FR2928777A1 - Fuel cell ageing estimation device for motor vehicle, has mathematical observer connected to determination unit to determine starting value of ageing coefficient of fuel cell and to receive signals representing parameters and over voltage - Google Patents
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Abstract
Dispositif d'estimation (1) du vieillissement d'une pile à combustible dû à l'empoisonnement au monoxyde de carbone, comprenant un moyen de détermination (3) d'une pluralité de paramètres de fonctionnement anodique (E) de la pile à combustible. Il comprend un moyen de mesure (2) d'une surtension anodique (etaa), un observateur mathématique (4) apte à déterminer une valeur estimée d'au moins une variable d'état (Theta0) des anodes de la pile à combustible, l'observateur (4) étant relié à un moyen de détermination d'au moins une valeur de départ d'un coefficient de vieillissement (lambdaco0) et recevant des signaux représentatifs des paramètres de fonctionnement anodiques (E) et de la surtension anodique (etaa).Device for estimating (1) the aging of a fuel cell due to carbon monoxide poisoning, comprising means for determining (3) a plurality of anode operation parameters (E) of the fuel cell . It comprises a means (2) for measuring an anode overvoltage (etaa), a mathematical observer (4) able to determine an estimated value of at least one state variable (Theta0) of the anodes of the fuel cell, the observer (4) being connected to a means for determining at least one starting value of an aging coefficient (lambdaco0) and receiving signals representative of the anode operating parameters (E) and the anodic overvoltage (etaa ).
Description
B07-2160FR ù EGA/EVH B07-2160EN ù EGA / EVH
Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Dispositif et procédé d'estimation du vieillissement d'une pile à combustible. Invention de : BEN-CHERIF Karim DI-PENTA Damiano SORINE Michel ZHANG Qinghua Dispositif et procédé d'estimation du vieillissement d'une pile à combustible. Simplified joint stock company known as: RENAULT s.a.s. Device and method for estimating aging of a fuel cell. Invention of: BEN-CHERIF Karim DI-PENTA Damiano SORINE Michel ZHANG Qinghua Device and method for estimating the aging of a fuel cell.
L'invention concerne le domaine des piles à combustible, et en particulier le domaine du contrôle, de la surveillance ou du diagnostic des piles à combustible. L'invention concerne notamment les piles à combustible exposées au monoxyde de carbone telles que des systèmes de piles à combustible embarqués sur véhicules automobiles et dont l'anode est alimentée en hydrogène par un réformeur de carburant. Les piles à combustibles utilisent un catalyseur anodique facilitant la combinaison d'hydrogène et d'oxygène en générant un courant dans la pile à combustible. Lorsque de tels catalyseurs anodiques sont exposés à du monoxyde de carbone CO, une proportion des sites catalytiques est occupée par le monoxyde de carbone CO au détriment de la réaction chimique principale de la pile à combustible. Cela fait chuter les performances de la pile à combustible. Cela crée une surtension anodique. Pour réduire la proportion de sites catalytiques occupés par le monoxyde de carbone CO, on utilise une purge à air appelée parfois air bleed . De l'air est introduit dans l'anode pour que les monoxydes de carbone CO stockés sur les sites catalytiques soient transformés en dioxyde de carbone CO2. La quantité d'oxygène introduite reste faible pour ne pas provoquer d'explosion avec l'hydrogène en provenance du réformeur. Par la demande de brevet CA 2 292 993, on connaît une méthode pour faire fonctionner des piles à combustible avec des combustibles impurs. Une concentration variable d'oxygène est introduite dans l'anode pour purger les impuretés, et notamment les monoxydes de carbone CO stockés. La concentration d'oxygène à introduire est déterminée par un capteur situé dans les cellules de la pile à combustible. Le capteur est sensible aux monoxydes de carbone CO du flux traversant l'anode. The invention relates to the field of fuel cells, and in particular the field of control, monitoring or diagnosis of fuel cells. The invention particularly relates to fuel cells exposed to carbon monoxide such as fuel cell systems on motor vehicles and whose anode is supplied with hydrogen by a fuel reformer. Fuel cells use an anode catalyst that facilitates the combination of hydrogen and oxygen by generating a current in the fuel cell. When such anode catalysts are exposed to carbon monoxide CO, a proportion of the catalytic sites is occupied by carbon monoxide CO at the expense of the main chemical reaction of the fuel cell. This lowers the performance of the fuel cell. This creates an anodic surge. To reduce the proportion of catalytic sites occupied by carbon monoxide CO, an air purge sometimes called air bleed is used. Air is introduced into the anode so that carbon monoxide CO stored at the catalytic sites is converted to CO2 carbon dioxide. The amount of oxygen introduced remains low so as not to cause an explosion with hydrogen from the reformer. Patent application CA 2 292 993 discloses a method for operating fuel cells with impure fuels. A variable concentration of oxygen is introduced into the anode to purge the impurities, and in particular the CO carbon monoxides stored. The concentration of oxygen to be introduced is determined by a sensor located in the cells of the fuel cell. The sensor is sensitive to carbon monoxides CO of the flow through the anode.
