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’entraînement, 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’entraînement, 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 peut également être stocké sous forme liquide. L’ammoniac doit être craqué dans un module de craquage afin de former du dihydrogène qui peut alors être fourni à la pile.

La réaction de craquage de l’hydrogène étant endothermique, il est nécessaire d’apporter de la chaleur à l’ammoniac afin de le craquer en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène et du diazote. Ce mélange gazeux peut ensuite servir à alimenter la pile en dihydrogène.

Afin de produire la chaleur pour le craquage, il est connu dans l’état de la technique d’effectuer une combustion d’une partie de l’ammoniac sortant du module de craquage dans une chambre de combustion afin de faire monter la température dans le module de craquage. Cependant, l'état de la technique ne propose pas de méthode concrète pour piloter l’alimentation de la chambre de combustion durant les différentes étapes de fonctionnement de la pile.

L'invention a notamment pour but d’optimiser l’apport de chaleur au module de craquage lors du fonctionnement de la pile à combustible.

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 configurée pour être alimentée en dihydrogène, - un réservoir d’ammoniac,

- un module de craquage d’ammoniac configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et

- une chambre de combustion configurée pour chauffer le module de craquage, caractérisé en ce qu’on alimente sélectivement la chambre de combustion avec le mélange gazeux sortant du module de craquage ou avec un mélange gazeux sortant de la pile afin de chauffer le module de craquage, et on régule l’alimentation en ammoniac du module de craquage en fonction de la température du module de craquage en la comparant à une température prédéterminée d'utilisation optimale du module de craquage de telle sorte que :

- si la température du module de craquage est inférieure à la température prédéterminée d'utilisation optimale, on augmente le débit d'ammoniac fourni au module de craquage, et

- si la température du module de craquage est supérieure à la température prédéterminée d'utilisation optimale, on réduit le débit d'ammoniac fourni au module de craquage.

L’ammoniac possède ainsi deux fonctions dans le système d’alimentation, à savoir servir de précurseur d’hydrogène pour alimenter la pile et servir de source de chaleur pour le module de craquage par combustion dans la chambre de combustion. La régulation du débit d’ammoniac sortant du réservoir permet donc à la fois de gérer la puissance électrique générée par la pile et l’évolution de la température du module de craquage. On comprend ainsi qu’il est possible d’atteindre un débit d’ammoniac permettant d’atteindre un équilibre entre l’alimentation de la pile et le chauffage du module de craquage, cet équilibre étant régulé en fonction de la puissance électrique instantanée que doit fournir la pile au véhicule.

Avantageusement, le système comprend en outre un canal de dérivation reliant la sortie du module de craquage à la chambre de combustion, le canal de dérivation comprenant une valve de dérivation configurée pour permettre ou bloquer le passage de gaz dans le canal de dérivation.

Il est ainsi possible d’alimenter la chambre de combustion en mélange gazeux sans qu’il n’ait transité par la pile.

Dans la présente demande, le terme « valve » est utilisé comme synonyme du terme « vanne », de sorte qu’on peut intervertir toutes les occurrences du terme « valve » par le terme « vanne » sans que cela ne modifie la divulgation de la demande.

Avantageusement, tant que la température du module de craquage est inférieure à une température prédéterminée, on maintient ouverte la valve de dérivation. On alimente ainsi la chambre de combustion avec le mélange gazeux sans qu’il ne transite par la pile. Lorsque le module de craquage présente une température trop faible, le craquage de l’ammoniac ne se produit pas ou peu, si bien que le mélange gazeux sortant du module de craquage ne comporte pas suffisamment de dihydrogène pour alimenter efficacement la pile. On évite donc d’alimenter la pile avec un mélange gazeux inexploitable pour elle. Cela permet en outre de faire augmenter plus rapidement la température du module de craquage que si le mélange gazeux devait transiter, inutilement, par la pile avant d’atteindre la chambre de combustion.

Avantageusement, tant que la température du module de craquage est supérieure à une température prédéterminée, on maintient fermée la valve de dérivation.

Dans ce cas, le module de craquage présente une température suffisamment élevée pour que le craquage de l’ammoniac se produise. Dès lors, le mélange gazeux sortant du module de craquage comporte suffisamment de dihydrogène pour alimenter la pile, si bien qu’il ne faut pas que ce mélange gazeux soit directement fourni à la chambre de combustion.

Avantageusement, on alimente sélectivement la chambre de combustion avec le mélange gazeux sortant du module de craquage ou avec un mélange gazeux sortant de la pile à l’aide de moyens de sélection comprenant la valve de dérivation et une valve d’alimentation.

L’alimentation sélective de la chambre de combustion est ainsi simple à mettre en œuvre au moyen des valves de dérivation et d’alimentation.

Avantageusement, dans un régime transitoire de l’alimentation en ammoniac du module de craquage d’ammoniac, on alimente en ammoniac le module de craquage d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile.

On permet ainsi d’accélérer l’atteinte du régime permanent permis par la régulation du module de craquage d’ammoniac en fonction de la température du module de craquage. En d’autres termes, l’alimentation du module de craquage d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile forme une condition initiale qui permet de faire converger rapidement la régulation vers l’équilibre entre l’alimentation de la pile et le chauffage du module de craquage mentionné plus haut.

Avantageusement, le réservoir d’ammoniac comprend au moins une cartouche de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice, par exemple une matrice en chlorure de calcium.

L’ammoniac est ainsi stocké de manière sûre dans le système.

De manière plus générale, la matrice peut se présenter sous la forme d’un sel de formule générale M _a (NH3) _n X _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, K2Zn, CsCu ou K2Fe, 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 système comprend en outre un module de purification configuré pour réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux entrant dans la pile.

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 configurée pour être alimentée en dihydrogène,

- un réservoir d’ammoniac,

- un module de craquage d’ammoniac configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène,

- une chambre de combustion configurée pour chauffer le module de craquage, et

- une unité de commande configurée pour mettre en œuvre un procédé de gestion thermique tel que défini dans ce qui précède.

On prévoit aussi selon l’invention un véhicule automobile comprenant un système d’alimentation tel que défini ci-dessus.

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 5 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. La pile 5 comprend une anode 6, agencée pour être alimentée en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et une cathode 7, à partir de laquelle l’énergie électrique générée par l’oxydation du dihydrogène est fournie au véhicule 4. Au niveau de l’anode 6, le mélange gazeux entre par une entrée de l’anode 6a et sort par une sortie de l’anode 6b, la teneur en dihydrogène du mélange gazeux à la sortie de l’anode 6b étant inférieur ou égal à sa teneur à l’entrée de l’anode 6a. Ce type de pile étant connue de l’état de la technique, son fonctionnement ne sera pas décrit plus en détails dans ce qui suit.

Le système d’alimentation 2 comprend un réservoir d’ammoniac 8. L’ammoniac est un précurseur de dihydrogène. Ici, le réservoir 8 permet le stockage de l’ammoniac sous forme gazeuse. A cet effet, le réservoir 8 comprend une matrice qui est constituée d’un sel, par exemple du chlorure de calcium, l’ammoniac étant absorbé dans la matrice et éventuellement adsorbée sur la matrice. Le chlorure de calcium est particulièrement adapté dans la mesure où une molécule de chlorure de calcium peut former une liaison avec huit molécules d’ammoniac. On peut toutefois prévoir toute autre forme de stockage de l’ammoniac dans le réservoir 8.

Le système d’alimentation 2 comprend une unité de dosage 10 qui permet de doser la quantité d’ammoniac qui est acheminée du réservoir 8 en direction de la pile 5.

Le système d’alimentation 2 comprend un premier échangeur de chaleur 12 qui permet de préchauffer l’ammoniac sortant de l’unité de dosage 10. On indiquera plus loin comment l’ammoniac est préchauffée dans le premier échangeur de chaleur 12.

Le système d’alimentation 2 comprend un module de craquage d’ammoniac 14, situé en aval de du premier échangeur de chaleur 12 en considérant le sens de circulation de l’ammoniac provenant du réservoir 8, 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. Cette réaction est endothermique, un apport de chaleur est donc nécessaire pour permettre le craquage.

Le système d’alimentation 2 comprend un second échangeur de chaleur 16 qui permet de refroidir le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 avant qu’il n’atteigne la pile 5. La pile 5 n’a pas besoin d’être alimentée en dihydrogène chaud. Le mélange gazeux est refroidi par une admission d’air ambiant dans le second échangeur de chaleur 16. Ainsi, il sort du second échangeur de chaleur, d’une part, un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac refroidi et, d’autre part, de l’air chaud. Le système d’alimentation 2 comprend un canal d’alimentation 18 permettant au mélange gazeux refroidi par le second échangeur de chaleur 16 d’atteindre l’entrée de l’anode 6a de la pile 5. Le canal d’alimentation 18 comprend une valve d’alimentation 20 pouvant prendre une position ouverte dans laquelle elle permet le passage du mélange gazeux vers la pile 5 et une position fermée dans laquelle elle empêche tout passage du mélange gazeux dans le conduit d’alimentation 18.

