Domaine technique de l’invention

L’invention concerne un dispositif d’alimentation en air sous pression de la cathode d’une pile à combustible. En particulier, l’invention concerne un dispositif à refroidissement optimisé d’alimentation en air sous pression de la cathode d’une pile à combustible à refroidissement optimisé, comprenant un compresseur motorisé ou un turbocompresseur motorisé, pouvant par exemple être utilisé dans un véhicule, par exemple de type aéronautique, ferroviaire, maritime ou automobile.

Arrière-plan technologique

Les dispositifs d’alimentation en air sous pression sont utilisés dans plusieurs contextes, notamment dans les véhicules, par exemple pour alimenter un système de conditionnement d’air ou une pile à combustible.

Ces dispositifs d’alimentation en air sous pression comprennent généralement un compresseur motorisé, et de préférence un turbocompresseur motorisé, dans lequel le compresseur entraîné par le moteur permet la génération de l’air sous pression. Une problématique importante relevée dans ces dispositifs est le refroidissement du moteur du compresseur motorisé ou turbocompresseur motorisé.

D’une part, dans un système de conditionnement d’air, la problématique principale est d’assurer ce refroidissement sans trop impacter les performances et les coûts du système de conditionnement d’air, notamment en limitant l’usage de prélèvement d’air froid extérieurs et/ou en ne provoquant pas une demande supplémentaire d’air sous pression qui entraînerait une augmentation de la consommation d’énergie.

D’autre part, il existe aujourd’hui un engouement fort pour équiper les véhicules de transport, en particulier les aéronefs, de piles à combustibles dans la mesure où ces piles forment des sources d’énergie propres, fiables et flexibles. Le pnncipe a la base d une pile a combustible (aussi designee par F acronyme PAC), telle qu’une pile à hydrogène, repose sur la réaction d’oxydoréduction entre le dihydrogène et le dioxygène. Ces deux molécules constituent le combustible chimique sous lequel l’énergie peut être stockée au sein d’une application à pile à combustible.

La pile à combustible en tant que telle est donc un générateur électrique à deux électrodes qui permet de produire de l’énergie électrique par une oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur, tel que l’hydrogène, couplée à une réduction sur l’autre électrode d’un oxydant, tel que l’oxygène de l’air par exemple.

La réaction d’oxydoréduction de la pile permet de générer non seulement de l’électricité, mais également des sous-produits tels que de l’eau, de la chaleur et de l’air appauvri en oxygène.

En particulier, la réaction d’oxydation au niveau de l’anode permet de décomposer les molécules d’hydrogène au contact d’un catalyseur pour libérer des électrons et dégager de la chaleur. La réaction de réduction au niveau de la cathode permet de former des ions d’oxygène par contact entre l’oxygène et les électrons libérés par l’oxydation. En outre, les protons d’hydrogène se recombinent avec les ions d’oxygène pour former de l’eau.

L’alimentation de la cathode en oxygène se fait par exemple via de l’air sous pression, contenant suffisamment d’oxygène pour permettre la réaction.

Dans un véhicule aéronautique, ferroviaire, maritime ou automobile, l’air sous pression est fourni par un compresseur alimenté en air prélevé, par exemple à l’extérieur via une entrée d’air extérieur.

Le compresseur est entraîné par un moteur généralement électrique auquel il est relié par un arbre pour l’entraîner en rotation.

Un des enjeux d’un tel dispositif pour l’alimentation en air sous pression de la cathode d’une pile à combustible est le refroidissement du moteur d’entraînement du compresseur.

Notamment, le refroidissement du moteur doit être suffisamment efficace pour permettre une densité de puissance moteur compatible en termes de masse et d’encombrement avec l’intégration dans un système embarqué, notamment un véhiculé, par exemple un aeronef.

En outre, les niveaux de températures auxquelles sont soumis les composants du dispositif d’alimentation en air sous pression et en particulier le moteur du compresseur d’air, doivent être maîtrisés afin de prévenir tout disfonctionnement, et doivent être compatibles avec les niveaux de fiabilité exigés dans les systèmes embarqués, notamment les très hauts niveaux de fiabilité exigés dans une application aéronautique.

