Titre de l’invention : Procédé de gestion thermique d’un système à pile à combustible de véhicule

L’invention concerne la gestion thermique à bord d’un véhicule. Plus particulièrement, l’invention concerne un système d’alimentation électrique à pile à combustible pour véhicule et un procédé de gestion thermique d’un tel système.

Un véhicule automobile comprend des moyens d’entrainement, alimentés par une source d’énergie, qui permettent de mettre le véhicule en mouvement. Une des sources d’énergie les plus répandues comprend un moteur à combustion interne fonctionnant avec du carburant. Cependant, la combustion du carburant produit du dioxyde de carbone qui pollue l’atmosphère, si bien qu’il peut être préférable d’employer des sources d’énergie moins polluantes.

Il est connu d’utiliser une pile à combustible pour remplacer le moteur à combustion interne, par exemple une pile à hydrogène. L’hydrogène, sous forme de dihydrogène, est oxydé par la pile qui produit alors de l’électricité, pour alimenter les moyens d’entrainement, et de la chaleur. L’hydrogène peut être stocké sous forme d’ammoniac gazeux absorbé dans ou adsorbé sur un sel dans des cartouches de stockage. Il s’agit d’une méthode sûre de stockage d’hydrogène. L’ammoniac doit donc être désorbé du sel puis être craqué afin de former du dihydrogène qui peut alors être fourni à la pile.

Pour des raisons de concision, dans le contexte de la description de la présente invention, on utilisera les termes absorber et désorber pour désigner respectivement le stockage et la libération de l'ammoniac gazeux sur ou à partir d'un sel, que ce stockage intervienne par absorption ou adsorption.

Une pile dite « à basse température » présente un fonctionnement optimal lorsqu’elle est à une température généralement comprise entre 60°C et 80°C. Il est donc nécessaire d’évacuer la chaleur générée par l’oxydation du dihydrogène afin que la température de la pile n’excède pas trop cette valeur.

A cet effet, il est connu de faire passer un fluide refroidissant au contact de la pile afin d’en absorber de la chaleur, celle-ci étant dissipée par l’air ambient au moyen d’un radiateur. Néanmoins, cette solution peut ne pas suffire pour maintenir la pile à la température de fonctionnement optimal. En effet, si la température de l’air ambient est elle-même élevée, par exemple en été et/ou dans des pays présentant un climat chaud, la différence de température entre l’air ambiant et la pile fait que le radiateur ne peut pas dissiper une quantité suffisamment importante de chaleur pour maintenir la pile à sa température de fonctionnement optimal. En outre, pendant des phases ou la pile doit délivrer une quantité plus importante d’énergie électrique, donc pendant lesquelles elle génère plus de chaleur, le radiateur peut également être insuffisant pour dissiper cet excès de chaleur.

Le document WO2011107279 propose d’utiliser une partie de la chaleur générée par la pile pour alimenter la désorption de l’ammoniac dans les cartouches de stockage, cette réaction de désorption étant endothermique. Cela permet de disposer, en plus du radiateur, d’une autre source d’évacuation de la chaleur générée par la pile. Cependant, cela peut ne toujours pas suffire pour maintenir la température de la pile à la température de fonctionnement optimal.

L'invention a notamment pour but de remédier à ce problème en permettant d’évacuer davantage encore de chaleur de la pile, notamment lors d’une phase d’utilisation intense de celle-ci.

A cet effet, on prévoit selon l’invention un procédé de gestion thermique dans un système d’alimentation électrique pour véhicule, le système comprenant :

- une pile à combustible apte à être alimentée en dihydrogène,

- plusieurs cartouches de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice,

- un circuit d’injection reliant une sortie de chacune des cartouches à une entrée de la pile,

- un circuit de refroidissement de la pile, dans lequel circule un fluide caloporteur, comportant des branches alimentant chacune des cartouches, et

- un radiateur apte à refroidir le fluide caloporteur, dans lequel, au moins une des cartouches occupant un état actif dans lequel elle relâche de l’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection et au moins une des cartouches occupant un état passif dans lequel elle ne relâche pas d’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection, on met en œuvre au moins l’une des étapes suivantes : a) on augmente la pression en ammoniac à l’intérieur d’au moins une des cartouches occupant l’état actif, b) on fait circuler le fluide caloporteur sortant de la pile dans au moins une des cartouches occupant l’état passif, c) on augmente la vitesse de désorption d’ammoniac dans une des cartouches occupant l’état actif, une partie de l’ammoniac désorbé étant stocké dans une des autres cartouches, de préférence dans une des cartouches occupant l’état passif.

