Brevet FR2821297A1 — publié le 20020830

polyamide aliphatique se contractant sous l'effet de la chaleur. 2821 297 L' invention concerne un procédé de chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile propulsé au moyen d'énergie électrique produite par une pile à combustible produisant en outre de l'énergie calorifique qui, par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur est sélectivement soit évacuée vers l'extérieur du véhicule par -l'intermédiaire d'un radiateur, soit utilisée pour chauffer ledit habitacle par l'intermédiaire d'un aérotherme, ladite pile à combustible étant pourvue d' au o moins un accessoire qui lui est nacessaire pour fonctionner et qui produit des gaz chauds. On connaît, par exemple selon le document JP 6 260 196, un procédé consistant à chauffer l'habitacle d'un véhicule automobile par introduction dans cet habitacle i5 d' air extérieur et réchauffé en passant par un aérotherme branché sur le circuit de refroidissement de la pile à combustible et chauffé par l'énergie calorifique produite par cette dernière. Cependant, dans certaines ciraonstances d'utilisation du véhicule, la puissance calorifique délivrée par la pile à combustible ne peut couvrir les besoins calorifiques de l'habitacle. En effet, le rendement d'un système de propulsion à pile à combustible est globalement supérieur à celui d'un véhicule dit thermique, c'est-à- dire équipé d'un moteur thermique. Le rendement représente le rapport entre la puissance transmise aux roues du véhicule et la puissance mise à disposition du système de propulsion. A une puissance transmise aux roues identique, la puissance à produire, et donc la puissance calorifique associée à cette production, est ainsi plus faible pour un véhicule électrique équipé d'une pile à combustible que pour un véhicule thermique. Dans le cas d'un véhicule équipé d'une pile à combustible, la puissance calorifique transmise à l' air 2821 297 de chauffage peut ainsi s'avérer insuffisante pour couvrir les besoins calorifiques de l'habitacle, par exemple si le véhicule roule lentement ou s'arrête fréquemment (feux rouges, embouteillages, etc.). Dans cette dernière situation, si le moteur d'un véhicule thermique continue à tourner et à produire une quantité importante d'énergie calorifique durant les arrêts du véhicule, il n'en est pas de même pour une pile à combustible dont on peut interrompre le fonctionnement. La durée et la fréquence des arrêts peuvent être telles que l'énergie calorifique délivrée par la pile à combustible ne suffise plus à satisfaire les besoins calorifiques de l'habitacle. Le déficit d'énergie calorifique peut être comblé par des solutions classiques comme l' implantation de résistances électriques chauffant le fluide caloporteur circulant dans le circuit de refroidissement avant son passage à travers l'aérotherme. Ces solutions augmentent cependant sensiblement la consommation du véhicule. Le but de la présente invent'ion est de fournir un procédé de chauffage de l'habitacle d'un véhicule équipé d'une pile à combustible qui, quand l'énergie calorifique délivrée par la pile à combustible ne suffit pas à couvrir les besoins calorifiques de l'habitacle, n'augnente pas la consommation du véhicule. On atteint ce but au moyen d'un procédé de chauffage tel que défini en introduction qui est caractérisé en ce qu'il consiste à prélever sélectivement de l'énergie calorifique sur lesdits gaz chauds pour la transférer audit fluide caloporteur, notamment dans le cas o l'énergie calorifique fournie par la pile à combustible est insuffisante pour chauffer l'habitacle à la température souhaitée. Selon d'autres caractéristiques du procédé de la présente invention, 2821 297 - on prélève sélectivement de l'énergie calorifique sur lesUits gaz chauds pour la transférer audit fluide caloporteur dans le cas o la température d'entrce dans ledit aorotherme dudit fluide caloporteur est s inférieure à une température de seuil, - quand la température d'entrce dans ledit aérotherme dudit fluide caloporteur est supérieure à ladite température de seuil, on supprime toute relation de transfert thermique entre ledit fluide caloporteur et lo lesdits gaz chauds, - le procédé consiste à faire varier ladite température de seuil afin de faire varier la vitesse de variation de la température dudit habitacle, - le procédé consiste, le cas échéant, à interrompre le prélèvement de ladite énergie calorifique par détournement du flux dudit fluide caloporteur du flux desdits gaz chauds, - ledit accessoire est un brûleur destiné à maintenir la température d'un reformeur, fabriquant un combustible pour ladite pile à combustible (1), dans une plage de fonctionnement optimale dudit reformeur, - le procédé consiste, le cas échéant, à interrompre le prélèvement de ladite énergie calorifique par détournement du flux desdits gaz chauds du flux dudit fluide caloporteur, - ledit accessoire est un reformeur fabriquant un combustible pour ladite pile à combustible et/ou un compresseur comprimant de l' air servant de comburant à ladite pile à combustible. La présente invention concerne également un dispositif de chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile propulsé au moyen d'énergie électrique produite par une pile à combustible