La consommation d’énergie générée par le refroidissement du moteur doit rester faible pour ne pas influencer négativement le rendement global du système dans lequel il est embarqué. Ces considérations de rendements énergétique et d’efficacité permettent en particulier de maîtriser le rendement global de la pile à combustible et d’éviter de surdimensionner le système de pile à combustible.

Enfin, le rendement doit aussi être étudié au niveau global, notamment en termes de masse et de complexité, qui doivent rester raisonnables sous peine de pénaliser la performance globale du véhicule.

Des solutions proposées dans l’art antérieur consistent à refroidir le moteur par échange thermique avec une boucle liquide utilisée comme puits de chaleur. En particulier, dans certains systèmes, en particulier dans le domaine automobile, une boucle liquide est déjà utilisée pour refroidir d’autres composants et est conduite vers le moteur pour son refroidissement. Toutefois, cette solution est complexe à mettre en œuvre en l’absence de boucle liquide préexistante, et ajoute de la complexité et une baisse des performances dans une boucle liquide existante du fait du composant supplémentaire à refroidir.

Une autre solution de refroidissement de moteur de compresseur consiste à ventiler avec de l’air prélevé soit dans un circuit d’alimentation de la pile, soit à l’extérieur.

Toutefois, dans le premier cas où l’air est prélevé dans le circuit d’alimentation de la pile, il doit avoir été compressé pour bénéficier de la surpression qui crée le débit de ventilation. Ce travail de compression est consommé pour de l’air qui n’est pas utilisé dans la pile et nuit donc au rendement global du système. Pour le deuxieme cas ou 1 air est preleve a 1 extérieur, le debit de ventilation est généralement nul lorsque le véhicule est arrêté (notamment au sol pour un aéronef). Des ventilateurs sont utilisés pour compenser cette absence de ventilation ce qui rajoute une complexité au système, et réduit les performances énergétiques. Plus généralement, le prélèvement d’air de ventilation induit des baisses de performances du véhicule.

Les inventeurs ont cherché à proposer un nouveau type de dispositif d’alimentation en air sous pression, de pile à combustible, permettant un bon refroidissement du moteur de compresseur.

Objectifs de l’invention

L’invention vise à fournir un dispositif d’alimentation en air sous pression d’une cathode d’une pile à combustible permettant de pallier au moins un des inconvénients des dispositif d’absorption de l’art antérieur.

L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un dispositif d’alimentation énergétiquement efficace.

L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un dispositif d’alimentation utilisable quel que soit l’état du véhicule et les conditions extérieures.

L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un dispositif d’alimentation peu encombrant et peu massif.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention concerne un dispositif d’alimentation en air sous pression d’au moins une cathode d’au moins une pile à combustible, comprenant :

- un conduit d’arrivée d’air,

- un compresseur relié au conduit d’arrivée d’air et à une entrée de la cathode, configuré pour recevoir de l’air provenant du conduit d’arrivée d’air, pour comprimer l’air provenant du conduit d’arrivée d’air et pour fournir de l’air sous pression à la cathode,

- un moteur relié au compresseur par un arbre de transmission, configuré pour entraîner le compresseur et entouré par un carter, - une turbine de recuperation d energie reliee a une sortie de la cathode, et configurée pour détendre l’air chargé en eau provenant de la sortie de la cathode pour fournir un air détendu via une sortie de la turbine, dit air d’échappement chargé en eau, caractérisé en ce qu’il comprend un canal de refroidissement reliant la sortie de la turbine et le carter du moteur, ledit canal de refroidissement étant configuré pour recevoir au moins une partie de l’air d’échappement chargé en eau sous forme de gouttelettes liquides en suspension, de sorte à refroidir le carter du moteur et le moteur avec ladite partie de l’air d’échappement chargé en eau.

Un dispositif d’alimentation d’une cathode d’une pile à combustible selon l’invention permet donc de fournir un refroidissement du moteur de compresseur efficace et économe en énergie, tirant pleinement partie de F air sortant de la cathode qui est généralement destiné à être évacué dans Fart antérieur.

L’air sortant de la cathode est dans un premier temps détendu dans une turbine de récupération d’énergie, ce qui permet de récupérer de l’énergie pouvant être utilisé dans le système pour améliorer l’efficacité énergétique globale. En outre, la détente dans la turbine a comme effets de réduire la température de l’air chargé en eau, et de condenser l’eau présente dans l’air chargé en eau pour former des gouttelettes d’eau en suspension.