Ainsi, on peut créer temporairement des besoins en chaleur au sein des cartouches de stockage de l'ammoniac. L’étape a) permet de déplacer l’équilibre thermodynamique dans la cartouche. En autorisant une augmentation de pression d’ammoniac dans la cartouche, on peut augmenter la température nécessaire pour atteindre l’équilibre, et donc les besoins en chaleur de cette cartouche. En d’autres termes, on augmente la température dans la cartouche en la faisant absorber plus de chaleur, ce qui a pour incidence d’augmenter, indirectement donc, la pression en ammoniac dans la cartouche. L’étape b) permet de stocker de la chaleur dans au moins une des cartouches occupant l’état passif sans pour autant la faire basculer à l’état actif. L’étape c) permet de créer un excédent d’ammoniac dans au moins une des cartouches occupant l’état actif, par rapport à la consommation instantanée de la pile, et donc un excédent de consommation de chaleur pour la cartouche concernée.

Chacune de ces étapes permet de temporairement augmenter la chaleur consommée par les cartouches et donc de diminuer la chaleur générée par la pile qu’il est nécessaire d’éliminer au moyen du radiateur pour que la pile reste à température proche de la température d’utilisation optimale.

Avantageusement, on met en œuvre au moins deux des étapes a), b) et c).

Avantageusement, on met en œuvre les trois étapes a), b) et c).

On peut ainsi augmenter davantage encore la quantité de chaleur émise par la pile qui est consommée par le système. Cela rend en outre possible de moduler agilement la quantité d’énergie thermique qui est consommée par les cartouches.

Dans un mode de réalisation spécifique, on met en œuvre l’étape d) consistant à diminuer la puissance de la pile.

Avantageusement, dans l’étape a), on augmente la pression dans au moins une des cartouches occupant l’état actif à une valeur supérieure à 3 bar, de préférence supérieure à 4 bar, préférentiellement supérieure à 5 bar.

Une telle augmentation de pression permet d’augmenter significativement la température d’équilibre thermodynamique dans la cartouche. Par exemple, dans le cas d’une matrice en chlorure de calcium, une augmentation de la pression de 2 bar à 5 bar déplace la température d’équilibre d’environ 45 °C à 65 °C.

Avantageusement, les cartouches comprennent chacune une matrice en chlorure de calcium apte à absorber et désorber l’ammoniac.

Ce sel permet de stocker efficacement l’ammoniac.

De manière plus générale, la matrice peut se présenter sous la forme d’un sel de formule générale M _a (NH ₃ )nX _z , dans laquelle M est un ou plusieurs cations choisis parmi les métaux alcalins tels que Li, Na, K ou Cs, les métaux alcalino-terreux tels que Mg, Ca ou Sr, et/ou des métaux de transition tels que V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu ou Zn ou leurs combinaisons telles que NaAl, KAI, K ₂ Zn, CsCu ou K ₂ Fe, X est un ou plusieurs anions choisis parmi le fluorure, le chlorure, le bromure, l’iodure , les ions nitrate, le thiocyanate, le sulfate, le molybdate et le phosphate, a est le nombre de cations par molécule de sel, z est le nombre d'anions par molécule de sel et n est le nombre de coordination, compris entre 2 et 12.

Avantageusement, le circuit d’injection comprend un module de craquage d’ammoniac, apte à transformer l’ammoniac en un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac, et, si nécessaire, un module de purification, apte à réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux.

Il est ainsi possible d’alimenter la pile avec un mélange gazeux particulièrement pur en dihydrogène. Cela permet notamment de rendre l’invention applicable aux piles du type « PEMFC », sigle pour les termes anglo-saxons « Proton Exchange Membrane Fuel Cell », qui ont besoin d’un niveau élevé de pureté en hydrogène pour fonctionner.

