Brevet FR2809535A1 — publié le 20011130

Dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible La présente invention se rapporte au domaine technique des dispositifs de contrôle de la température d'une pile à combustible. Le principe de fonctionnement des piles à combustible de type PEM (Proton Exchange Membrane) repose sur unie réaction électrochimique entre un carburant (par exemple de l'hydrogène) et un comburant (par exemple de l'oxygène), et produit en sortie de l'énergie électrique. Une pile à combustible se compose de l'empilement de plusieurs cellules, la réaction électrochimique ayant lieu dans chaque cellule. Typiquement, les piles à combustible fournissant des puissances élevées, comme celles destinées à équiper des véhicules automobiles électriques, comprennent au moins une centaine de cellules. La réaction électrochimique est exothermique, et provoque une élévation de la température dans chaque cellule constituant la pile, lors de son fonctionnement, --par rapport au milieu extérieur. L'élévation de température présente l'avantage de catalyser certains phénomènes intervenant dans la réaction électrochimique, et d'augmenter le rendement de la pile à combustible. Toutefois, de part sa structure même, la pile à combustible ne peut accepter des températures trop élevées. En effet, chaque cellule comprend au moins une membrane en polymère dont les caractéristiques se dégradent de façon irréversible lorsque la température dépasse une limite supérieure de l'ordre de 100' Celsius. Afin de contrôler la température des cellules de la pile à combustible, celle-ci intègre généralement un circuit de refroidissement, traversé par un fluide caloporteur, par exemple de l'eau. L'alimentation en fluide caloporteur et le contrôle de la température du fluide sont assurés par un circuit auxiliaire de refroidissement, auquel le circuit de refroidissement est relié, et comprenant principalement un organe de dissipation thermique et une pompe de circulation. La publication US 4 640 873 décrit un tel système de contrôle de température de pile à combustible dans lequel chaque cellule est traversée par le fluide caloporteur au moyen de conduits d'entrée et de sortie de fluide caloporteur spécifiques à chaque cellule.- Chaque cellule comporte un capteur de température de cellule, et chaque conduit de sortie est équipé d'une vanne permettant de réguler le débit du fluide caloporteur dans la cellule. Un calculateur détermine à partir des différentes valeurs de température de cellules des commandes d'actionnement des vannes afin de contrôler les températures de chaque cellule. Une pile à combustible destinée à équiper un véhicule automobile électrique comportant au moins une centaine de cellules, l'emploi d'un système de refroidissement, tel que décrit dans la publication US 4 640 873, nécessiterait l'utilisation d'une centaine de capteurs de température et de vannes de régulation. Un tel système présenterait donc un coût relativement important et une mise en #uvre complexe. La présente invention vise à obtenir un dispositif de régulation de la température d'une pile à combustible de conception simple et présentant un coût réduit. Dans ce but, elle propose un dispositif de régulation de la température de fonctionnement d'une pile à combustible reliée à un circuit d'alimentation en carburant, un circuit d'alimentation en comburant, ladite pile intégrant en outre un circuit de refroidissement relié à un circuit auxiliaire de refroidissement assurant la mise en circulation d'un fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement au moyen d'une pompe, comportant des moyens.de régulation, du, débit du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement, pilotés par un signal de commande élaboré par un calculateur à partir d'un signal issu d'un capteur de température, ledit capteur de température étant situé à l'extérieur de la pile. Selon une autre caractéristique de l'invention, le capteur de température est placé sur le circuit auxiliaire de refroidissement en aval de la pile, selon le sens de circulation du fluide caloporteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le capteur de température est placé sur le circuit d'alimentation de la pile en comburant en aval de la pile, selon le sens de circulation du comburant. Selon une autre caractéristique de l'invention, le calculateur comporte une zone de mémoire dans laquelle est mémorisée une température de consigne, ledit calculateur élaborant le signal de commande à partir du signal issu du capteur de température et de la température de consigne. ' Selon une autre caractéristique de l'invention, la température de consigne est une constante. Selon une autre caractéristique de l'invention, le calculateur reçoit un signal représentatif de la charge de la pile à combustible, et la température de consigne varie suivant l'état de charge de la pile à combustible. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit auxiliaire de refroidissement comporte un réservoir de fluide caloporteur placé en amont de la pompe, selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et les moyens de régulation du débit du fluide caloporteur comportent une vanne, dont l'ouverture est pilotée par le signal de commande issu du calculateur, placée sur le circuit auxiliaire de refroidissement en parallèle avec la pompe, et reliant le circuit auxiliaire de refroidissement en aval de la pompe, selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et le réservoir de fluide caloporteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit auxiliaire de refroidissement comporte un réservoir de fluide caloporteur placé en amont de la pompe selon le sens de circulation du fluide caloporteur, les moyens de régulation du débit du fluide caloporteur comportent une vanne, dont l'ouverture est pilotée par le signal de commande issu du calculateur, placée sur le circuit auxiliaire de refroidissement en aval de la pompe, selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et un clapet est placé sur le circuit auxiliaire de refroidissement en parallèle avec la pompe, et relie le circuit auxiliaire de refroidissement en aval de la pompe, selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et le réservoir de fluide caloporteur, ledit clapet étant adapté pour maintenir une différence de pression sensiblement constance au niveau de la pompe. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de régulation du débit de fluide caloporteur comportent un moteur entraïnant la pompe, le débit de fluide caloporteur assuré par la pompe étant relié à la vitesse d'entraînement du moteur, ladite vitesse d'entraînement du moteur étant piloté par le signal de commande issu du calculateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaftront à la lecture de la description qui va suivre en référence aux dessins dans lesquels - la figure 1 représente de façon schématique un système de refroidissement d'une pile à combustible, - la figure 2 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 3 représente une variante du premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans la suite de la description les éléments communs aux différents modes de réalisation comportent une référence identique, Une pile à combustible 11, représentée sur la figure 1, est composée par un empilement de cellules. Chaque cellule est le lieu d'une réaction électrochimique entre un carburant, par exemple de l'hydrogène, et un comburant, par exemple de l'oxygène. Ces réactions électrochimiques, exothermiques, sont sources de calories. Un circuit de refroidissement 12 est intégré à la dite pile 11. Le circuit de refroidissement 12 permet le passage, dans les différentes cellules composant la pile à combustible 11, d'un fluide caloporteur susceptible d'absorber des calories issues des réactions exothermiques. Le fluide caloporteur est par exemple de l'eau. L'alimentation du circuit de refroidissement 12 en fluide caloporteur est assurée au moyen d'un circuit auxiliaire de refroidissement 10 qui se compose d'un conduit d'apport 15 de fluide caloporteur et d'un conduit de récupération 16 de fluide caloporteur, les deux conduits étant reliés au circuit de refroidissement 12, d'une pompe 14 assurant la mise en circulation du fluide caloporteur dans le circuit auxiliaire de refroidissement 10 et le circuit de refroidissement 12, et d'un organe de dissipation thermique 13, destiné à retirer des calories au fluide caloporteur. Le sens de circulation du fluide caloporteur dans le circuit auxiliaire de refroidissement 10 est représenté, sur les différentes figures, par des flèches. Trois autres circuits d'alimentation, non représentés, peuvent traverser la pile à combustible 11 : un circuit d'alimentation en carburant, un circuit d'alimentation en comburant, et éventuellement un circuit d'humidification. Le dispositif de régulation de la température de la pile 11, dont un premier mode de réalisation est représenté sur la figure 2, comporte un calculateur 17 qui reçoit des signaux émis par un capteur de température 18. Un réservoir d'eau 20, dont le rôle est d'assurer une pression de référence, est placé sur le circuit auxiliaire de refroidissement 10, en amont de la pompe 14. Une vanne 19 est montée en parallèle par rapport à la pompe 14, et relie le circuit auxiliaire de refroidissement 10, en aval de la pompe 14 avec le réservoir d'eau 20. La vanne 19 est adaptée pour être pilotée par le calculateur 17. L'emplacement du capteur de température 18 est tel que la valeur de température mesurée est représentative du comportement de la pile. La demanderesse a pu mettre en évidence qu'une température mesurée au niveau du circuit auxiliaire de reftoidissement 10, sur le conduit de récupération 16 de fluide caloporteur, en aval de la pile à combustible 11, est représentative du comportement de la pile 11. Un autre emplacement convenable pour la mesure d'une température représentative du comportement de la pile 11 se situe sur le circuit d'alimentation en comburant de la pile 11, là encore, en aval de la pile 11, selon le sens de circulation du comburant. Le calculateur 17 élabore, à partir de la valeur de température issue du capteur de température 18 et d'une température de consigne, un signal de commande de la vanne 19 à partir d'une loi de commande. La température de consigne peut être une valeur de température constante correspondant à un fonctionnement optimum de la pile à combustible 11. Il peut s'agir aussi d'une loi de température variant selon la charge de la-pile 11. Dans ce cas, le calculateur 17 est adapté pour connaître l'état de charge de la pile 11 par tout moyen connu, comme, par exemple, en étant relié à un capteur du courant produit par la pile 11. La température de consigne est celle pour laquelle la pile fonctionne de façon optimale. Typiquement, la température de consigne, correspondant à une constante, ou à une loi de température, éventuellement contrôlée par des paramètres de fonctionnement de la pile à combustible, ainsi que la loi de commande, sont enregistrées dans une zone de mémoire du calculateur 17. Le signal de commande de la vanne 19 est telle que la valeur de la température représentative tende vers la valeur de température de consigne. L'ouverture commandée de la vanne 19 permet la régulation de la température de la pile 11 par l'intermédiaire de la température représentative issue du capteur de température 18. Selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention, représentée sur la figure 3, la vanne 19 pilotée par le calculateur 17 est située sur le circuit auxiliaire de refroidissement 10 en aval de la pompe 14. Un clapet 21 relie le circuit auxiliaire de refroidissement 10, dans sa partie située entre la pompe 14 et la vanne 19, et le réservoir d'eau 20. Ses caractéristiques sont adaptées pour assurer un différentiel de pression sensiblement constant au niveau de la pompe 14. La commande de la vanne 19 par le calculateur 17 est réalisée selon les mêmes principes qu'exposées précédemment. Un second mode de réalisation de la présente invention est représenté >sur la figure 4. Selon ce second mode, le calculateur 17 commande directement le débit de la pompe 14. Le contrôle du débit de la pompe 14 peut être obtenu par un contrôle de la vitesse de rotation d'un moteur 22 entramant la pompe 14. Selon ce second mode de réalisation, le signal de commande du moteur 22 entraînant la-pompe 14 est élaboré par le calculateur 17 à partir de la valeur de température, issue du capteur de température 18, et d'une valeur de température de consigne selon le principe décrit précédemment. Le dispositif selon l'invention permet de contrôler la température d'une pile à combustible à partir d'une unique valeur de température, dite température représentative du comportement de la pile. L'emplacement de la mesure de la température représentative est déterminé à la fois par des expérimentations, et/ou par une étude théorique de la pile. De même, la température de consigne (constante où exprimée selon une loi de température de consigne) est, elle aussi, déterminée expérimentalement et/ou par une étude théorique de la pile. En outre, le fait que la mesure de la température représentative du comportement de la pile soit réalisée sur des moyens extérieurs à la pile, à savoir le circuit auxiliaire de refroidissement, ou le circuit d'alimentation en comburant, permet l'obtention d'un dispositif de régulation de conception particulièrement simple. En effet, une mesure directe de la température des membranes des différentes cellules constituant la pile présenterait de grandes difficultés techniques de mise en #uvre. Le présent dispositif est de conception et de montage particulièrement simples. Comme la régulation de la température de la pile est obtenue par l'intermédiaire d'un unique actionneur (la vanne ou la pompe), on obtient une régulation particulièrement rapide. Le présent dispositif permet une optimisation énergétique puisqu'à tout moment la pile est maintenue à son point de fonctionnement optimal. En outre, 'le présent dispositif optimise également la consommation énergétique due au circuit auxiliaire de refroidissement. En