Brevet FR2805666A1 — publié le 20010831

Dispositif de refroidissement d'un véhicule électrique alimenté par une pile à combustible L invention se rapporte aux véhicules à moteur électrique. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de refroi dissement pour un véhicule à moteur électrique alimenté par une pile à combustible, ce dispositif comprenant une boucle de refroidissement de la pile à combustible qui est parcourue par un fluide de refroidissement sous l'action d'une pompe de circulation. nombreux travaux sont consacrés actuellement au développe ment des piles à combustible en tant que sources d'énergie électrique pour l'alimentation des véhicules animés par des moteurs électriques. I1 est rappelé qu'une pile à combustible transforme en énergie électrique l'énergie chimique produite par un couple combustible-comburant. Pour les véhicule automobiles, les piles à combustible qui s'avèrent actuellement les plus prometteuses sont les piles du type à membrane fonctionnant 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 électrique du type précité, il faut non seulement refroidir le moteur électrique assurant la propul sion du véhicule ainsi que la commande puissance dudit moteur, mais aussi la pile à combustible elle-même, puisque cette dernière est généralement alimentée a partir d'hydro gène et d'air sous pression, lesquels sont habituellement à une température supérieure à la température ambiante. Le refroidissement des piles à combustible pose certains problèmes du fait qu'il implique d'utiliser de l' désioni- sée comme fluide de refroidissement. Or ce fluide présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, ce fluide gèle dès que la température descend dessous de 0 C et, bien entendu, il n'est pas possible d'ajouter un antigel à cette eau désionisée, comme dans les circuits classiques de refroidissement de moteur de véhicule automobi le. plus, l'eau désionisée est incompatible avec diffé rents matériaux comme l'aluminium, le cuivre ou 'acier. L'invention a notamment pour but de surmonter inconvé nients précités. Elle propose à cet effet un dispositif de refroidissement du type défini en introduction, dans lequel boucle de refroidissement comprend une branche principale qui contient la pile à combustible, une branche secondaire contient un vase stockage thermique, ainsi que des moyens de commuta tion interposés entre la branche principale la branche secondaire et propres à placer la boucle de refroidissement dans plusieurs modes de fonctionnement comprenant un mode normal dans lequel le fluide de refroidissement circule dans la branche principale tandis que le vase de stockage thermi que vide, et un mode de stockage dans lequel le fluide de refroidissement est stocké dans le vase de stockage thermi que, tandis que la branche principale est vide. Ainsi, dans le mode normal, le fluide de refroidissement (c'est-à-dire l'eau désionisée) circule dans branche principale sous l'action de la pompe de circulation pour assurer le refroidissement de la pile à combustible. Lorsque le véhicule est arrêté et que la température exté rieure est proche de 0 C ou en dessous de cette valeur, le fluide de refroidissement est stocké dans le vase stockage thermique, tandis que la branche principale, y compris la pile à combustible, est vide. Du fait que la pile à combustible est vidée du fluide refroidissement, il n'y a plus de risque que ce fluide gèle dans la pile. Le fluide est alors stocké dans le vase stockage thermique où il se trouve à l'abri du gel. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, moyens de commutation comprennent au moins une vanne ainsi qu'une pompe d'aspiration propre à aspirer le fluide refroidissement contenu dans la branche principale pour remplir le vase de stockage thermique. Avantageusement, ces moyens de commutation comprennent une premiere vanne et une deuxième vanne placées respectivement à la sortie et à l'entrée du vase de stockage thermique, tandis que la pompe d'aspiration est placée entre la deuxième vanne et le vase de stockage thermique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend des moyens de commande propres à piloter les moyens de commutation dans les modes de fonctionnement suivants a) mode de fonctionnement normal : dans lequel le vase stockage est vide, la première vanne et la deuxième vanne sont en position fermée et la pompe d'aspiration est a l'arret, b) mode d'arrêt . dans lequel la première vanne est en