Brevet FR2800017A1 — publié le 20010427

Dispositif de refroidissement pour un véhicule à moteur électrique alimenté par une pile â combustible L'invention se rapporte au refroidissement des véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de refroi dissement d'un véhicule à moteur électrique alimenté par une pile à combustible. De nombreux travaux sont consacrés actuellement au développe ment des piles à combustible tant que source d'énergie électrique pour l'alimentation des véhicules automobiles animés par des moteurs électriques. On rappellera qu'une pile à combustible transforme en énergie électrique une énergie chimique produite par un couple combustible-comburant. Pour les véhicules automobiles, les piles à combustible qui s'avèrent actuellement les plus prometteuses sont les piles du type à membrane, qui fonctionnent à partir d'une source d'hydrogène provenant soit d'une bouteille embarquée dans le véhicule, soit d'une unité produisant directement de l'hydro gène dans le véhicule. C'est ainsi que l'on peut produire directement de l'hydrogène en utilisant un reformeur fonc tionnant avec un carburant approprié, tel que le méthanol, l'essence, le gazole, etc. Dans un véhicule automobile type précité, il faut non seulement refroidir le moteur électrique assurant la propul sion du véhicule ainsi que la commande de puissance dudit moteur, mais aussi la pile à combustible elle-même puisque cette dernière est généralement alimentée à partir d'hydro gène et d'air sous pression, lesquels sont habituellement à une température supérieure à la température ambiante. I1 est connu pour cela d'utiliser deux circuits de refroidis serrent distincts, l'un pour la pile à combustible et l'autre pour le moteur électrique et sa commande de puissance associée. En effet, jusqu'à présent, le refroidissement des piles combustible a nécessité l'emploi d'un fluide de refroidisse ment spécifique, à savoir de l'eau désionisée. Or, l'eau désionisée est incompatible avec différents matériaux, en particulier, l'aluminium, le cuivre ou l'acier. I1 en résulte qu'elle ne peut être utilisée pour traverser échangeurs de chaleur classiques et refroidir le moteur électrique. Dans ces conditions, le moteur électrique a été jusqu'à présent refroidi par un fluide distinct, à savoir un mélange classique d'eau et d'antigel (en particulier du type glycol), est compatible avec les matériaux des échangeurs de chaleur. ailleurs, l'eau désionisée a comme inconvénient de geler dès que la température descend en dessous de 0 C. De plus, il n' pas possible d'ajouter à cette eau de l'antigel comme dans les circuits classiques de refroidissement des moteurs de véhicules automobiles. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvé nients précités. Elle propose à cet effet un dispositif de refroidissement du type défini en introduction, lequel comprend un seul circuit refroidissement propre à refroidir à la fois le moteur électrique et la pile à combustible, et dans lequel ce circuit est parcouru par un fluide de refroidissement choisi inerte et possède des propriétés d'isolation électri que. La Demanderesse a en effet constaté qu'il était possible de sélectionner des fluides particuliers qui peuvent convenir au refroidissement à la fois de la pile à combustible et du moteur électrique, à condition qu'ils soient de nature inerte et qu'ils possèdent des propriétés d'isolation électrique. Avantageusement, ce fluide de refroidissement est choisi pour avoir une constante diélectrique supérieure à 1,5. Avantageusement, on choisit aussi ce fluide de refroidisse ment pour qu'il ait un point de congélation inférieur à 0 C, de préférence inférieur à -25 C. ce fait, il n'est plus nécessaire de prévoir précau tions particulières pour placer le circuit de refroidissement dans des conditions hors gel pendant l'hiver. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le fluide de refroidissement est choisi parmi la famille des perfluorocarbonés. s'agit de fluides qui se trouvent à l'état liquide à la température ambiante et qui sont constitués de molécules complètement fluorées, ne contenant ni chlore, ni brome et ni hydrogène. Ces composés ne sont pas des CFC et ne contribuent à la destruction de la couche d'ozone. Ils sont beaucoup plus stables que les CFC et les halons et ne se dégradent pas lorsqu'ils sont exposés à la lumière UV dans la stratosphère. Dans la famille des perfluorocarbonés, on préfère avant tout utiliser ceux commercialisés sous la marque Fluorinert par la société 3M. s'agit en réalité d'une gamme de produits qui tous en commun d'être inertes et de posséder des propriétés d'isola tion électrique (constante diélectrique supérieure 1,5). En outre, ils ont comme avantage de posséder un point de congélation inférieur à -25 C, ce qui fait qu' main- tiennent le circuit de refroidissement dans conditions hors gel. De plus, cette famille de produits inclut des produits dont le point d'ébullition est