Ainsi, l’air d’échappement chargé en eau est particulièrement efficace pour servir de refroidissement du carter du moteur et du moteur. Par exemple, l’air d’échappement chargé en eau est injecté dans un circuit de refroidissement de la surface extérieure du carter. Cet air d’échappement, qui est plus froid que le moteur, va refroidir le carter du moteur et le moteur par conduction thermique, et l’eau en suspension dans l’air d’échappement va se vaporiser en présence de la chaleur dégagée par le moteur et le carter du moteur, en absorbant cette chaleur, de façon à améliorer le refroidissement du carter du moteur et le moteur.

L’utilisation de l’air d’échappement chargé en eau permet donc de refroidir plus efficacement que dans les dispositifs de l’art antérieur, ou bien de refroidir de la même façon avec un débit d’air plus faible ce qui améliore l’efficacité énergétique globale du dispositif d’alimentation, de la pile à combustible et du véhiculé dans lequel le dispositif d alimentation et la pile a combustible sont embarqués.

Le dispositif d’alimentation ne dépend pas d’un système extérieur pour le refroidissement de son moteur de compresseur, et peut notamment, dans l’exemple d’un aéronef, fonctionner en autonomie lorsque l’aéronef est au sol.

Avantageusement et selon l’invention, la turbine de récupération d’énergie est agencée sur l’arbre de transmission.

Selon cet aspect de l’invention, le compresseur, la turbine et le moteur sont reliés par l’arbre de transmission et forment ainsi un turbocompresseur motorisé. L’énergie récupérée par la turbine est ainsi utilisée pour réduire la consommation d’énergie du moteur nécessaire pour entraîner le compresseur, ce qui réduit la chaleur générée par le moteur.

Avantageusement et selon l’invention, le dispositif d’alimentation comprend une bifurcation agencée entre la sortie de la turbine et le canal de refroidissement, la bifurcation comprenant une entrée configurée pour recevoir l’air d’échappement chargé en eau, et comprenant au moins deux sorties, une première sortie configurée pour conduire une partie du débit d’air d’échappement chargé en eau vers le canal de refroidissement, et une deuxième sortie configurée pour conduire une autre partie du débit d’air d’échappement chargé en eau vers une sortie d’échappement du dispositif d’alimentation.

Selon cet aspect de l’invention, la bifurcation permet l’équilibrage de la pression en sortie de la turbine : si la totalité de l’air d’échappement chargé en eau est envoyé dans le canal de refroidissement pour refroidir le carter du moteur et le moteur, une perte de charge en résultant peut réduire les performances globales du système, notamment les performances de la turbine.

En permettant un équilibrage passif des débits entre le canal de refroidissement et la sortie d’échappement au niveau de la bifurcation, la turbine fonctionne à son maximum de performance (le rapport entre la pression en entrée de la turbine et la sortie de la turbine est optimisé) car la perte de charge en aval de sa sortie est optimisée, et le refroidissement de l’air chargé en eau est efficace, ce qui améliore le refroidissement du moteur et du carter du moteur. Avantageusement et selon 1 invention, la bifurcation est configurée pour qu’une majorité de l’eau en suspension dans l’air d’échappement chargé en eau soit conduite vers le canal de refroidissement.

Selon cet aspect de l’invention, la bifurcation optimise la distribution en eau de l’air d’échappement envoyé vers le canal de refroidissement et l’air d’échappement directement évacué. La présence d’eau en suspension dans l’air d’échappement n’impacte pas les performances en perte de charge mais est avantageuse pour le refroidissement. Ainsi, la bifurcation est configurée pour que la majorité de l’eau soit transmise vers le canal de refroidissement. Cette configuration peut se faire de façon active (contrôlée) ou de préférence passive (sans intervention, ce qui limite notamment l’énergie consommée et la complexité du système). Par exemple, la bifurcation présente une forme géométrique dans laquelle la première sortie reliée au canal de refroidissement est sensiblement colinéaire à la direction du flux d’air d’échappement pour que l’eau présente dans le flux soit conduite majoritairement dans cette sortie, la deuxième sortie étant orientée selon un angle différent de sorte à ce que l’eau se dirige de préférence vers la première sortie.

Avantageusement et selon l’invention, le carter du moteur comprend des ailettes de refroidissement.

Selon cet aspect de l’invention, les ailettes permettent de maximiser le refroidissement du moteur et du carter. Les ailettes sont fabriquées dans un matériau conducteur de chaleur pour maximiser les échanges thermiques.

Selon d’autres variantes de l’invention, tout autre dispositif améliorant l’échange thermique peut être ajouté au carter du moteur.

Avantageusement et selon l’invention, le consommateur d’air sous pression est une cathode d’une pile à combustible, l’entrée du consommateur d’air sous pression étant une entrée de la cathode et la sortie du consommateur d’air sous pression étant une sortie de la cathode, et l’air consommé étant un air chargé en eau.

Selon cet aspect de l’invention, le refroidissement du moteur et du carter du moteur est particulièrement efficace lorsque le consommateur d’air sous pression est la cathode d’une pile à combustible car l’air sortant de la cathode est chargé en eau du fait de la reaction ayant lieu dans la cathode. Le dispositif d alimentation en air sous pression d’une cathode d’une pile à combustible selon l’invention est donc particulièrement intéressant pour ces capacités de refroidissement du moteur et du carter du moteur, et pour son autonomie qui permet par exemple, dans un véhicule tel qu’un aéronef, de refroidir efficacement le moteur et le carter du moteur dès que la pile à combustible est en fonctionnement et même si le véhicule est à l’arrêt (au sol pour un aéronef).

L’invention concerne également un procédé d’alimentation en air sous pression d’une cathode d’une pile à combustible, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : comprimer, via un compresseur entraîné par un moteur, un air provenant d’un conduit d’arrivée d’air et conduire cet air sous pression vers une entrée de la cathode, détendre, via une turbine de récupération d’énergie, un air chargé en eau provenant d’une sortie de la cathode, conduire au moins une partie de l’air détendu, dit air d’échappement de la turbine, chargé en eau sous forme de gouttelettes liquides en suspension, vers un carter du moteur du compresseur de sorte à refroidir ledit carter de moteur et ledit moteur.

Avantageusement, le procédé d’alimentation selon l’invention est mis en œuvre par un dispositif d’alimentation selon l’invention.

Avantageusement, le dispositif d’alimentation selon l’invention met en œuvre le procédé d’alimentation selon l’invention.

L’invention concerne également un système de pile à combustible comprenant une pile à combustible comprenant une cathode et une anode, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif d’alimentation en air sous pression de la cathode selon l’invention.

L’invention concerne également un véhicule comprenant une pile à combustible comprenant une cathode et une anode, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif d’alimentation en air sous pression de la cathode de la pile à combustible selon l’invention. Le véhiculé est par exemple un véhiculé automobile, aeronautique, mantime ou fenoviaire.

L’invention concerne également un dispositif d’alimentation, un procédé d’alimentation, un système de pile à combustible et un véhicule, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci- après.

Liste des figures

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :

[Fig. 1] est une vue schématique d’un dispositif d’alimentation en air sous pression d’une cathode d’une pile à combustible selon un mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.

En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.

La figure 1 illustre schématiquement un dispositif 10 d’alimentation, agencé pour alimenter en air sous pression une cathode 110 d’une pile 100 à combustible. La pile 100 à combustible comprend, de façon connue, une anode 102 alimentée en hydrogène par une entrée 104 d’anode et évacuant l’excédent d’hydrogène par une sortie 106 d’anode. L’anode 102 est séparée de la cathode 110 par une membrane 108.

La cathode 110 comprend une entrée 112 de cathode alimentée en air sous pression et une sortie 114 de cathode évacuant les résidus de l’air sous pression après réaction dans la pile 100 à combustible, lesdits résidus formant un air appauvri en oxygène et chargé en eau, dit air chargé en eau.

L’anode 102 est alimentée en hydrogène par un dispositif d’alimentation en hydrogène, non représenté.

La cathode 110 est alimentée en air sous pression en particulier par un compresseur 12 alimente en air par un conduit 14 d amvee d air. L air provenant du conduit 14 d’ arrivée d’ air est par exemple de F air extérieur, ou de F air provenant d’un autre système embarqué dans le véhicule qui embarque la pile à combustible et le dispositif 10 d’alimentation en air sous pression. Par exemple, dans un aéronef, l’air peut être prélevé d’un moteur propulsif ou dans un système de conditionnement d’air.

