Brevet FR2788631A1 — publié le 20000721

PILE A COMBUSTIBLE. La présente invention concerne le domaine des piles à combustible utilisant de l'oxygène comme comburant et de l'hydrogène comme carburant et produisant en sortie de l'énergie électrique. La pile combustible est générateur électrochimique permettant d'alimenter une chaîne de traction d'un véhicule électrique. Potentiellement, ce système offre l'avantage d'avoir une autonomie du véhicule proportionnelle à la quantité de carburant embarqué, un niveau d'émission de polluant nul, un rendement élevé et la possibilité d'utiliser un carburant alternatif aux carburants actuels. La technologie la plus prometteuse en terme de performances est la pile à électrolyte polymère. Cette pile fonctionne en étant alimentée en continu en hydrogène et en air. Afin d'obtenir un rendement satisfaisant, les gaz doivent être sous pression, par exemple entre 1,2 et 4 bar.a. Le travail de compression des gaz, surtout de l'air, détériore le rendement global du système. Il est estimé que 10 à 20% de la puissance générée par la pile à combustible est consommée par le système de compression d'air généralement de type volumétrique. La réaction électrochimique de la pile H2 + 1/2 02 = H20 donne deux électrons. On voit ainsi que le débit molaire d'oxygène de l'air consommée par la pile Qelec est directement proportionnel au courant délivré par la pile Ipile. L'expérience montre qu'une pile doit être alimentée avec une richesse supérieure à 1, appelée coefficient de sur- stoechiométrie X. On a donc les équations suivantes Qelec = K.Ipile Qe= X Qelec Qe étant le débit molaire de gaz comburant entrant dans la pile. Une pile à combustible doit être refroidie car au moins 30% d'énergie du carburant est dissipée sous forme de chaleur. Les systèmes actuels sont refroidis par une circulation d'eau déminéralisée dans le coeur de la pile. Dans les zones de fonctionnement de la pile, la puissance thermique à dissiper est proportionnelle au courant Ipile. Par conséquent, le débit d'eau strictement nécessaire pour le refroidissement est proportionnel à ce courant Ipile. Le débit d'air comburant Qe et le débit du fluide de refroidissement suivent donc la même loi Qrefr = K'x Ipile Le débit de carburant sortant du réformeur générant l'hydrogène est également proportionnel au courant délivré par la pile Qcarb = K"x Ipile Le document US-A-5,780,981 propose de mesurer le courant généré par la pile à combustible et la vitesse de rotation du compresseur d'air, pour le calcul de son débit. La vitesse du compresseur est corrigée en fonction du courant mesuré et/ou du débit d'air mesuré. Le circuit de refroidissement est constitué d'une pompe alimentée à tension fixe et à débit fixe. Il en résulte que la consommation de la pompe est importante surtout en période de faible charge de la pile à combustible. Cette consommation énergétique de la pompe diminue le rendement global de la pile à combustible. Par ailleurs le système décrit dans ce document est encombrant car il intègre plusieurs moteurs électriques et nécessite une multiplicité de fixations et de connexions. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients évoqués ci-dessus. La présente invention a pour objet de proposer un sous-ensemble de pile à combustible de rendement amélioré. Le sous-ensemble, selon l'invention, est destiné à une pile à combustible à électrolyte polymère, du type alimentée en hydrogène et en air. Le sous-ensemble comprend un circuit d'eau de refroidissement de pile à combustible incluant une pompe, un compresseur d'air d'alimentation, une turbine pour récupérer l'énergie de l'air de sortie. La pompe de refroidissement, le compresseur et la turbine sont liés mécaniquement en rotation. Dans un mode de réalisation de l'invention, la pompe de refroidissement, le compresseur et la turbine sont liés mécaniquement en rotation à un unique moteur électrique. Dans un mode de réalisation de l'invention, la pompe de refroidissement, le compresseur, la turbine et le moteur électrique sont intégrés en un seul élément. Dans un mode de réalisation de l'invention, le circuit d'eau de refroidissement comprend un moyen pour réguler le débit et un moyen pour réguler la pression. Avantageusement, le sous-ensemble comprend une pompe à carburant liée mécaniquement en rotation à la pompe de refroidissement, au compresseur, à la turbine et à un unique moteur électrique. Ces composants peuvent être intégrés