généralement compris entre 30 C et 215 C, ce qui fait qu'il est possible de sélectionner un produit de la famille en fonction du point ébullition désiré. Ainsi on peut choisir un fluide de refroidissement dont le point d'ébullition est inférieur à 100 C pression atmosphérique. Ceci permet alors un refroidissement en mode biphasique avec ébullition, dans lequel le fluide peut être présent sous deux phases différentes, à savoir une phase liquide et une phase vapeur. I1 possible aussi de choisir le fluide de refroidissement de manière que son point d'ébullition soit supérieur à 100 C à pression atmosphérique. Ceci permet alors refroidis sement en mode monophasique, c'est-à-dire en mode classique, dans lequel le fluide est toujours présent une seule phase, à savoir en phase liquide. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le fluide choisi par les huiles de lubrification d'origine minéra le, organique et synthétique. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, lesquels - la figure 1 est un schéma d'un dispositif refroidisse ment selon l'invention, fonctionnant en mode biphasique ; et - la figure 2 est un schéma d'un autre dispositif de refroi dissement selon l'invention, fonctionnant en mode monophasi- que. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre un circuit de refroidissement 10 utilisé pour refroidir, a l'aide d'un fluide de refroidissement unique, à la fois une pile à combustible 12 et un moteur électrique 14 embarqués dans un vehicule automobile du type électrique (non représenté). Le moteur électrique 14 est couplé aux roues du véhicule pour assurer son déplacement. pile à combustible 12, avantageusement type à membrane, produit un courant électrique continu qui est envoyé à un onduleur 16, lequel ce courant électrique continu en courant électrique alternatif appliqué au moteur électrique 14. Le circuit de refroidissement sert aussi à refroidir l'onduleur ainsi que des auxiliaires 18 associés à la pile à combustible 12. La pile à combustible 12, le moteur électrique 14, l'onduleur 16 et les auxiliaires 18 sont refroidis une première branche 20 du circuit 10, qui comprend en outre une pompe électrique 22 servant à la circulation du fluide de refroi dissement, et un aérotherme 24 servant au chauffage de l'habitacle du véhicule. La branche 20 aussi outre un vase 'expansion 26 pour le fluide de refroidissement. Dans le circuit de la figure 1, le moteur électrique 14, l'onduleur 16 et l'auxiliaire 18 sont sur une dérivation de la branche 20, alors que la pompe électrique 22 et l'aéro- therme 24 sont sur une autre dérivation de cette branche. Le vase d'expansion 26 est un vase du type à membrane utilisé classiquement dans les circuits fonctionnant en mode diphasi- que. Le circuit 10 comprend en outre une branche 28 qui se raccorde à la branche 20, d'une part en un point de connexion 30, et d'autre part par une vanne thermostatique 32 du type à trois voies. Sur la branche 28 est interposé un radiateur de refroidisse ment 34 du type liquide/air qui est traversé par le fluide refroidissement et est qui est propre à être balayé par un flux d'air F provenant de l'extérieur du véhicule. Ce flux d'air F est produit sous l'effet de la vitesse du véhicule et/ou d'un groupe moto-ventilateur 36. Dans l'exemple, le circuit comprend en outre un condenseur 38 qui fait partie d'un circuit de climatisation (non représenté). La vanne thermostatique 32 est pilotée en fonction de la température du fluide de refroidissement qui parcourt les branches 20 et 28. Lorsque la température détectée est inférieure à un seuil donné (généralement de l'ordre de 80 C), le fluide de refroidissement circule en circuit fermé dans la branche 20, alors que la branche 28 est isolée. Par contre, dès que la température détectée atteint ou dépasse le seuil précité, la vanne 32 fait circuler le fluide de refroidissement dans la branche 20 et la branche 28, si bien que ce fluide peut être refroidi par échange thermique avec le flux d'air F qui traverse le radiateur 34. Dans l'exemple représenté, le circuit est prévu pour fonc tionner dans un mode biphasique avec ébullition, ce qui signifie que le fluide peut être présent sous deux phases différentes : une phase liquide et une phase vapeur. Pour cela, le fluide de refroidissement est choisi pour avoir un point d'ébullition inférieur à 100 C à la pression atmosphé rique. Dans cet exemple de réalisation, on utilise avantageusement un fluide appartenant à la famille des perfluorocarbonés, et en particulier un fluide tel que commercialisé sous la marque Fluorinert par la société 3M. A titre d'exemple, on peut utiliser l'un des fluides Fluori- nert FC72, FC84 et FC77. Ces fluides ont respectivement des points d'ébullition de 56 C, 80 C et 97 C. Ils ont en outre l'avantage d'avoir un point de congélation très bas, respec tivement de -90 C, -95 C et -95 C. De plus, leurs constantes diélectriques sont respectivement de 1,76, 1,81 et 1,86. Le fluide de refroidissement du dispositif de la figure 1 reste à l'état liquide lors du démarrage à froid et à faible charge de la pile. Par contre, à moyenne et forte charge de la pile, le fluide de refroidissement est présent sous deux phases : la fois à l'état liquide et à l'état gazeux. On se réfère maintenant à la figure 2 qui montre un disposi tif fonctionnant en mode monophasique et qui s'apparente, dans sa structure générale, à celui de la figure 1. Comme précédemment, on retrouve un circuit de refroidissement fonctionnant avec un seul fluide de refroidissement et comprenant deux branches 20 et 28 reliées entre elles en un point 30 par une vanne thermostatique 32. branche 20 comprend, en partant de la vanne thermostatique 32, et dans le sens de circulation du fluide, successivement les compo sants suivants : moteur électrique 14 et onduleur 16, pompe électrique 22, pile à combustible 12 et aérotherme 24. Les auxiliaires 18 de la pile sont sur une dérivation 40 de la branche 20 raccordée à cette dernière respectivement en amont et en aval de l'ensemble formé par le moteur électrique 14 et l'onduleur 16. Le circuit de la figure 2 fonctionne en mode monophasique et il comporte un vase d'expansion classique 26 placé sur une dérivation 42 de la branche 20 raccordée respectivement en amont et en aval de l'aérotherme 24. Dans le cas de la figure 2, le fluide de refroidissement reste toujours à l'état liquide et il est choisi pour avoir un point d'ébullition supérieur à 100 C à pression atmosphérique. On peut utiliser aussi des fluides perfluorocarbonés et, en particulier, des fluides commercialisés sous la marque Fluorinert par la société 3M. Conviennent par exemple les fluides Fluorinert FC 40 et FC 43 qui ont des points d'ébullition respectifs de 155 C et 174 C et des points de congélation respectifs de -57 C et -50 C. Ils possèdent en outre chacun une constante diélectrique de 'ordre de 1,9. Egalement, pour un fonctionnement en mode monophasique, on peut utiliser d'autres fluides de refroidissement ceux appartenant à la famille des perfluorocarbonés. 'est ainsi que l'on peut utiliser des huiles de lubrifica tion qui peuvent être d'origine minérale, organique ou synthétique. Ainsi, on comprendra que l'invention permet d'utiliser un circuit de refroidissement unique, fonctionnant avec un fluide de refroidissement unique, pour refroidir à fois la pile à combustible et le moteur électrique du véhicule. Ceci présente l'avantage de simplifier le circuit et de pouvoir en outre utiliser un fluide de refroidissement qui possède des propriétés choisies, notamment qui peut avoir un point de congélation suffisamment bas pour permettre de maintenir le circuit en permanence dans des conditions hors gel. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes. Ainsi, le choix du fluide de refroidissement n'est pas limité à ceux décrits précédemment et, de même, la structure du circuit de refroidissement est susceptible de nombreuses variantes. Revendications 1. Dispositif de refroidissement pour un véhicule à moteur électrique alimenté par une pile à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend un seul circuit de refroi dissement (10) propre à refroidir à la fois le moteur électrique (14) et la pile à combustible (12), et en ce que ce circuit est parcouru par un fluide de refroidissement choisi qui est inerte et possède des propriétés isolation électrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterisé en ce le fluide de refroidissement est choisi pour avoir une constante diélectrique supérieure à 1,5. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est choisi pour avoir un point de congélation inférieur à C, et de préférence inférieur à -25 C. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est choisi parmi la famille des perfluorocarbonés. 5. Dispositif selon la revendication 4, caracterisé en ce le fluide de refroidissement est un perfluorocarboné commercialisé sous la marque Fluorinert par la société 3M. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est choisi pour avoir un point d'ébullition inférieur à C à la pression atmosphérique, ce qui permet un refroidissement en mode biphasique. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est un perfluorocarbonë choisi parmi les fluides commercialisés sous les marques Fluorinert FC 72, FC 84 et FC 77 par la société 3M. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caracterisé en ce que le fluide de refroidissement est choisi pour avoir un point d'ébullition supérieur à 100 C à la pression atmosphérique, ce qui permet un refroidissement mode monophasique. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en que fluide est un perfluorocarboné choisi parmi les fluides commercialisés sous les marques Fluorinert FC 40 FC 43 par la société 3M. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que le fluide est choisi parmi les huiles de lubrification d'origine minérale, organique et synthéti que.