Avantageusement, le procédé est mis en œuvre à bord d’un véhicule.

On prévoit également selon l’invention un système d’alimentation électrique pour véhicule, comprenant :

- une pile à combustible apte à être alimentée en dihydrogène,

- plusieurs cartouches de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice,

- un circuit d’injection reliant une sortie de chacune des cartouches à une entrée de la pile,

- un circuit de refroidissement de la pile, dans lequel circule un fluide caloporteur, comportant des branches alimentant chacune des cartouches,

- un radiateur apte à refroidir le fluide caloporteur, et

- une unité de commande apte à mettre en œuvre un procédé de gestion thermique tel que décrit dans ce qui précède.

On prévoit aussi selon l’invention un véhicule automobile comprenant un système d’alimentation tel que décrit dans ce qui précède.

Brève description des figures

L'invention va maintenant être présentée à l’appui de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

[Fig. 1] la figure 1 est un schéma illustrant un système d’alimentation électrique pour véhicule selon un premier mode de réalisation de l’invention, et

[Fig. 2] la figure 2 est un schéma illustrant un système d’alimentation électrique pour véhicule selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée On a représenté en figure 1 un système d’alimentation électrique 2 pour un véhicule 4 selon un premier mode de réalisation de l’invention.

Le système d’alimentation 2 comprend une pile à combustible 6 du type à hydrogène. Plus spécifiquement, il peut s’agir d’une pile du type communément désigné « AMFC », sigle pour les termes anglo-saxons Alkaline Membrane Fuel Cell, ou « PEMFC », sigle pour les termes anglo-saxons « Proton Exchange Membrane Fuel Cell ». Ces types de pile étant connues de l’état de la technique, leur fonctionnement ne sera pas décrit en détails dans ce qui suit.

La pile 6 est agencée pour être alimentée en dihydrogène en vue de l’oxyder afin de produire de l’énergie électrique, qui est transmise à des moyens d’entrainement (non représentés) du véhicule 4. Cette réaction d’oxydation étant exothermique, elle génère également de la chaleur qui fait monter la température de la pile 6 lorsqu’elle fonctionne.

Afin de refroidir la pile 6, le système d’alimentation 2 comprend un circuit de refroidissement 8 de la pile. Ce circuit de refroidissement 8 comprend un conduit, dans lequel s’écoule un fluide caloporteur, qui passe au contact de la pile 6 de sorte que le fluide caloporteur peut échanger de la chaleur avec la pile 6. Cette dernière présente une température optimale d’utilisation, ici de l’ordre de 70°C, à laquelle elle atteint un rendement maximal. Afin de surveiller la température de la pile 6, le circuit de refroidissement 8 comprend des capteurs de température 10 situés en amont et en aval de la pile 6 en considérant le sens de circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 8. La circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 8 est permise au moyen d’une pompe 12 située à la sortie de la pile 6. Le sens de circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 8 est représenté par des flèches sur la figure 1 .

Le système d’alimentation 2 comprend un radiateur 14 à travers lequel passe le circuit de refroidissement 8. Le radiateur 14 est exposé à l’air ambiant, si bien que le fluide caloporteur traversant le radiateur 14 peut échanger de la chaleur avec l’air ambiant afin de refroidir le fluide caloporteur.

Le système d’alimentation 2 comprend plusieurs cartouches de stockage 16 comprenant chacune une matrice 18 permettant le stockage d’ammoniac gazeux, qui est un précurseur de dihydrogène. L’ammoniac est absorbé dans la matrice 18 et peut également être adsorbée sur la matrice 18. A cet effet, la matrice 18 peut être constituée d’un sel, par exemple du chlorure de calcium. Ce sel est particulièrement adapté dans la mesure où une molécule de chlorure de calcium peut former une liaison avec huit molécules d’ammoniac.