en un unique élément. Dans un mode de réalisation de l'invention, le sous-ensemble comprend un moyen pour réguler le débit de carburant et un moyen pour réguler la pression de carburant. Dans un mode de réalisation de l'invention, le sous-ensemble comprend une sonde, disposée en sortie de l'air, apte à mesurer le taux de richesse tlmes en oxygène de l'air de sortie. Avantageusement, le sous-ensemble comprend un moyen pour calculer la richesse d'alimentation 1 à partir du taux de richesse rmes, et du taux de richesse de l'air d'alimentation tair, constant et connu, en fonction de l'équation: x = 1 + tmes/t;air. Le sous-ensemble est dédié à une pile à combustible bénéficiant d'un réformeur comme source d'hydrogène. La présente invention a également pour objet un système de pile à combustible comprenant un sous-ensemble tel que décrit ci-dessus. Le couplage mécanique du compresseur d'air et de la pompe de refroidissement permet premièrement de supprimer un moteur d'entraînement, deuxièmement de faire suivre à ces deux organes la même loi de vitesse et donc de débit des fluides et troisièmement de les regrouper dans un même module. On intègre les auxiliaires tournants en une unique machine d'o une réduction de l'encombrement. La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un sous-ensemble de pile à combustible, conforme à l'invention; la figure 2 est un schéma de principe du refroidissement de la pile à combustible; la figure 3 est une variante de la figure 2 la figure 4 est un schéma de principe d'un sous-ensemble selon un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 5 est un schéma de principe du circuit d'alimentation en carburant d'une pile à combustible; la figure 6 est une variante de la figure 5; et la figure 7 est un schéma de commande de la pile à combustible. Comme on peut le voir sur la figure 1, le sous-çnsemble d'une pile à combustible comprend un carter commun 1 enfermant une transmission de puissance (engrenages, courroies, chaînes,...) référencée 2 permettant de lier mécaniquement en rotation différents organes nécessaires au fonctionnement de la pile à combustible. Certains de ces organes peuvent être liés directement par un arbre. Ce carter 1 intègre et/ou supporte une pompe à eau 3, un compresseur d'air 4 et une turbine 5. La pompe à eau 3 est reliée à un circuit 6 de refroidissement de la pile à combustible et permet donc la circulation d'eau ou d'un liquide de refroidissement dans la pile à combustible proprement dite et dans un organe de dissipation tel qu'un radiateur, non représenté. La pompe à eau est entrainée par la transmission 2. Le compresseur 4 permet d'alimenter la pile à combustible en air sous une pression de quelques bars et est reliée à la transmission de puissance 2. Le compresseur 4 est également relié à un moteur électrique 5. On voit donc que le moteur électrique 5 est capable d'entraîner non seulement le compresseur 4 mais aussi la pompe à eau 3 avec un rapport de vitesse constant et déterminé par la transmission 2. La turbine 5, également liée mécaniquement en rotation à la pompe 3 et au compresseur 4 au moyen de la transmission 2 permet de récupérer l'énergie des gaz de combustion de la pile à combustible, azote de l'air et vapeur d'eau, et de les renvoyer dans l'atmosphère ambiante en sortie. La turbine 5 permet donc de récupérer de l'énergie mécanique dans le but de diminuer la consommation du moteur électrique 6. Le principe de fonctionnement des piles à combustible de type à électrolyte polymère repose sur une réaction électrochimique exothermique. Il est impératif de refroidir la pile à combustible pour éviter une dégradation de certains de ces éléments tels que la membrane, due à une température interne trop élevée. Pour ce faire, un circuit auxiliaire de refroidissement est nécessaire. De plus, la pile nécessite d'autres circuits auxiliaires. Dans un souci d'optimisation et d'intégration, toutes les machines tournantes de ces circuits sont regroupées en un unique appareil, le groupe moto auxiliaire ou sous-ensemble de la pile à combustible. Le système de génération de l'électricité comprenant une pile à combustible est généralement piloté par le courant généré par cette dernière. Une augmentation de la valeur du courant implique directement une hausse de la vitesse de rotation des éléments du sous-ensemble. Or cette augmentation peut impliquer une surconsommation énergétique de la part de la pompe du circuit de