Le système d’alimentation 2 comprend une chambre de combustion 22 configurée pour chauffer le module de craquage 14 en vue d’apporter de la chaleur nécessaire à la réaction de craquage de l’ammoniac. La chambre de combustion 22 est alimentée avec le mélange gazeux sortant de la sortie de l’anode 6b et l’air chaud sortant du second échangeur de chaleur 16. On comprend ainsi que le préchauffage de l’air dans le second échangeur de chaleur 16 permet de réduire la tendance de l’air entrant dans la chambre de combustion 22 à réduire la température à l’intérieur de celle-ci. Le mélange gazeux peut contenir du dihydrogène car la pile 5 ne consomme généralement pas tout le dihydrogène qui lui est fourni. La combustion de l’ammoniac et du dihydrogène compris dans le mélange gazeux permet d’alimenter le module de craquage 14 en chaleur. La température de la chambre de combustion 22 est mesurée au moyen d’un capteur de température 24. Si la température de la chambre de combustion 22 est insuffisante pour permettre la combustion, par exemple lors d’un démarrage du véhicule 4, un organe de préchauffage 26 permet de générer la chaleur nécessaire pour atteindre la température minimale permettant la combustion. Une fois que la température de la chambre de combustion 22 est supérieure à cette température minimale, l’organe de préchauffage 26 est désactivé. L’organe de préchauffage 26 comprend ici un chauffeur électrique.

Le gaz comburé sortant de la chambre de combustion 22 est alimenté dans le premier échangeur de chaleur 12 afin d’assurer le préchauffage de l’ammoniac sortant de l’unité de dosage 10, comme mentionné plus haut.

Le système d’alimentation 2 comprend un canal de dérivation 28 reliant la sortie, côté mélange gazeux, du second échangeur de chaleur 16 à la chambre de combustion 22. Le canal de dérivation 28 comprend une valve de dérivation 30 pouvant prendre une position ouverte dans laquelle elle permet le passage du mélange gazeux vers la chambre de combustion 22 et une position fermée dans laquelle elle empêche tout passage du mélange gazeux dans le conduit de dérivation 28.

Le système d’alimentation 2 comprend une unité de commande 32 configurée pour commander le fonctionnement des éléments du système d’alimentation, notamment celui de l’unité de dosage 10, de la valve d’alimentation 20 et de la valve de dérivation 30. 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 32.

On suppose que le véhicule 4 est initialement à l’arrêt. Lorsqu’il est mis en marche, la pile doit fournir de l’énergie électrique au véhicule. A cette fin, l’unité de commande 32 commande à l’unité de dosage 10 d’acheminer de l’ammoniac stocké dans le réservoir 8 en direction de la pile 5. Pour une période correspondant à un régime transitoire, l’unité de dosage 10 commande un débit d’ammoniac sortant du réservoir 8 correspondant à un débit de dihydrogène, en supposant une transformation de deux molécules d’ammoniac en trois molécules de dihydrogène, permettant à la pile de générer l’énergie électrique nécessaire pour le fonctionnement du véhicule 4.

Au début de ce régime transitoire, le module de craquage 14 est à une température insuffisante pour permettre le craquage de l’ammoniac. Tant que la température du module de craquage 14 est inférieure à une température prédéterminée, on maintient ouverte la valve de dérivation 30 et on maintient fermée la valve d’alimentation 20. Le mélange gazeux sortant du module de craquage 14, comprenant principalement de l’ammoniac, est ainsi acheminé à la chambre de combustion 22 sans passer par la pile 5. Ce mélange gazeux est comburé pour faire augmenter la température dans la chambre de combustion 22 et dans le module de craquage 14. Si la température dans la chambre de combustion 22 est insuffisante pour permettre cette combustion, l’organe de préchauffage 26 est activé pour atteindre la température minimale permettant la combustion, puis est désactivé. La combustion, une fois possible, permet de maintenir la température dans la chambre de combustion 22 supérieure à cette température minimale.

La température prédéterminée mentionnée dans le paragraphe ci-dessus est celle à partir de laquelle le module de craquage 14 permet le craquage de l’ammoniac de sorte que le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 présente une teneur en ammoniac inférieure à un seuil prédéterminé. Pour un module de craquage 14 utilisant un catalyseur au ruthénium par exemple, la température prédéterminée est choisie entre 450°C et 600°C, par exemple 550°C. A cette température, la teneur en ammoniac est inférieure à 1000 ppm. Il faut noter que le mélange gazeux obtenu par craquage d’ammoniac contient environ 75% en volume de dihydrogène.

Une fois que la température dans le module de craquage 14 atteint la température prédéterminée et tant qu’elle reste supérieure à la température prédéterminée, on ferme la valve de dérivation 30 et on ouvre la valve d’alimentation 20. L’anode 6 de la pile 5 commence ainsi à être alimentée en dihydrogène, qui peut être oxydé pour générer de l’énergie électrique de manière connue en soi. Le mélange gazeux sortant de l’anode 6 est ensuite acheminé à la chambre de combustion 22 en vue d’être comburé pour continuer à chauffer le module de craquage 14.

On comprend qu’on alimente la chambre de combustion 22 de manière sélective avec le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 ou avec le mélange gazeux sortant de la pile 5, cette alimentation sélective étant ici assurée par la commande de la valve d’alimentation 20 et de la valve de dérivation 30. En d’autres termes, on dispose de deux vecteurs de chaleur, à savoir le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 et le mélange gazeux sortant de la pile 5, et on sélectionne celui qui est le plus adapté à la situation thermique du système 2 pour alimenter la chambre de combustion 22, notamment la température dans le module de craquage 14.

Une fois la valve d’alimentation 20 ouverte, l’unité de commande 32 commande à l’unité de dosage 10 une régulation de l’alimentation du module de craquage 14 en ammoniac en fonction de la température du module de craquage 14. A cet effet, on mesure la température du module de craquage 14 et on la compare, à intervalles de temps réguliers, à une température d’utilisation optimale du module de craquage 14. Cette température d’utilisation optimale peut être définie comme correspondant à une température suffisante pour permettre le craquage de l’ammoniac de sorte que le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 présente une teneur en dihydrogène optimale pour le fonctionnement de la pile 5. La température d’utilisation optimale dépend d’un catalyseur qui est utilisé dans le module de craquage 14. Pour un catalyseur au ruthénium par exemple, la température d’utilisation optimale est située entre 450°C et 600°C, par exemple 550°C.

Si le module de craquage 14 présente à sa sortie une température inférieure à la température d’utilisation optimale, alors l’unité de dosage 10 augmente le débit d’ammoniac sortant du réservoir 8. De la sorte, plus d’ammoniac est fourni au module de craquage 14, à la pile 5 puis à la chambre de combustion 22 en vue de sa combustion, ce qui permet d’augmenter la température du module de craquage 14.

Si le module de craquage 14 présente à sa sortie une température supérieure à la température d’utilisation optimale, alors l’unité de dosage 10 réduit le débit d’ammoniac sortant du réservoir 8. De la sorte, moins d’ammoniac est fourni au module de craquage 14, à la pile 5 puis à la chambre de combustion 22 en vue de sa combustion, ce qui permet de réduire la température du module de craquage 14.

La commande du régime transitoire présentée précédemment, par laquelle on commande une alimentation du module de craquage 14 d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile 5, permet d’atteindre rapidement l’équilibre à la température d’utilisation optimale du module de craquage 14. 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 du premier mode en ce que le canal d’alimentation 18 comprend un module de purification 34 situé en aval de la valve d’alimentation 20. Le module de purification 34 est configuré pour réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux sortant du second échangeur de chaleur 16, par exemple à une valeur inférieure à 0,1 ppm. Cette étape de purification est critique notamment dans le cas où la pile 5 est du type « PEMFC », ce type de pile nécessitant une alimentation en dihydrogène particulièrement pur. A la sortie du module de purification 34, le mélange gazeux est fourni à l’entrée de l’anode 6a en vue de l’oxydation du dihydrogène par la pile 5. L’unité de commande 32 permet une mise en œuvre du procédé de gestion thermique similaire à celui du premier mode de réalisation.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est notamment possible de prévoir la présence d’un module de purification dans le système d’alimentation électrique selon le premier mode de réalisation de l’invention. On peut également prévoir un capteur de température à la sortie du module de craquage. Selon une variante de réalisation, l’ammoniac peut être stocké sous forme liquide dans le réservoir.

Liste de références

2 ; 2’ : système d’alimentation électrique

4 : véhicule

5 : pile

6 : anode

7 : cathode

6a : entrée de l’anode

6b : sortie de l’anode

8 : réservoir d’ammoniac

10 : unité de dosage

12 : premier échangeur de chaleur

14 : module de craquage d’ammoniac

16 : second échangeur de chaleur

18 : canal d’alimentation

20 : valve d’alimentation

22 : chambre de combustion

24 : capteur de température - IQ -

26 : organe de préchauffage

28 : canal de dérivation

30 : valve de dérivation

32 : unité de commande 34 : module de purification