Le système d’alimentation 2 comprend un circuit d’injection 20 reliant une sortie de chacune des cartouches 16 à une entrée de la pile 6. Le circuit d’injection 20 a pour fonction de faire transiter l’ammoniac des cartouches 16 vers la pile 6. A la sortie de chaque cartouche 16, le circuit d’injection 20 comprend un capteur de température 10 apte à mesurer la température de l’ammoniac et une valve anti-retour 21. Les valves anti-retour 21 permettent aux cartouches 16 présentant une pression en ammoniac supérieure la pression en ammoniac à l’entrée du circuit d’injection 20 de désorber de l’ammoniac et de l’injecter dans le circuit d’injection 20.

Le circuit d’injection 20 comprend une unité de dosage 22 qui permet de doser la quantité d’ammoniac qui est acheminée en direction de la pile 6. Un capteur de pression 24 est placé à une entrée de l’unité de dosage 22 afin de mesurer la pression de l’ammoniac entrant dans l’unité de dosage 22.

Le circuit d’injection 20 comprend un module de craquage 26, situé en aval de l’unité de dosage 22 en considérant le sens de circulation de l’ammoniac dans le circuit d’injection 20, dans laquelle se déroule la réaction de craquage de l’ammoniac. Cette réaction permet de produire, à partir de l’ammoniac, un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac.

Le circuit d’injection 20 comprend un module de purification 28, situé en aval du module de craquage 26 en considérant le sens de circulation de l’ammoniac dans le circuit d’injection 20, apte à réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux. Cette étape de purification est critique notamment dans le cas où la pile est du type « PEMFC », ce type de pile nécessitant une alimentation en dihydrogène particulièrement pur. A la sortie du module de purification 28, le mélange gazeux est fourni à la pile 6 en vue de l’oxydation du dihydrogène.

Le circuit de refroidissement 8 comprend une vanne à trois voies 30 alimentée par la sortie de la pompe 12. Le fluide caloporteur sortant de la pompe 12 est en partie dirigée en direction du radiateur 14. L’autre partie du fluide caloporteur est dirigée en direction de branches 32 alimentant chacune des cartouches 16. Les branches 32 sont agencées de sorte que les cartouches 16 sont montées en parallèle. Une valve tout-ou-rien 34 est ménagée dans chacune des branches 32 alimentant les cartouches 16, de manière à pouvoir contrôler à tout instant les cartouches 16 par lesquelles le fluide caloporteur doit transiter. Le fluide caloporteur sortant des cartouches 16 est dirigé par le circuit de refroidissement 8 en direction du radiateur 14.

Le système d’alimentation 2 comprend une unité de commande 36 apte à commander le fonctionnement des éléments du système d’alimentation.

On va maintenant décrire un procédé de gestion thermique du système d’alimentation 2 qui est mis en œuvre à bord du véhicule par l’unité de commande 36.

Dans une phase de fonctionnement nominal, la pile 6 permet la production d’environ 100 kW de puissance électrique. Elle présente un rendement qui est de l’ordre de 50%, si bien qu’elle consomme 200 kW de puissance chimique et produit en outre 100 kW de puissance thermique sous la forme de chaleur. Afin d’atteindre cette puissance chimique, il est nécessaire d’alimenter la pile avec un débit massique de 10,75 g/s d’ammoniac (ce qui correspond à un débit molaire de 0,63 mol/s). A cette fin, certaines des cartouches 16 occupent un état actif dans lequel elles relâchent de l’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection 20, tandis que les cartouches 16 restantes occupent un état passif dans lequel elles ne relâchent pas d’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection 16. La désorption de cette quantité d’ammoniac par seconde nécessite la consommation de 26 kW de puissance thermique par la ou les cartouches 16. Il reste donc 74 kW de puissance thermique à évacuer, notamment par le radiateur 14, afin d’éviter une hausse de température de la pile 6, qui pourrait alors dépasser sa température d’utilisation optimale.

En fonction de la température de l’air ambiant, le radiateur 14 peut ne pas être en mesure de dissiper l’intégralité de la puissance thermique à évacuer. En outre, le véhicule 4 peut être amené à demander à la pile 6 une plus grande puissance électrique, ce qui s’accompagne d’une plus grande puissance thermique à dissiper.