effet, dans le premier mode de réalisation, la pompe assure un débit constant, le débit alobal du circuit auxiliaire de refroidissement étant régulé au moyen d'une vanne. Il est ainsi possible de fixer le débit de la pompe au point de fonctionnement optimal de la pompe. Dans le second mode de réalisation, le débit de la pompe est régulé suivant la température de consigne à atteindre. De ce fait, la conson-unation énergétique de la pompe est directement liée à la température de consigne à atteindre. La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi, le calculateur pilotant la vanne ou la pompe régulant le débit du circuit auxiliaire de refroidissement peut il être intégré à un autre calculateur du véhicule. REVENDICATIONS I.Dispositif de régulation de la température de fonctionnement d'une pile à combustible (11) reliée à un circuit d'alimentation en carburant, un circuit d'alimentation en comburant, ladite pile à combustible (11) intégrant en outre un circuit de refroidissement (12) relié à un circuit auxiliaire de refroidissement (10) assurant la mise en circulation d'un fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement (12) au moyen d'une pompe (14), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation (19,22), du débit du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement (12), pilotés par un signal de commande élaboré par un calculateur (17) à partir d'un signal issu d'un capteur de température (18), ledit capteur de température (l 8) étant situé à l'extérieur de la pile à combustible (11). 2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de température (18) est placé sur le circuit auxiliaire de refroidissement (10) en aval de la pile à combustible (11), selon le sens de circulation du fluide caloporteur. 3.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de température (18) est placé sur le circuit d'alimentation de la pile à combustible (11) en comburant, en aval de la pile à combustible (11), selon le sens de circulation du comburant. 4.Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le calculateur (17) comporte une zone de mémoire dans laquelle est mémorisée une température de consigne, ledit calculateur (17) élaborant le signal de commande à partir du signal issu du capteur de température (l 8) et de la température de consigne. 5.Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température de consigné est une constante. 6.Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le calculateur (17) reçoit un signal représentatif de la charge de la pile à combustible (11), et en ce que la température de consigne varie suivant l'état de charge de la pile à combustible (11). 7.Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé le circuit auxiliaire de refroidissement (10) comporte un réservoir de fluide caloporteur (20) placé en amont de la pompe (14) selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et en ce que les moyens de régulation (19,22) du débit du fluide caloporteur comportent une vanne (19), dont l'ouverture est pilotée par le signal de commande issu du calculateur (17), placée sur le circuit auxiliaire de refroidissement (10) en parallèle avec la pompe (14), et reliant le circuit auxiliaire de refroidissement (10) en aval de la pompe (14), selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et le réservoir de fluide caloporteur (20). & Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit auxiliaire de refroidissement (10) comporte un réservoir de fluide caloporteur (20) placé en amont de la pompe (14), selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et en ce que les moyens de régulation (19,22) du débit du fluide caloporteur comportent une vanne (19), dont l'ouverture est pilotée par le signal de commande issu du calculateur (17), placée sur le circuit auxiliaire de refroidissement (10) en aval de la pompe, selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et en ce qu'un clapet (21) est placé sur le circuit auxiliaire de refroidissement (10) en parallèle avec la pompe (14), et relie le circuit auxiliaire de refroidissement (10) en aval de la pompe (14), selon le sens de circulation du fluide caloporteur, et le réservoir de fluide caloporteur (20), ledit clapet (21) étant adapté pour maintenir une différence de pression sensiblement constance au niveau de la pompe (14). 9.Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de régulation (19,22) du débit de fluide caloporteur comportent un moteur (22) entraînant la pompe (14), le débit de fluide caloporteur assuré par la pompe (14) étant relié à la vitesse d'entraînement du moteur (22), ladite vitesse d'entraînement du moteur (22) étant piloté par le signal de commande issu du calculateur (17).