L'inconvénient d'un tel système est que le lien entre la concentration en monoxydes de carbone CO mesurée et la quantité d'oxygène introduite est déterminé pour un mode de fonctionnement nominal de la pile à combustible. The disadvantage of such a system is that the link between the carbon monoxide CO concentration measured and the amount of oxygen introduced is determined for a nominal mode of operation of the fuel cell.
Or, malgré les corrections apportées, la purge des monoxydes de carbone CO stockés n'est pas complète. La combinaison du monoxyde de carbone avec le catalyseur de la pile à combustible n'est pas entièrement réversible. Progressivement, la proportion des sites catalytiques occupés par des impuretés comme le monoxyde de carbone augmente. Cela réduit d'autant la performance de la pile à combustible. Cela modifie le point de fonctionnement du système à pile à combustible. Un besoin général existe de cerner les causes de dérive des points de fonctionnement d'un système de pile à combustible. En effet, de nombreuses régulations ou dispositifs de correction utilisent une cartographie de fonctionnement du système de pile à combustible. Une correction, qui a pu être adaptée lorsque la pile à combustible était dans son fonctionnement nominal, s'avère ne plus correspondre lorsque le point de fonctionnement de la pile à combustible dérive. La dégradation des performances due à l'empoisonnement progressif des sites catalytiques par du monoxyde de carbone CO est amplifiée par la dégradation induite des systèmes de régulation de la pile à combustible. L'invention propose un dispositif et un procédé d'estimation du vieillissement de pile à combustible dû à l'empoisonnement au monoxyde de carbone. Selon un mode de réalisation, le dispositif d'estimation du vieillissement d'une pile à combustible dû à l'empoisonnement au monoxyde de carbone, comprend un moyen de détermination d'une pluralité de paramètres de fonctionnement anodique (E) de la pile à combustible. Le dispositif comprend un moyen de mesure d'une surtension anodique (na), un observateur mathématique apte à déterminer une valeur estimée d'au moins une variable d'état 'Do/ des anodes de la pile à combustible, l'observateur étant relié à un moyen de détermination d'au moins une valeur de départ d'un coefficient de vieillissement (xc°o) et recevant des signaux représentatifs des paramètres de fonctionnement anodiques (E) et de la surtension anodique (na). On entend par observateur mathématique un estimateur mathématique présentant une boucle d'asservissement. (à compléter par l'inventeur). Selon des variantes, les paramètres de fonctionnement de la pile à combustible comprennent au moins la température (T) de la pile à combustible, ou le courant (I) traversant la pile à combustible, ou la pression anodique (P), la fraction molaire des gaz anodiques contenant de l'hydrogène (XH2), ou de l'oxygène (XO2), ou du monoxyde de carbone (Xco)• Selon des variantes, les variables d'états de la pile à combustible comprennent au moins la fraction des sites catalytiques occupés par du monoxyde de carbone " COI, ou par de l'oxygène ' 02/, ou par de l'hydrogène ( H2). Dans le dispositif, le fait que l'observateur mathématique soit relié à une valeur de départ possible du coefficient de vieillissement de la pile à combustible fait que la variable d'état estimée (O0) est affectée par la vraisemblance de ladite valeur de départ du coefficient. Cela permet de qualifier le coefficient de vieillissement entré, et finalement de déterminer une valeur plus vraisemblable de ce coefficient de vieillissement de la pile à combustible dû à l'empoisonnement de l'anode au monoxyde de carbone. Avantageusement, l'observateur mathématique comprend un filtre de Kalman. Avantageusement, le moyen de détermination d'au moins une valeur de départ du coefficient de vieillissement (Xc°o) est également apte à calculer une série de valeurs d'échantillonnage dudit coefficient de vieillissement (~CO~~ le dispositif comprenant en outre un moyen de détermination d'une série de valeurs desdites variables d'état (cl relié au moyen de détermination des paramètres de fonctionnement anodiques (E), et recevant des signaux représentatifs des valeurs d'échantillonnage du coefficient de vieillissement (XCOi) Le moyen de détermination d'une série de variables d'état (O~) peut être, par exemple, une cartographie donnant ses variables d'état (O~~ en fonction