position fermée, la deuxième vanne est en position ouverte, et la pompe d'aspiration est en fonctionnement pour aspirer le fluide de refroidissement de la branche principale et la pile à combustible et pour remplir le vase de stockage puis la pompe d'aspiration s'arrête lorsque le vase stockage est plein, c) mode de stockage : dans lequel le vase de stockage étant plein la première vanne et la deuxième vanne sont chacune en position fermée et la pompe d'aspiration est arrêtée; et d) mode de démarrage : dans lequel la deuxième vanne est en position fermée et la première vanne est d'abord en position ouverte pour laisser le fluide de refroidissement depuis le vase de stockage vers la branche principale, puis est amenée en position fermée lorsque le vase de stockage est vide. Selon une autre caractéristique de l'invention, on prévoit que, dans le mode d'arrêt, un compresseur d'air de pile à combustible est mis en fonctionnement pour assécher les parois internes de cette pile. L'invention prévoit également que la branche principale comprend un vase d'expansion et qu'un conduit de dégazage relie le vase de stockage thermique et le vase d'expansion pour etablir une circulation d'air entre eux. Le vase d'expansion comprend avantageusement des moyens de régulation thermique. Quant au vase de stockage, il comprend avantageusement une isolation thermique et des moyens de régulation thermique. I1 avantageux que le dispositif comprenne en outre des moyens d'isolation thermique de la boucle de refroidissement de pile à combustible. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend en outre une boucle de refroidissement moteur électrique qui est parcouru par un fluide de refroidissement distinct, ainsi qu'un échangeur de chaleur interpose entre la boucle de refroidissement de la pile à combustible et la boucle de refroidissement du moteur électrique. I1 est possible aussi, en variante, que ces deux boucles de refroidissement soient complètement indépendantes. La boucle de refroidissement du moteur électrique comprend avantageusement un radiateur de refroidissement propre à être parcouru par le fluide de refroidissement et à être traversé par flux d'air. Egalement, il est avantageux que la boucle de refroidissement du moteur électrique comprenne en outre un organe de refroi dissement du moteur électrique. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - figure 1 est un schéma d'un dispositif de refroidisse ment selon l'invention ; et - figure 2 représente une partie du dispositif de refroi dissement de la figure 1. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre schématiquement un dispositif de refroidissement pour un véhicule automobile animé par un moteur électrique 10 qui est alimenté à partir d'une pile à combustible 12, par l'intermédiaire d' commande de puissance 13. La pile à combustible 12 est avantageusement alimentée hydrogène par un reformeur (non représenté) qui produit cet hydrogène à partir d'une source d'un carburant, par exemple du méthanol. La pile à combustible 12, qui est avantageusement du type à membrane, produit un courant électrique continu qui est envoyé à la commande de puissance 13. Cette dernière comprend un onduleur (non représenté) propre à transformer le courant électrique continu en courant électrique alternatif appliqué au moteur électrique 10. Dans un véhicule de ce type, il est nécessaire de refroidir non seulement le moteur électrique 10 et sa commande de puissance 13, mais aussi la pile à combustible 12, laquelle est alimentée par de l'hydrogène et de l'air se trouvant à une température supérieure à la température ambiante. dispositif représenté à la figure 1 comprend une première boucle de refroidissement 14 pour refroidir la pile à combustible 12 et une deuxième boucle de refroidissement 16 pour refroidir le moteur électrique 10 sa commande de puissance 13. boucle 14 est parcourue par un premier fluide de refroi dissement qui est de l'eau désionisée, c' -à-dire de l'eau pure, étant donné qu'il s'agit du seul fluide utilisable pour refroidissement d'une telle pile à combustible. revanche, la boucle de refroidissement est parcourue un mélange d'eau et d'antigel, par exemple de l'éthylène glycol, comme utilisé classiquement dans circuits de refroidissement des moteurs de véhicule automobile. échangeur de chaleur 18 du type liquide/liquide est interposé entre les boucles 14 et 16 et permet ainsi d'échan- de la chaleur entre les deux boucles, sans