refroidissement. On cherche donc à réduire cette surconsommation. Comme on peut le voir sur la figure 2, la pile à combustible 9 est reliée à la pompe à eau 3 par le circuit de refroidissement 6. Le circuit de refroidissement 6 comprend un réservoir d'eau 10, un régulateur de débit 1 1 monté en série entre le réservoir d'eau 10 et la pile à combustible 9 et un régulateur de pression amont 12 disposé parallèlement à la pompe à eau 3 elle-même disposée en série entre la pile 9 et le réservoir 1 1. Le régulateur de pression amont 12 permet de contrôler la variation de pression fournie par la pompe 3 et, soit de la maintenir constante, soit de la faire varier en fonction d'un paramètre choisi tel que le courant Ipile. Comme la vitesse de rotation de la pompe 3 est proportionnelle au courant Ipile, que la pression fournie par la pompe 3 varie proportionnellement au carré de la vitesse de rotation, et que le débit volumique fourni par la pompe 3 varie proportionnellement au rapport des vitesses de rotation de la pompe 3, il en résulte que la puissance énergétique consommée par la pompe 3 en l'absence de régulateur de pression varie en fonction du cube de la vitesse de rotation. Le régulateur 12 permet donc de maintenir une pression constante ou proportionnelle au courant Ipile de façon à éviter une surconsommation énergétique de la dite pompe 3 lors de variations du régime de rotation. Dans la variante illustrée sur la figure 3, on voit que le régulateur de pression amont a été remplacé par un clapet 13 disposé parallèlement à la pompe 3 et permettant de maintenir une pression constante entre l'amont et l'aval de la pompe 3, et par un régulateur de pression aval 14 disposé en série entre la pompe 3 et la pile 9. Ce régulateur de pression aval 14 servant de détendeur permet de contrôler la pression de l'eau du circuit de refroidissement 6 en amont de la pile 9, cette pression étant imposée par les paramètres de fonctionnement de la pile 9. Le clapet 13, installé en tant que bipasse sur la pompe 3, est réglé pour maintenir une différence de pression quasi constante aux bornes de la pompe 3. On peut ainsi réguler le débit d'eau de refroidissement traversant la pile 9 suivant sa charge c'est-à-dire suivant le courant Ipile qu'elle fournit. On minimise la hausse de consommation de la pompe 3 provoquée par une augmentation de sa vitesse de rotation. Le schéma de la figure 4 est semblable à celui de la figure 1, à ceci près qu'une pompe à carburant 15 a été rajoutée. La pompe à carburant est liée mécaniquement en rotation aux autres organes par la transmission 2 du carter 1. La pompe à carburant 15 est elle-même fixée sur le carter 1. Sur la figure 5, on voit que la pompe à carburant 15 est reliée en amont à un stockage de carburant 16 et en aval à un régulateur de débit 17 par un circuit de carburant 19. Un clapet 18 est disposé parallèlement à la pompe 15 et est dimensionné pour maintenir une différence de pression constante entre l'amont et l'aval de la dite pompe 15. Le régulateur de débit 17 permet de faire évoluer la quantité de carburant fourni en fonction de la demande de puissance imposée à la pile à combustible. Comme la vitesse de rotation de la pompe à carburant 15 est proportionnelle à la valeur du courant traversant la pile Ipile, une variation du courant Ipile se traduit par une augmentation proportionnelle du débit volumique de la pompe et une augmentation quadratique de la pression fournie par la pompe. Il en résulterait, en l'absence d'un régulateur et d'un clapet, une augmentation de la consommation énergétique de la pompe 15 proportionnelle au cube de la variation du courant Ipile' Le clapet 18 qui permet de maintenir une différence de pression quasi constante aux bornes de la pompe à carburant permet de diminuer de façon considérable sa consommation énergétique. A titre de variante illustrée sur la figure 6, on pourrait remplacer le clapet 18 par un régulateur de pression 20 disposé parallèlement à la pompe 15 et permettant là aussi de maintenir une pression quasi constante aux bornes de la pompe 15. On peut ainsi réguler le débit de carburant en fonction des paramètres de fonctionnement de la pile à combustible, réguler la pression de carburant en fonction de la charge du système et minimiser la hausse de consommation de la pompe à carburant 15 susceptible d'être induite par une augmentation de sa vitesse de rotation. Le principal paramètre physique de contrôle et