Afin d’augmenter temporairement la puissance thermique dissipée par le système d’alimentation 2, l’unité de commande 36 met en œuvre au moins l’une des opérations suivantes : a) On augmente la pression en ammoniac à l’intérieur d’au moins une des cartouches 16 occupant l’état actif. Cela permet de déplacer l’équilibre thermodynamique dans la ou les cartouches concernées. Ce faisant, on augmente la température nécessaire pour atteindre l’équilibre, et donc les besoins en chaleur de cette cartouche. Dans le cas présent, une augmentation de la pression de 2 bar à 5 bar (en valeur absolue) déplace la température d’équilibre d’environ 45 °C à 65 °C. On comprend ainsi que la ou les cartouches concernées ont besoin d’absorber plus de chaleur, émise par la pile, pour maintenir cet équilibre. b) On fait circuler le fluide caloporteur sortant de la pile 6 dans au moins une des cartouches 16 occupant l’état passif. La température dans la ou les cartouches concernées doit alors être surveillées car elle ne doit pas dépasser une température de seuil qui rendrait la ou les cartouches actives, c’est-à-dire que de l’ammoniac commencerait à se désorber dans ces cartouches pour alimenter le circuit d’injection 20. Néanmoins, avant d’atteindre cette température de seuil, la cartouche peut absorber une certaine quantité d’énergie thermique. d) Quand cela est possible, on peut diminuer la puissance électrique produite par la pile 6. Cela a pour conséquence de diminuer la puissance thermique produite par la pile 6, et donc également la puissance thermique que doit dissiper le radiateur 14, et le reste de puissance thermique à dissiper qui ne peut pas être dissipé par le radiateur 14.

En fonction de la puissance thermique qui ne peut pas être dissipée par le radiateur 14, on peut choisir de mettre en œuvre une ou deux des opérations parmi les opérations a) et b), et éventuellement d) si elle est permise. En outre, ces opérations peuvent être mises en œuvre pendant des périodes différentes. On comprend ainsi que l’invention permet une gestion agile de la dissipation de la puissance thermique générée par la pile 6.

On a représenté en figure 2 un système d’alimentation électrique 2’ pour un véhicule 4 selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Les éléments similaires à ceux du premier mode de réalisation portent des références numériques identiques.

Le deuxième mode de réalisation de l’invention diffère de celui du premier mode en ce que le circuit d’injection 20 comprend, en direction opposée à l’unité de dosage 22, un circuit de recyclage 38 dont l’ouverture et la fermeture est assurée par une valve tout- ou-rien 34 agencée en parallèle des cartouches 16 et commandée par l’unité de commande 36. En aval de cette valve, le circuit de recyclage 38 comprend une branche de réinsertion 40 dans chacune des cartouches 16, chaque branche de réinsertion 40 comprenant une valve anti-retour 21 agencée pour empêcher l’ammoniac de sortir des cartouches 16 par les branches de réinsertion 40.

Le système 2’ fonctionne de la même manière que le système selon le premier mode de réalisation. En outre, il permet la mise en œuvre d’une autre opération afin d’augmenter la puissance thermique consommée par le système : c) On augmente la vitesse de désorption d’ammoniac dans une des cartouches 16 occupant l’état actif, une partie de l’ammoniac désorbé étant stocké dans une des cartouches 16 occupant l’état passif. L’excès d’ammoniac ainsi désorbé passe dans le circuit de recyclage 38 et, par différence de pression, rentre dans les cartouches 16 occupant l’état passif à travers des valves anti-retours 21 des branches de réinsertion 40 correspondantes.

Les opérations a) et b), et éventuellement d), peuvent être mises en œuvre simultanément à l’opération c) pour augmenter la quantité de puissance thermique utilisée par le système 2’.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.

Liste de références

2 ; 2’ : système d’alimentation en énergie

4 : véhicule 6 : pile

8 : circuit de refroidissement

10 : capteur de température

12 : pompe

14 : radiateur

16 : cartouche de stockage

18 : matrice

20 : circuit d’injection

21 : valve anti-retour

22 : unité de dosage

24 : capteur de pression

26 : module de craquage

28 : module de purification

30 : vanne à trois voies

32 : branche

34 : valve tout-ou-rien

36 : unité de commande

38 : circuit de recyclage

40 : branche de réinsertion