mélange de leurs fluides de refroidissement respectifs. échangeur de chaleur 18 est réalisé dans un matériau approprié, compatible avec les deux fluides de refroidissement, par exemple en acier inoxydable. boucle 14 comprend une branche principale 20 et une branche secondaire 22. La branche 20 contient la pile 12, échangeur de chaleur 18, un vase de remplissage et de dégazage 24 servant également à l'expansion du premier fluide refroidissement, ainsi qu'une pompe électrique 26 propre à assurer la circulation du premier fluide de refroidissement dans le sens indiqué par les flèches. Le vase d'expansion 24 est avantageusement équipé de moyens de régulation thermique, constitués d'au moins une résistance electrique chauffante (non représenté). branche secondaire 22 contient un vase de stockage thermique 28 qui comprend des moyens d'isolation thermique et peut etre, par exemple, du type "Thermos" (nom déposé). Ce vase possède ainsi une bonne qualité d'isolation thermique qui permet de conserver le fluide de refroidissement, ici de l' désionisée, à une température superieure à 0 C, et cela pendant plusieurs jours, même si la température exté rieure en dessous de 0 C. Par ailleurs, le vase 28 est équipé de résistances électri ques de très faible puissance (de l'ordre d'une dizaine de Watts) permettant de réchauffer le fluide refroidissement dans vase si la température extérieure se rapproche de 0 C. La branche secondaire 22 est reliée à la branche principale 20 par moyens de commutation qui comprennent une première vanne 30 et une deuxième vanne 32 placées respectivement à la sortie et à l'entrée du vase de stockage thermique 28, ainsi qu'une pompe d'aspiration 34 placée entre deuxième vanne 32 et le vase de stockage thermique 28. La pompe d'aspiration 34 est une pompe électrique de faible puissance, par exemple de 10 à 20 Watts, et les vannes 30 et 32 sont avantageusement des vannes à commande pneumatique ou électrique. Comme on peut le voir sur les figures 1 et , des moyens de commande 36 (représentés schématiquement) sont prévus pour piloter les moyens de commutation, c'est-à-dire les vannes 30 et 32 et la pompe d'aspiration 34. Le vase d'expansion 24 et le vase de stockage 28 sont reliés par un conduit de dégazage 38 (figure 2). La boucle de refroidissement 14 est en outre munie de moyens d'isolation thermique 40, avantageusement constitués d'une enceinte isolante ou d'un autre moyen d'isolation thermique qui englobe l'ensemble de la boucle 14, y compris la pile à combustible 12 et l'échangeur de chaleur La boucle de refroidissement 16 du moteur electrique 10 est parcourue par un fluide de refroidissement distinct, à savoir un mélange d'eau et d'antigel, qui n'est donc pas susceptible de geler. Dans ces conditions, il n'est pas nécessaire de l'entourer d'une isolation thermique. La boucle 16 est divisée deux branches . une branche principale 42 et une branche secondaire 44, reliées entre elles par une vanne thermostatique 46 du type à trois voies, montée à leur jonction. La branche principale 42 intègre l'échangeur de chaleur 18, tandis que la branche secondaire 44 intègre un radiateur 48, du type liquide/air, qui est parcouru par le second fluide de refroidissement et qui est balayé par un flux d'air F provenant de l'extérieur du véhicule, ce flux. d'air étant avantageusement forcé par un groupe moto-ventilateur 50. La vanne thermostatique 46 est pilotée en fonction de la température du liquide de refroidissement dans la boucle 16. Lorsque la température détectée est inférieure à un seuil donné (généralement de l'ordre de 60 C), le second fluide de refroidissement circule en circuit fermé dans la branche principale 42, alors que la branche secondaire 44 est isolée. Par contre, dès que la température détectée atteint ou dépasse le seuil précité, vanne 46 fait circuler le second fluide de refroidissement dans la branche principale 42 et dans une dérivation 54 de cette dernière. La dérivation 54 comprend un organe de refroidissement 56 servant au refroidissement du moteur électrique 10 et de la commande de puissance 13, un échangeur de chaleur 58 servant au refroidissement d'un auxiliaire de la pile à combustible et un vase d'expansion 60 servant à compenser les variations de volume du second fluide de refroidissement. La branche principale 46 comprend en outre un radiateur de chauffage 62, appelé "aérotherme", servant au chauffage de l'habitacle du véhicule. Ce radiateur 62 est propre à être balayé par un flux d'air qui est ensuite envoyé dans l'habitacle du véhicule. La branche principale 42 comprend en outre une pompe électri que 64 propre à assurer la circulation du fluide de refroi dissement. I1 en résulte que la pile à combustible 12 est refroidie par de 'eau désionisée parcourant en circuit fermé la boucle 14, tandis que le moteur électrique 10, la commande de puissance 13 et l'auxiliaire sont refroidis par un mélange d'eau et d'antigel parcourant la boucle 16. Les boucles 14 et 16 échangent de la chaleur entre elles par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 18. Ainsi, la chaleur prélevee de la pile est transférée à la boucle 16 et cette chaleur est éliminée par échange thermique avec le flux d'air F. moyens de commande 36, associés à la boucle 4, sont propres à piloter les moyens de commutation (vannes 30 et 32 et pompe d'aspiration 34) en différents modes de fonctionne ment. Dans un mode de fonctionnement normal, le vase de stockage 28 est vide, les vannes 30 et 32 sont fermées et la pompe d'aspiration 34 est à l'arrêt. Le fluide de refroidissement circule alors uniquement dans la branche principale 20 sous l'action de la pompe électrique 26 qui est actionnée. Dans un mode d'arrêt, c'est-à-dire à l'arrêt du véhicule, et quand la température extérieure est proche de 0 C ou infé rieure à 0 C et pour un arrêt de longue durée, les moyens de commande agissent de la manière suivante. La vanne 30 est en position fermée, la vanne 32 est en position ouverte et la pompe d'aspiration 34 est en fonctionnement. Le fluide de refroidissement est ainsi aspiré de la branche principale 20 et de la pile à combustible 12 pour remplir le vase de stockage 28. Lorsque le vase de stockage est plein, la pompe d'aspiration s'arrête. Cet arrêt de la pompe peut être obtenu de différentes manières, par exemple, grâce à un relais de trop-plein du vase ou à une temporisation. Les moyens de commande sont propres également ' mettre le dispositif dans un mode de stockage, dans lequel le vase de stockage est plein, les vannes 30 et 32 sont chacune en position fermée et la pompe d'aspiration 34 est arrêtée. Dans ce mode fonctionnement, le fluide de refroidissement est stocké dans le vase, tandis que la branche principale 20, y compris pile 12, est vide. Dans le mode d'arrêt, l'air contenu dans le vase stockage 28 est poussé vers le vase d'expansion 24 en empruntant le conduit dégazage 38. De plus, dans le mode arrêt, un compresseur d'air (non représenté) de la pile à combustible peut être mis en fonctionnement pour assécher parois internes de la pile à combustible. Ainsi, la pile est complètement vidée d'eau désionisée et il ne risque plus d'y avoir de problème de dégâts causés par le gel. Dans un mode de démarrage, la vanne 32 est en position fermée, la vanne 30 est d'abord en position ouverte pour laisser le fluide de refroidissement depuis le vase de stockage vers la branche principale 20, puis cette vanne 30 est fermée lorsque le vase de stockage est vide. Cette fermeture la vanne 30 peut être obtenue par un relais ou par une temporisation. Ainsi, la branche principale 20 est à nouveau remplie et peut assurer le refroidissement de la pile à combustible, la pompe de circulation 26 étant actionnée. Le dispositif de l'invention offre ainsi l'avantage de pouvoir stocker, après l'arrêt du véhicule, et en cas de risque gel, le fluide de refroidissement de la pile à combustible dans un vase de stockage qui possède de bonnes propriétes d'isolation thermique et qui peut réchauffer, si nécessaire ce fluide grâce à des résistances électriques de très faible puissance qui ont donc une faible consommation électrique que la pile à combustible est vidée de son fluide de refroidissement, il n'y a plus de risque de gel car cette pile est protégée de tout risque de formation de glace. moyens utilisés pour stocker le fluide refroidissement dans le vase de stockage nécessitent une faible consommation electrique, sans risque de consommer la totalité de l'énergie électrique fournie par la batterie du véhicule et sans risque de détruire la pile à combustible. Bien entendu, l'invention n'est pas limitee à la forme de réalisation décrite précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes. Ainsi, par exemple, le circuit de refroidissement de la pile à combustible et le circuit de refroidissement du moteur électrique pourraient être complètement independants, c'est- à-dire sans prévoir