des paramètres de fonctionnement anodique (E) de la pile à combustible et d'un coefficient de vieillissement dû à l'empoisonnement de la pile à combustible au monoxyde de carbone. Le fait de connaître également les valeurs, en temps réel, des paramètres de fonctionnement (E) permet de déduire, pour chaque coefficient de vieillissement, ce que devrait être les variables d'état (O,). En comparant avec la variable d'état estimée (Oo) issue de la mesure de la surtension réelle, on en déduit la valeur la plus probable du coefficient de vieillissement (,co). However, despite the corrections made, the purge of CO carbon monoxides stored is not complete. The combination of carbon monoxide with the fuel cell catalyst is not fully reversible. Gradually, the proportion of catalytic sites occupied by impurities such as carbon monoxide increases. This reduces the performance of the fuel cell accordingly. This changes the operating point of the fuel cell system. There is a general need to identify the causes of drift from the operating points of a fuel cell system. Indeed, many regulations or correction devices use an operational map of the fuel cell system. A correction, which could be adapted when the fuel cell was in its nominal operation, is no longer matched when the operating point of the fuel cell drifts. The degradation of performance due to the progressive poisoning of catalytic sites by carbon monoxide CO is amplified by the induced degradation of fuel cell control systems. The invention provides a device and method for estimating fuel cell aging due to carbon monoxide poisoning. According to one embodiment, the device for estimating the aging of a fuel cell due to carbon monoxide poisoning, comprises means for determining a plurality of anode operation parameters (E) of the fuel cell. combustible. The device comprises a means for measuring an anode overvoltage (na), a mathematical observer capable of determining an estimated value of at least one state variable 'C' / anodes of the fuel cell, the observer being connected means for determining at least one starting value of an aging coefficient (xc o) and receiving signals representative of the anode operating parameters (E) and the anode overvoltage (na). A mathematical observer is understood to mean a mathematical estimator having a servo loop. (to be completed by the inventor). According to variants, the operating parameters of the fuel cell comprise at least the temperature (T) of the fuel cell, or the current (I) passing through the fuel cell, or the anode pressure (P), the molar fraction anode gases containing hydrogen (XH2), or oxygen (XO2), or carbon monoxide (Xco) • According to variants, the fuel cell state variables comprise at least the fraction of catalytic sites occupied by carbon monoxide "COI, or by oxygen" 02 /, or by hydrogen (H2) In the device, the fact that the mathematical observer is connected to a possible starting value of the aging coefficient of the fuel cell causes the estimated state variable (O0) to be affected by the likelihood of said coefficient starting value, which makes it possible to qualify the aging coefficient entered, and finally to determine a value more likely of this aging coefficient of the fuel cell due to poisoning of the carbon monoxide anode. Advantageously, the mathematical observer comprises a Kalman filter. Advantageously, the means for determining at least one starting value of the aging coefficient (Xc ° o) is also able to calculate a series of sampling values of said aging coefficient (~ CO ~~ the device further comprising a means for determining a series of values of said state variables (cl connected to the means for determining the anode operating parameters (E), and receiving signals representative of the sampling values of the aging coefficient (XCOi). determination of a series of state variables (O ~) may be, for example, a map giving its state variables (O ~~ as a function of the anode operation parameters (E) of the fuel cell and of an aging coefficient due to poisoning of the carbon monoxide fuel cell The fact of also knowing the values, in real time, of the operating parameters (E) makes it possible to deduce ire, for each aging coefficient, what the state variables (O,) should be. By comparing with the estimated state variable (Oo) resulting from the measurement of the real overvoltage, we deduce the most probable value of the aging coefficient (, co).