de régulation d'une pile à combustible, est la fréquence de rotation des éléments tournants de son ensemble d'alimentation d'air, c'est-à-dire de son compresseur d'air. Comme illustré sur la figure 7, la régulation de la pile à combustible utilise une boucle fermée. Une mesure du taux d'oxygène en aval de la pile à combustible 9 est transmise à l'organe de régulation. Celui-ci, avec les valeurs de sa commande et de cette mesure, via le régulateur du moteur électrique 7 entraînant le sous-ensemble, agira sur la vitesse de rotation pour atteindre la consigne. Afin de fonctionner avec une richesse élevée tout en limitant la consommation du compresseur d'air 4, il est nécessaire de réguler le débit d'air par rapport au courant Ipile délivré par la pile à combustible 9. On prévoit donc une sonde à oxygène permettant de détecter la richesse en oxygène rmes en continu en sortie de la pile. Les gaz neutres de l'air comme l'azote n'interviennent pas dans la réaction de la pile et sont donc intégralement dans le flux de sortie. Avec une seule mesure, on peut connaître la consommation de comburant et donc ajuster le débit nécessaire. En effet, on connaît le taux de richesse de l'air en oxygène, 'rair qui est constant. On a donc les équations suivantes Qs = Qe - Qelec, Qs étant le débit molaire de comburant sortant de la pile Qs = Qe x (X1); Qe = Qs/(X - 1) Tair = Qe /(Qazote + Qe); Qazote étant le débit molaire d'azote; Tmes = Qs /(Qazote + Qe); d'o on déduit trmes = cair x Qs / Qe et X= 1 + Tmes /Tair Ainsi connaissant 'mes' on peut connaître le taux de richesse réelle X et le corriger en régulant le débit de comburant Qe, par conséquent en faisant varier la vitesse de rotation du compresseur. Un seul capteur est nécessaire et aucune estimation n'intervient dans la régulation du régime du compresseur. Grâce à l'invention, on réduit la consommation électrique du moteur d'entraînement du compresseur d'air grâce au travail de récupération de la turbine volumétrique. On supprime l'organe de régulation de la pression d'air dans la pile grâce à la turbine volumétrique. On supprime le moteur électrique d'entraînement de la pompe à eau et celui d'entrainement de la pompe à carburant. On bénéficie d'un sous- ensemble extrêmement compact et très facile à intégrer sous capot. REVENDICATIONS 1. Sous-ensemble de pile à combustible à électrolyte polymère, du type alimentée en hydrogène et en air, le sous ensemble comprenant un circuit d'eau de refroidissement (6) de pile à combustible incluant une pompe (3), un compresseur d'air d'alimentation (4), une turbine (5) pour récupérer l'énergie de l'air de sortie, caractérisé par le fait que la pompe de refroidissement, le compresseur et la turbine sont liés mécaniquement en rotation. 2. Sous-ensemble selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pompe de refroidissement, le compresseur et la turbine sont liés mécaniquement en rotation à un unique moteur électrique (7). 3. Sous-ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la pompe de refroidissement, le compresseur, la turbine et le moteur électrique sont intégrés en un seul élément (1). 4. Sous-ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit d'eau de refroidissement comprend un moyen pour réguler le débit (1 1) et un moyen pour réguler la pression (12, 13). 5. Sous-ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une pompe à carburant (15) liée mécaniquement en rotation à la pompe de refroidissement, au compresseur, à la turbine et à un unique moteur électrique. 6. Sous-ensemble selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la pompe de refroidissement, le compresseur, la turbine, la pompe à carburant et le moteur électrique sont intégrés en un seul élément. 7. Sous-ensemble selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour réguler le débit de carburant (17) et un moyen pour réguler la pression de carburant (18, 20). 8. Sous-ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une sonde disposée en sortie de l'air, apte à mesurer le taux de richesse tmes en oxygène de l'air de sortie. 9. Sous-ensemble selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour calculer la richesse d'alimentation 1 à partir taux de richesse tmes, et du taux de richesse de l'air d'alimentation Tair, constant et connu, en fonction de l'équation: X = 1+ trmes/cair. 10. Système de pile à combustible comprenant un sous- ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes.