exhaust pressure in the exhaust line of the oxygen circuit. of the battery and / or in the exhaust line of the hydrogen circuit of the battery.
  • a control system as defined above for regulating the exhaust pressure of a fuel cell, in particular the exhaust pressure in the exhaust line of the oxygen circuit. of the battery and / or in the exhaust line of the hydrogen circuit of the battery.
  • the control system regulates the pressure jointly in the two exhaust lines, each of the different characteristics previously envisaged for the regulation of pressure in the exhaust line may then be possibly provided for the two exhaust lines.
  • the invention also relates to a fuel cell assembly comprising a fuel cell, a stack exhaust line and a control system configured to regulate a pressure in the exhaust line of the cell such that this pressure respects a predetermined control criterion;
  • control system comprising:
  • a pressure sensor connected to the exhaust line and making it possible to measure the pressure in the exhaust line
  • control unit configured to develop and transmit to the valve opening / closing commands determined as a function of the measured pressure, said commands imposing on the fixed frequency valve opening periods, the duration of these being modulated so that the pressure in the line meets said predetermined criterion.
  • control unit includes a filter module, configured to provide a filtered pressure value in which a frequency component whose frequency is equal to said fixed frequency is attenuated by at least 40 dB, and a module control, configured to determine a control of the valve as a function of the filtered pressure value.
  • the fuel cell assembly further includes a chamber interposed on the exhaust line.
  • the pressure sensor can in particular be configured to perform pressure measurements in the chamber.
  • control unit is configured for in a first step, developing a control of the flow rate as a function of the measured pressure, and, in a second step, determining the said opening / closing commands of the valve. flow function.
  • control system is configured to regulate the exhaust pressure in the exhaust line of an oxygen circuit of the fuel cell or the exhaust line of a hydrogen circuit of the fuel system. battery.
  • FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell assembly according to the invention.
  • FIG. 2 shows variation curves of the main variables of the pressure regulation system of the fuel cell assembly of FIG. 1, during a stepwise progressive opening operation of the valve of this regulation system. pressure.
  • Figure 1 schematically shows a fuel cell assembly 1000.
  • the fuel cell assembly 1000 mainly comprises a fuel cell 15.
  • the fuel cell 15 is supplied with oxygen from an oxygen tank 10A via an oxygen line 12A, and hydrogen from a hydrogen reservoir 10B via a hydrogen line 12B.
  • the flow rate in the oxygen and hydrogen lines 12A and 12B is regulated, in particular by means of controllable solenoid valves 14A and 14B, interposed on the lines 12A and 12B.
  • the oxygen line 12A, the portion of the cell 15 in which the oxygen flows and the exhaust line 16A constitute the oxygen circuit, while the hydrogen line 12B, the part of the cell 15 in which circulates the hydrogen, and the exhaust line 16B constitute the hydrogen circuit.
  • the fuel cell assembly 1000 further comprises a pressure control system 100 according to the invention, configured to regulate the pressure on the lines 16A and 16B.
  • the pressure control system 100 comprises a regulating unit 50, a damping chamber 30A with a pressure sensor 40A, a pressure regulating valve 20A, and a restriction 22A.
  • the damping chamber 30A, the controllable pressure control valve 20A and the restriction 22A are interposed in this order on the exhaust line 16A downstream of the stack 15; on the line 16B are interposed in the same way a damping chamber 30B, a controllable pressure regulating valve 20B, and a restriction 22B.
  • One of the main functions of the control system 100 is to regulate the pressure in the line 16A. Maintaining a constant or at least regular pressure in this line is indeed necessary to allow stable operation of the cell 15. It is therefore necessary to regulate the pressure in the line 16A, that is to say, in in this case, to stabilize this pressure to a desired value P0.
  • the predetermined criterion that the system 100 aims to meet is that the pressure in the line 16A remains substantially equal to the pressure P0.
  • the damping chamber 30A interposed on the line 16A upstream of the valve 20A, is a chamber having a certain volume inside. Thanks to this chamber, the pressure fluctuations caused by the substantially periodic oscillations of the valve 20A are damped.
  • the pressure sensor 40A is configured to perform pressure measurements in the chamber 30A, upstream of the valve 20A.
  • the sensor 40A comprises a transducer 42A, for example of the gauge type, sensitive to pressure, having a pressure-sensitive surface 44A which is in the chamber 30A.
  • the pressure information collected at a regular frequency by the sensor 40A is transmitted to the control unit 50.
  • This control unit 50 has five modules:
  • a pressure signal conditioning module 51 a filtering module 52, a command acquisition module 53, a regulation module 54, and an output signal conditioning module 55. These modules can be analog modules or digital.
  • the pressure signal conditioning module 51 is an electronic module which receives as input the signal emitted by the pressure sensor 40A, and conditions or converts it into a signal P that can be used by the filter module 52.
  • the filtering module 52 is an electronic module which receives as input the pressure signal P conditioned by the conditioning module 51. It filters this signal so as to provide a filtered pressure value H in which the frequency component whose frequency is equal the oscillation frequency (frequency PWM control cycle) of the valve 20 is attenuated.
  • This attenuation must be at least 40dB, but may be of any other value depending on the situation of the considered system, depending in particular on the response time of the valve, the volume of the capacity, the natural filter of the sensor, etc.
  • the filtering module 52 performs a transfer function, for example of the following form: In this expression:
  • ⁇ represents a fixed damping parameter; in this case, its value is 0.707;
  • ⁇ represents the pulsation of the chosen filter, expressed in Radians per second.
  • the transfer function H provided by the filter module 52 is chosen so as to reduce the pressure components fluctuating at the pulsation ⁇ .
  • the filtered pressure signal H produced by the filtering module 52 is transmitted to the regulation module 54.
  • the acquisition module or setpoint acquisition module 53 is used to transmit to the control unit 50 new values, new instructions for the regulation criterion. It allows for example to vary the pressure P0 at which the pressure P in the line 16A is regulated.
  • the values acquired by the acquisition module 53 are transmitted to the regulation module 54.
  • the regulation module 54 determines the commands of the valve 20A so as to meet the target regulation criterion (possibly updated by information transmitted by the acquisition module 53).
  • control unit determines the desired flow rate in the valve from the filtered pressure signal H received from the filter module 52, so that the pressure upstream of the valve meets the predetermined criterion, namely in this case, remains equal to the pressure P0.
  • control unit determines the duty cycle R of the valve 20A from the desired flow rate determined in the first step.
  • the first two steps may possibly be carried out in a single operation: in this case, the module 54 defines the desired value for the duty ratio R, as a function of the filtered pressure signal H received from the filtering module 52, so that the pressure upstream of the valve meets the predetermined criteria. Once this desired value for the duty cycle R is set, in a third step, the module 54 converts this value R into a command or a sequence of commands T defining the opening / closing periods of the valve 20A. The duration of the opening periods is modulated so that the duty cycle R of the valve 20A is equal to the value determined by the second treatment step.
  • this third step can be performed by an "intersective" pulse width modulation method.
  • the input signal (which is in this case the desired value of the duty ratio R) is compared to a triangular signal.
  • the output signal, which defines the degree of opening of the valve 20A, is then 1 if the input signal is greater than the triangular signal, and 0 otherwise. The output signal therefore changes state at each intersection between the input signal and the triangular signal.
  • the output signal conditioning module 55 then receives the output signal T produced by the regulation module 54, and performs a conversion (of voltage, power, or other) so as to obtain a signal S adapted to the signal path. control of the valve 20A.
  • This signal S is then transmitted to the valve 20A which adopts the position specified by the received signal.
  • FIG. 2 illustrates, for a given period of time, an example of opening / closing commands developed by the regulation unit 50 and transmitted to the valve 20A.
  • the upper curve represents the variations of the duty ratio R of the valve 20A as a function of time.
  • the middle curve represents the variations of the degree of opening O of the valve 20A as a function of time.
  • the bottom curve represents the variations of the pressure P in line 16A as a function of time.
  • the valve 20A is a valve designed to oscillate between an open position and a closed position. Its degree of opening O thus varies between a value 0 when the valve is closed and a value 1 when the valve is open.
  • the duration of the fixed intervals is set to a T value of 33.3 ms.
  • the corresponding frequency, 1 T is equal to 30 Hz.
  • the frequency of the opening periods is considered as the frequency of the opening orders. These are transmitted at a fixed frequency, at times T, 2T, 3T, 4T, and so on.
  • the frequency of the opening periods Oi could also be based on another parameter depending on the times of the opening / closing commands of the valve 20A.
  • the frequency of the opening periods could be determined from the times of the end of the opening periods (moments of closing orders). It could also be determined from the median moments of the opening periods Oi.
  • the duration of the opening periods Oj is modulated by the control unit 50 so that the pressure in the line remains permanently equal to or substantially equal to the desired value.
  • the control unit determines (during the first and second processing steps indicated above) that the duty ratio R must change as follows: From the initial time at a time t0, the valve 20 must remain closed. From time t0 to time t1, the duty cycle of the valve must be equal to 0.25. From time t1, the duty ratio of the valve must be 0.5.
  • This command concerning the duty ratio R is transcribed in the form of orders of opening periods Oi by modifying the duration of the opening periods Oi: During the preceding period tO, the valve must remain closed: the duration of the opening periods remains nothing.
  • the duration of the opening periods is T / 4.
  • the duty cycle becomes equal to 0.5.
  • the duration of the opening periods then becomes T / 2.

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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

Système de régulation de pression, ensemble de pile à combustible et utilisation du système de régulation
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un système de régulation de pression, ce système servant à réguler la 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 du circuit d'oxygène (qui sert à évacuer le mélange d'eau et d'oxygène produit par la pile) ou que ce soit la ligne d'échappement du circuit d'hydrogène (qui sert à évaluer l'hydrogène non consommé par la pile).
Dans ce document, le terme igne' 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 sur la ligne ou à une extrémité aval de la ligne (de préférence à l'extrémité aval de celle-ci) 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.
De préférence, cette vanne commandable est la seule vanne disposée sur la ligne d'échappement et intervenant dans la régulation de pression dans cette ligne. La ligne d'échappement ne comporte alors aucune autre vanne pour la régulation de pression. Notamment, elle peut ne comporter aucune valve de limitation/régulation de pression, que ce soit un limiteur ou un régulateur de pression, configurés respectivement pour assurer (notamment par des moyens mécaniques) que la pression en amont ou respectivement en aval du limiteur ou respectivement du régulateur reste inférieure à une valeur prédéterminée. (La ligne d'échappement pourrait cependant bien sûr comporter un limiteur de pression taré à une valeur telle qu'en fonctionnement normal il n'intervienne pas dans la régulation de la pression dans la ligne d'échappement).
La vanne commandable 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 œuvre 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 MU 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).
Enfin, un second objectif de l'invention est de proposer un ensemble de pile à combustible comprenant un système de régulation de pression permettant de réguler la pression dans une ligne d'échappement de la pile de telle sorte que cette pression respecte un critère prédéterminé, de telle sorte que cet ensemble de pile à combustible soit plus simple, moins coûteux que les ensembles de pile à combustible antérieurs assurant une régulation de pression dans au moins une ligne d'échappement de la pile, tout en demeurant de grande fiabilité.
Cet objectif est atteint grâce à 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, notamment la pression d'échappement dans la ligne d'échappement du circuit d'oxygène de la pile et/ou dans la ligne d'échappement du circuit d'hydrogène de la pile. Dans le cas où le système de régulation régule la pression conjointement dans les deux lignes d'échappement, chacune des différentes caractéristiques envisagées précédemment pour la régulation de pression dans la ligne d'échappement peut alors être éventuellement prévue pour les deux lignes d'échappement.
L'invention concerne également un ensemble de pile à combustible, comprenant une pile à combustible, une ligne d'échappement de la pile et un système de régulation configuré pour réguler une pression dans la ligne d'échappement de la pile de telle sorte que cette pression respecte un critère de régulation prédéterminé ;
le système de régulation comportant :
- un capteur de pression relié à la ligne d'échappement et permettant de mesurer la pression dans la ligne d'échappement ;
- une vanne commandable en mode tout-ou-rien disposée sur la ligne d'échappement et apte à osciller entre une position ouverte et une position fermée ; 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 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.
Dans un mode de réalisation, l'ensemble de pile à combustible comprend en outre une chambre interposée sur la ligne d'échappement. Le capteur de pression peut alors notamment être configuré pour réaliser des mesures de pression dans la chambre.
Dans un mode de réalisation, l'unité de régulation 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.
Dans un mode de réalisation, le système de régulation est configuré pour réguler la pression d'échappement dans la ligne d'échappement d'un circuit d'oxygène de la pile ou la ligne d'échappement d'un circuit d'hydrogène de la pile.
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 P0. 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 P0.
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 :
Figure imgf000011_0001
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*2π*ί 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 P0 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 P0.
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 (O=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 Oj 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 Ol 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

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. 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. Système de régulation de pression (100) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une chambre (30A) interposée sur la ligne.
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. 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. 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. 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.
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