Le compresseur 12 est entraîné en rotation par un moteur 16 entouré par un carter 18. Le moteur entraîne en rotation un arbre 19 de transmission auquel est relié le compresseur 12.

L’air 20 sous pression, compressé par le compresseur 12 est transmise soit directement à la cathode 110 de la pile 100 à combustible, soit, comme représenté dans ce mode de réalisation, traverse d’abord un échangeur 22 thermique, en formant la passe chaude de cet échangeur 22 thermique, pour refroidir l’air 20 sous pression.

L’air sous pression entre par l’entrée 112 de cathode et traverse ensuite la cathode 110. L’oxygène de Fair sous pression alimente la réaction dans la pile à combustible avec l’hydrogène pour générer de l’électricité.

Du fait de la réaction ayant lieu dans la pile à combustible, l’air sortant de la cathode par la sortie 114 de cathode est un air appauvri en oxygène et chargé en eau. L’air 24 chargé en eau peut être utilisée, dans ce mode de réalisation, comme passe froide de l’échangeur 22 thermique afin de refroidir l’air 20 sous pression.

L’air 24 chargé en eau est ensuite détendu par une turbine 26 de récupération d’énergie du dispositif 10 d’alimentation. La turbine 26 de récupération d’énergie permet de récupérer de l’énergie provenant de l’air 24 chargé en eau, en détendant et refroidissant cet air 24 chargé en eau et en condensant cette eau sous forme de gouttelettes liquides. Dans ce mode de réalisation, la turbine 26 de récupération d’énergie est reliée à l’arbre 19 de transmission afin de réduire la consommation d’énergie du moteur 16 pour entraîner le compresseur 12. La turbine 26, le moteur 16 et le compresseur 12 forment ensemble un turbocompresseur motorisé.

Dans Fart antérieur, l’air sortant de la turbine de récupération d’énergie est rejeté vers l’extérieur après récupération de l’énergie. Dans le dispositif d alimentation de la cathode de 1 invention, 1 air sortant de la turbine, dit air d’échappement chargé en eau, est utilisé comme source de refroidissement.

En particulier, comme représenté dans ce mode de réalisation, l’air 28 d’échappement chargé en eau sort de la turbine 26 est atteint une bifurcation 30. La bifurcation comprenant une entrée reliée à la sortie de la turbine 26 et permet de conduire une partie de l’air 28 d’échappement chargé en eau vers une première sortie vers un canal 32 de refroidissement, et l’autre partie de l’air 28 d’échappement vers une première sortie 34a d’échappement pour le rejeter vers l’extérieur.

La partie de l’air 28 d’échappement chargé en eau circulant dans le canal 32 de refroidissement est conduite jusqu’au carter 18 du moteur afin de refroidir le carter 18 du moteur et le moteur 16. Pour faciliter le refroidissement, le carter 18 du moteur peut comprendre des ailettes (non représentée) ou tout autre dispositif améliorant l’échange thermique. Les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air 28 d’échappement conduit jusqu’au carter 18 du moteur améliorent le refroidissement par vaporisation de ces gouttelettes sous l’effet de la chaleur générée par le moteur 16 pour entraîner le compresseur 12. Après refroidissement du moteur 16 et du carter 18 du moteur, l’air est évacué par une deuxième sortie 34b d’échappement, qui peut être différente de la première sortie 34a d’échappement ou être relié à celui- ci de sorte à former une seule sortie d’échappement.

La bifurcation 30 peut être configurée pour que la majorité de l’eau présente dans l’air 28 d’échappement soit conduite vers le canal 32 de refroidissement.

La bifurcation 30 permet un contrôle passif de la perte de charge au niveau du canal 32 de refroidissement et du carter 18 du moteur : la pression au niveau des deux échappements est la pression ambiante et la pression au niveau de la bifurcation 30 est la même pour la partie de l’air 28 d’échappement chargé en eau circulant dans la branche du canal 32 de refroidissement et la partie de l’air 28 d’échappement circulant dans la branche conduisant à la première sortie 34a d’échappement, ce qui permet d’équilibrer les débits entre les deux branches.

Le dispositif d’alimentation et la pile à combustible forment un système de pile à combustible pouvant être intégré dans un véhicule automobile, ferroviaire, maritime ou aéronautique. Dans un aéronef, le système de pile à combustible peut être intégré dans un système de conditionnement d’air.