d'échangeur de chaleur entre eux. Revendications 1. Dispositif de refroidissement pour un véhicule moteur électrique alimenté par une pile à combustible, comprenant une boucle de refroidissement de la pile à combustible qui est parcourue par un fluide de refroidissement sous l'action d'une pompe de circulation, caractérisé en ce que la boucle de refroidissement (14) comprend une branche principale (20) qui contient la pile à combustible (12), une branche secondaire (22) qui contient un vase de stockage thermique (28), ainsi que des moyens de commutation (30, 32, 34) interposés entre lesdites branche principale et branche secondaire et propres à placer la boucle de refroidissement (14) dans plusieurs modes de fonctionnement comprenant un mode normal dans lequel le fluide de refroidissement circule dans la branche principale (20) tandis que le vase de stockage thermique (28) est vide, et un mode de stockage dans lequel le fluide de refroi dissement est stocké dans le vase de stockage thermique (28), tandis que la branche principale (20) est vide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent au moins une vanne (30, 32) ainsi qu'une pompe d'aspiration (34) propre à aspirer le fluide refroidissement contenu dans la branche principale (20) pour remplir le vase de stockage thermique (28). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent une première vanne (30) et une deuxième vanne (32) placées respectivement à la sortie et l'entrée du vase de stockage thermique (28), et en ce que la pompe d'aspiration (34) est placée entre la deuxième vanne (32) et le vase de stockage thermique (28). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (56) propres à piloter les moyens de commutation dans les modes de fonctionnement suivants a) mode de fonctionnement normal : dans lequel le vase de stockage (28) est vide, la première vanne (30) et la deuxième vanne (32) sont en position fermée et la pompe d'aspiration (34) est à l'arrêt, b) mode d'arrêt : dans lequel la première vanne (30) est en position fermée, la deuxième vanne (32) est en position ouverte, et la pompe d'aspiration (34) est en fonctionnement pour aspirer le fluide de refroidissement de la branche principale (20) et de la pile à combustible (12) et pour remplir le vase de stockage (28), puis la pompe d'aspiration (34) s'arrête lorsque le vase de stockage (28) est plein, c) mode de stockage : dans lequel le vase de stockage (28) est plein, la première vanne (30) et la deuxième vanne (32) sont chacune en position fermée et la pompe d'aspiration (34) est arrêtée, et d) mode de démarrage : dans lequel la deuxième vanne (32) est en position fermée et la première vanne (31) est d'abord en position ouverte pour laisser passer le fluide de refroidis sement du vase de stockage (28) vers la branche principale (20) puis est amenée en position fermée lorsque le vase de stockage est vide. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le mode d'arrêt, un compresseur d'air de la pile combustible (12) est mis en fonctionnement pour assécher les parois internes de la pile à combustible. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caracterisé en ce que la branche principale (20) comprend un vase d'expansion (24) et en ce qu'il est prévu un conduit de dégazage (38) reliant le vase de stockage thermique (28) et le vase d'expansion (24) pour établir une circulation d'air entre 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce le vase d'expansion (24) comprend des moyens de régula tion thermique. 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le vase de stockage (28) comprend une isolation thermique et des moyens de régulation thermique. 9 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'isola tion thermique (14) de la boucle de refroidissement (14) de pile à combustible (12). Dispositif selon l'une des revendications à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une boucle de refroidissement (16) du moteur électrique (10) est parcourue par un fluide de refroidissement distinct ainsi 'un échangeur de chaleur (18) interposé entre la boucle de refroidissement (14) de la pile à combustible et la boucle de refroidissement (16) du moteur électrique. Dispositif selon la revendication 10, caractérise en ce que la boucle de refroidissement (16) du moteur électrique (10) comprend un radiateur de refroidissement (48) propre à être parcouru par le fluide de refroidissement et à être traversé par un flux d'air (F).