Avantageusement, le dispositif comprend un générateur de résidus (Ri) recevant un signal représentatif de la valeur estimée (êo) de variable d'état et des signaux représentatifs de la série de valeurs desdites variables d'état (0~~ Avantageusement, le dispositif comprend un moyen de comparaison desdits résidus (Ri) apte à déterminé la valeur échantillonnée de coefficient de vieillissement la plus probable. L'avantage d'un tel mode de réalisation est d'être peu coûteux en temps de calcul et en place mémoire. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de détermination d'au moins une valeur de départ du coefficient de vieillissement 'co) Xoest un estimateur dynamique apte à calculer une valeur d'estimation dudit vieillissement `FCO et reçoit des signaux représentatifs de la mesure de la surtension anodique (lia et d'une estimation (11a) de la surtension anodique estimée par l'observateur. L'avantage d'un tel mode de réalisation est qu'il converge plus vite vers une valeur estimée plus précise du coefficient de vieillissement de la pile à combustible dû à l'empoisonnement du catalyseur anodique au monoxyde de carbone. De plus, ce mode de réalisation permet d'obtenir simultanément une estimation dudit coefficient de vieillissement (,co) et de la variable d'état (Oi). Selon un autre aspect, l'invention porte également sur un système de pile à combustible comprenant un reformeur et un dispositif d'estimation du vieillissement de la pile à combustible dû à l'empoisonnement au monoxyde de carbone. Le système comprends en outre une vanne d'introduction d'air de purge anodique et un moyen de détermination de la consigne d'ouverture de la vanne d'introduction d'air de purge anodique recevant un signal représentatif dudit vieillissement de la pile à combustible dû à l'empoisonnement au monoxyde de carbone. Autrement dit, on peut utiliser l'estimation du paramètre de vieillissement (,co) due à l'empoisonnement de l'anode de la pile à combustible ou monoxyde de carbone, afin de construire un correcteur qui commande la vanne d'introduction d'air de purge dans l'anode de la pile à combustible. Selon un autre aspect, l'invention porte également sur un procédé d'estimation du vieillissement de la pile à combustible dû à l'empoisonnement au monoxyde de carbone, utilisant des paramètres de fonctionnement anodique (E) de la pile à combustible et une mesure de la surtension anodique (lia). On estime au moins une variable d'état (O°) des anodes de la pile à combustible, à l'aide d'un observateur mathématique et d'au moins une valeur de départ d'un coefficient de vieillissement (XcO°). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrée par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une illustration d'un premier mode de réalisation du dispositif d'estimation par analyse des résidus ; - la figure 2 est une illustration d'un deuxième mode de réalisation comprenant un observateur adaptatif ; et - la figure 3 est une illustration d'une utilisation de l'estimation du paramètre de vieillissement pour commander une vanne d'air de purge anodique de la pile à combustible. Comme illustré sur la figure 1, le dispositif d'estimation 1 comprend un moyen de mesure 2 d'une surtension anodique (lia), un moyen de détermination 3 des paramètres de fonctionnement de la pile à combustible, un observateur mathématique 4, un générateur d'échantillonnage 5, un dispositif de modélisation 6, un générateur de résidus 7 et un comparateur 8. Le moyen de mesure 2 est directement relié aux empilements de la pile à combustible et mesure la surtension anodique (lia). Le moyen de détermination 3 établit un vecteur E comprenant une pluralité de paramètres de fonctionnement, dont un exemple sera détaillé en figure 3. L'observateur mathématique 4 peut comprendre par exemple un filtre de Kalman. C'est-à-dire qu'il peut comprendre un filtre à réponse impulsionnelle qui estime les états d'un système dynamique à partir d'une série de mesures incomplètes ou bruitées. Un tel filtre est par exemple un estimateur de type récursif, c'est-à-dire que pour estimer l'état courant, seul l'état précédent et les mesures actuelles sont nécessaires. L'historique des observations et les estimations peuvent n'être pas nécessaires. L'observateur mathématique peut comprendre des filtres non linéaires. Le générateur d'échantillonnage 5 détermine une valeur de départ du coefficient de vieillissement (Xcoo). Le générateur d'échantillonnage 5 est également apte à déterminer une série de valeurs d'échantillonnage (Xcoi) du coefficient de vieillissement de la pile à combustible dû à l'empoisonnement au monoxyde de carbone. Le dispositif de modélisation 6 peut comprendre par exemple une cartographie établissant des valeurs d'une pluralité de variables d'état (O~) pour chaque combinaison de valeur de paramètres de fonctionnement E et pour chaque valeur du coefficient de vieillissement (Xcoi). A un instant donné, la valeur du vecteur E des paramètres de fonctionnement anodique est envoyée par le moyen de détermination 3 vers l'observateur mathématique 4 et vers le dispositif de modélisation 6. La surtension anodique (lia) mesurée à cet instant est également envoyée par le moyen de mesure 2 vers l'observateur mathématique 4. L'observateur mathématique 4 reçoit également une valeur de départ (Xcoo) au coefficient de vieillissement de la pile à combustible. L'observateur mathématique 4 est alors capable de générer une valeur estimée (Ô) d'au moins une variable d'état des anodes de la pile à combustible. Le dispositif de modélisation 6 détermine une valeur instantanée des variables d'état (O~) en fonction de la valeur courante du vecteur E de paramètres de fonctionnement de la pile à combustible pour chaque valeur (Xcoi) du coefficient de vieillissement de la pile à combustible. Le générateur de résidus 7 reçoit d'une part la valeur estimée (Ô) issue de la valeur réelle mesurée de la surtension anodique et une série de valeurs de variables d'état (0,,...,0i) pour chaque valeur d'échantillonnage du coefficient de vieillissement (Xcoi). Le générateur de résidus 7 détermine pour chaque valeur d'échantillonnage (Xcoi) une valeur de résidus (Ri) correspondante. Un exemple de calcul de résidus peut être une valeur proportionnelle à la différence entre la valeur estimée (Ô) d'une variable d'état et la valeur (O~) de la même variable d'état pour le coefficient de vieillissement (Xcoi). Le comparateur 8 reçoit les différents résidus et détermine, par exemple, le résidu le plus faible, pour en déduire la valeur du coefficient de vieillissement la plus probable qui est alors la valeur estimée (O. Ce mode de réalisation du dispositif d'estimation 1 est peu coûteux en temps de calcul et en place mémoire, en revanche, la comparaison des résidus peut être longue et l'estimation obtenue (,co0) est limitée par le nombre d'échantillons (?co) générés par le générateur d'échantillonnage 5. Le mode de réalisation illustré en figure 2 diffère du premier mode de réalisation principalement en ce qu'il comprend un observateur mathématique 9 de type adaptatif. L'observateur 9 génère une valeur estimée (0) d'une variable d'état de la pile à combustible non pas à partir d'une valeur de départ (Xcoo), mais de manière bouclée à partir du résultat de l'estimation (,co), en plus des valeurs en temps réel de la surtension anodique (1Q) et du vecteur E de paramètres de fonctionnement de la pile à combustible issus respectivement du moyen de mesure 2 et du moyen de détermination 3. L'observateur dynamique 9 est également apte à générer une valeur estimée &îQ)de la surtension anodique. Un estimateur dynamique 10 reçoit la valeur estimée (TU de l'observateur dynamique 9 et la valeur mesurée en temps réel (rla) du moyen de mesure 2 et détermine une valeur estimée (,co) du coefficient de vieillissement de la pile à combustible dû à l'empoisonnement progressif des sites catalytiques par du monoxyde de carbone. Advantageously, the device comprises a residue generator (Ri) receiving a signal representative of the estimated value (eo) of state variable and signals representative of the series of values of said state variables (0 ~~ Advantageously, the device comprises a means for comparing said residues (Ri) capable of determining the sampled value of the most probable aging coefficient, the advantage of such an embodiment being that it is inexpensive in terms of calculation time and memory space. another embodiment, the means for determining at least one starting value of the aging coefficient 'co) Xo is a dynamic estimator able to calculate an estimation value of said aging FCO and receives signals representative of the measurement of the anodic overvoltage (11a) and an estimate (11a) of the anode overvoltage estimated by the observer.The advantage of such an embodiment is that it converges more quickly rs a more accurate estimated value of the aging coefficient of the fuel cell due to poisoning of the carbon monoxide anode catalyst. In addition, this embodiment makes it possible simultaneously to obtain an estimate of said aging coefficient (, co) and of the state variable (Oi). According to another aspect, the invention also relates to a fuel cell system comprising a reformer and a device for estimating the aging of the fuel cell due to carbon monoxide poisoning. The system further comprises an anode purge air introduction valve and a means for determining the opening setpoint of the anode purge air introduction valve receiving a signal representative of said aging of the fuel cell. due to carbon monoxide poisoning. In other words, it is possible to use the estimation of the aging parameter (, co) due to poisoning of the anode of the fuel cell or carbon monoxide, in order to construct a corrector which controls the introduction valve of purge air in the anode of the fuel cell. In another aspect, the invention also provides a method for estimating the aging of the fuel cell due to carbon monoxide poisoning, using anode operation parameters (E) of the fuel cell and a measurement anodic overvoltage (IIa). At least one state variable (O °) of the anodes of the fuel cell is estimated using a mathematical observer and at least one starting value of an aging coefficient (XcO °). Other features and advantages of the invention will appear on reading the detailed description of some embodiments taken as non-limiting examples and illustrated by the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is an illustration of a first embodiment of the estimation device by residue analysis; FIG. 2 is an illustration of a second embodiment comprising an adaptive observer; and FIG. 3 is an illustration of a use of the aging parameter estimate for controlling an anode purge air valve of the fuel cell. As illustrated in FIG. 1, the estimation device 1 comprises an anode overvoltage measuring means 2 (11a), a fuel cell operating parameters determination means 3, a mathematical observer 4, a generator 5, a modeling device 6, a residue generator 7 and a comparator 8. The measuring means 2 is directly connected to the stacks of the fuel cell and measures the anode overvoltage (IIa). The determining means 3 establishes a vector E comprising a plurality of operating parameters, an example of which will be detailed in FIG. 3. The mathematical observer 4 may comprise, for example, a Kalman filter. That is, it may include an impulse response filter that estimates the states of a dynamic system from a series of incomplete or noisy measurements. Such a filter is for example a recursive type estimator, that is to say that in order to estimate the current state, only the previous state and the current measurements are necessary. Historical observations and estimates may not be necessary. The mathematical observer may include non-linear filters. The sampling generator 5 determines a starting value of the aging coefficient (Xcoo). The sampling generator 5 is also able to determine a series of sampling values (Xcoi) of the aging coefficient of the fuel cell due to carbon monoxide poisoning. The modeling device 6 may comprise for example a map establishing values of a plurality of state variables (O ~) for each combination of operating parameter value E and for each value of the aging coefficient (Xcoi). At a given instant, the value of the vector E of the anode operating parameters is sent by the determination means 3 to the mathematical observer 4 and to the modeling device 6. The anodic overvoltage (IIa) measured at this instant is also sent by the measuring means 2 to the mathematical observer 4. The mathematical observer 4 also receives a starting value (Xcoo) at the aging coefficient of the fuel cell. The mathematical observer 4 is then able to generate an estimated value (δ) of at least one state variable of the anodes of the fuel cell. The modeling device 6 determines an instantaneous value of the state variables (O ~) as a function of the current value of the vector E of operating parameters of the fuel cell for each value (Xcoi) of the aging coefficient of the battery. combustible. The residual generator 7 receives on the one hand the estimated value (θ) resulting from the actual measured value of the anode overvoltage and a series of values of state variables (0 ,, ..., 0i) for each value of sampling of the aging coefficient (Xcoi). The residual generator 7 determines for each sampling value (Xcoi) a corresponding residue value (Ri). An example of calculation of residues can be a value proportional to the difference between the estimated value (Ô) of a state variable and the value (O ~) of the same state variable for the aging coefficient (Xcoi) . The comparator 8 receives the different residues and determines, for example, the lowest residue, to deduce therefrom the value of the most probable aging coefficient which is then the estimated value (O. This embodiment of the estimation device 1 is inexpensive in computation time and in place memory, however, the comparison of residues can be long and the estimate obtained (, co0) is limited by the number of samples (? co) generated by the sampling generator 5. The embodiment illustrated in FIG. 2 differs from the first embodiment mainly in that it comprises an adaptive-type mathematical observer 9. The observer 9 generates an estimated value (0) of a state variable of the fuel cell not from a starting value (Xcoo), but in a looped manner from the result of the estimate (, co), in addition to the real-time values of the anode overvoltage (1Q) and of the E vector of operating parameters of the fuel cell respectively from the measuring means 2 and the determination means 3. The dynamic observer 9 is also able to generate an estimated value (Q) of the anode overvoltage. A dynamic estimator 10 receives the estimated value (TU of the dynamic observer 9 and the measured value in real time (rla) of the measurement means 2 and determines an estimated value (, co) of the aging coefficient of the fuel cell due to the progressive poisoning of catalytic sites by carbon monoxide.
Ce deuxième mode de réalisation présente l'avantage d'estimer simultanément l'état d'empoisonnement (0) et du paramètre de vieillissement (,co). De plus, la valeur estimée (,co) n'est pas liée à un pas d'échantillonnage, de sorte que la valeur estimée est plus précise. En revanche, le temps de calcul peut être plus long que dans le premier mode de réalisation. On va maintenant décrire une utilisation d'un tel dispositif d'estimation dans une pile à combustible. Un dispositif de pile à combustible comprend un empilement de cellules 12 présentant une arrivée de gaz anodiques 13 et une arrivée de gaz cathodiques 14. Les gaz traversant la cathode 14 des empilements 12 sont principalement de l'air, et comprennent l'oxygène utilisé dans la réaction chimique de la pile à combustible et de l'azote traversant la pile à combustible sans modification. This second embodiment has the advantage of simultaneously estimating the poisoning state (0) and the aging parameter (, co). In addition, the estimated value (, co) is not related to a sampling step, so the estimated value is more accurate. On the other hand, the calculation time may be longer than in the first embodiment. We will now describe a use of such an estimation device in a fuel cell. A fuel cell device comprises a stack of cells 12 having an anode gas inlet 13 and an inlet of cathode gas 14. The gases passing through the cathode 14 of the stacks 12 are mainly air, and include the oxygen used in the chemical reaction of the fuel cell and the nitrogen passing through the fuel cell without modification.
Une vanne 15 permet d'introduire une quantité d'air de purge dans les gaz 13 traversant les anodes des empilements de cellules 12. Un réformeur 16 permet de générer de l'hydrogène à partir de carburant. Le conduit d'arrivée de gaz anodiques 13 est équipé d'une sonde à hydrogène 17, d'une sonde à oxygène 18 et d'une sonde à monoxyde de carbone 19 générant chacune un signal représentatif respectivement de la fraction molaire XH2, XO2 et Xco des composants correspondant dans les gaz anodiques 13. Le conduit des gaz anodiques comprend également un capteur 20 de la température T de la pile à combustible et un capteur 21 de la pression anodique P. Les empilements de la pile à combustible 12 sont également équipés d'un capteur 23 du courant I traversant la pile à combustible et d'un moyen de mesure 24 de la surtension anodique (lia). Le moyen de détermination 3 des paramètres de fonctionnement de la pile à combustible est relié aux sondes 17, 18, 19, aux capteurs 20, 21 et aux moyens de mesure 23 et 24, et génère un vecteur E des paramètres de fonctionnement de la pile à combustible. Le système de pile à combustible comprend également un correcteur 22 et l'un des deux modes de réalisation du dispositif d'estimation 1. Le correcteur 22 reçoit une valeur de consigne Oyons d'une variable d'état de la pile à combustible et génère une consigne de pilotage de la vanne d'introduction d'air 15, et des valeurs des paramètres de fonctionnement E de la pile à combustible. Le correcteur 22 modifie la valeur de pilotage de la vanne d'introduction d'air 15 en fonction de la différence entre la valeur estimée (0) générée par le dispositif d'estimation 1 de la variable d'état de la pile à combustible et également en fonction de la valeur estimée du coefficient de vieillissement (,co). Autrement dit, grâce à l'estimation du paramètre de vieillissement dû au monoxyde de carbone (,co), en même temps que du taux d'empoisonnement (ô), on peut construire un correcteur qui commande la vanne d'introduction d'air 15. A valve 15 makes it possible to introduce a quantity of purge air into the gases 13 passing through the anodes of the cell stacks 12. A reformer 16 makes it possible to generate hydrogen from fuel. The anode gas supply pipe 13 is equipped with a hydrogen probe 17, an oxygen probe 18 and a carbon monoxide probe 19 each generating a signal representative respectively of the molar fraction XH 2, XO 2 and Xco of the corresponding components in the anode gases 13. The anode gas duct also comprises a sensor 20 of the temperature T of the fuel cell and a sensor 21 of the anode pressure P. The stacks of the fuel cell 12 are also equipped a sensor 23 of the current I through the fuel cell and a measuring means 24 of the anode overvoltage (11a). The means 3 for determining the operating parameters of the fuel cell is connected to the probes 17, 18, 19, to the sensors 20, 21 and to the measuring means 23 and 24, and generates a vector E of the operating parameters of the stack. fuel. The fuel cell system also comprises a corrector 22 and one of the two embodiments of the estimation device 1. The corrector 22 receives a set value Oyons of a state variable of the fuel cell and generates a control setpoint of the air introduction valve 15, and values of the operating parameters E of the fuel cell. The corrector 22 modifies the control value of the air introduction valve 15 as a function of the difference between the estimated value (0) generated by the estimation device 1 of the state variable of the fuel cell and also depending on the estimated value of the aging coefficient (, co). In other words, thanks to the estimation of the aging parameter due to carbon monoxide (, co), together with the rate of poisoning (δ), it is possible to construct a corrector that controls the air introduction valve. 15.
D'une manière plus générale, l'estimation du vieillissement dû au monoxyde de carbone peut être utilisée par un calculateur de pilotage d'une pile à combustible pour reconfigurer les lois de commande ou bien pour avertir le conducteur d'une maintenance préventive nécessaire. More generally, the estimation of aging due to carbon monoxide can be used by a fuel cell control computer to reconfigure the control laws or to warn the driver of a necessary preventive maintenance.
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2008
- 2008-03-12 FR FR0851601A patent/FR2928777A1/en active Pending
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