produisant en outre de l'énergie calorifique qui, par l'intermédiaire d'un 2821 297 fluide caloporteur amené à circuler dans un circuit de refroidissement de ladite pile à combustible, est sélectivement soit évacuce vers l'extérieur du véhicule par l'intermédiaire d'un radiateur, soit utilisée pour s chauffer ledit habitacle par l'intermédiaire d'un aérotherme, ladite pile à combustible étant pourvue d' au moins un accessoire qui lui est nécessaire pour fonctionner et qui produit des gaz chauds. Ce dispositif est remarquable en ce que ladit lo circuit de refroidissement comporte au moins un échangeur en relation de transfert thermique avec au moins un desdits accessoires et des moyens pour régler les débits desdits gaz chauds et/ou dudit fluide caloporteur à travers ledit échangeur. Selon d'autres caractéristiques de ce dispositif, - lesdits moyens pour régler le débit desdits gaz chauds à travers ledit échangeur comprennent une branche de dérivation desUits gaz chauds contournant ledit échangeur et de s moyens de répart it ion du débit desUit s gaz chauds entre ladite branche de dérivation et ladit échangeur, - lesUits moyens de répartition du débit desdits gaz chauds entre ladite branche de dérivation et ledit échangeur comprennent une vanne à trois voies connectée à une jonction entre ladite branche de dérivation et une branche du circuit desUits gaz chauds dans laquelle est inséré ladit échangeur, - ledit accessoire est un reformeur fabriquant un combustible pour ladite pile à combustible et/ou un compresseur comprimant de l' air servant de comburant à ladite pile à combustible, - lesdits moyens pour régler le débit dudit fluide caloporteur à travers ledit échangeur comprennent une branche de dérivation dudit fluide caloporteur contournant ledit échangeur et des moyens de i 2821 297 répartition du débit dudit fluide caloporteur entre ladite branche de dérivation et ledit échageur, - lesUits moyens de répartition du déUit dudit fluide caloporteur entre ladite branche de dérivation et ledit échangeur comprennent une vanne à trois voies connectée à une jonction entre ladite branche de dérivation et une branche dudit circuit de refroidissement dans laquelle est inséré ledit échangeur, - ledit accessoire est un brûleur destiné à maintenir la lo température d'un reformeur dans une plage de fonctionnement optimale dudit reformeur, - ladite vanne à trois voies est réglable en continu. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la :5 description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé sur lequel la figure unique représente un schéma de principe d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé dans le mode de réalisation préféré de la présente invention. Une pile à combustible 1 est montée à bord d'un véhicule V. Cette pile est associée à un échangeur thermique 2 qui est connecté dans une première branche 3 d'un circuit de refroidissement désigné globalement par la réLérence 4 et dans lequel circule un fluide caloporteur. La branche 3 du circuit de refroidissement 4 est connectée en parallèle à une deuxième branche 5 dans laquelle est connecté un radiateur 6 agencé pour céder de l'énergie du fluide caloporteur vers l'extérieur du véhicule. Une pompe de circulation 7 est prévue dans la première branche 3. Le circuit de refroidissement 4 comprend également une troisième branche 8 dans laquelle sont connectés en série un aérotherme 9 et trois échangeurs thermiques 10, 11 et 12. : Les trois branches 3, 5 et 8 du circuit de refroidissement aboutissent toutes trois à une vanne à trois voies 13 à l' aide de laquelle il est possible de réquler le débit du fluide caloporteur qui y circule. L'aérotherme 9 est traversé par de l'air venant de l'extérieur du véhicule qui est injecté dans l'habitacle de celui-ci, symbolisé par le rectangle H. Cette circulation est repérce par la référence 14. Les échangeurs 10, 11 et 12 sont associés à trois lo accessoires de la pile à combustible 1. Ces accessoires sont nécessaires au fonctionnement de cette dernière et ils ont en commun de produire des gaz chauds. Ainsi le premier accessoire est un reformeur 15 destiné à produire le carburant de la pile 1. Ce dernier circule dans un circuit d'alimentation en gaz carburant 16 traversant l'échangeur 10. Le circuit d'alimentation 16 est pourvu d'une dérivation 17 contournant l'échangeur 10 et connectée à une vanne à trois voies 18 située entre le reformeur 15 et l'échangeur 10. Le reformeur 15 est alimenté par un réservoir 19 d'un carburant, du méthane ou de l' essence par exemple si le gaz carburant de la pile 1 est de l'hydrogène. Le deuxième accessoire est un compresseur 20 destiné à comprimer l'air extérieur qui lui parvient par une canalisation 21. La sortie du compresseur 20 est connoctée à un circuit d'alimentation en air comprimé 22 traversant l'échangeur 11 et menant à la pile 1. Ce circuit d'alimentation 22 peut présenter une dérivation 23 contournant l'échangeur 11 et branchée à une vanne à trois voies 24 insérée entre le compresseur 20 et l'échangeur 11. Le troisième accessoire de la pile 1 est un brûleur qui est associé au reformeur 15 pour le porter à la température de production du gaz carburant de la pile 1. Ce brûleur prélève de l'air extérieur par une canalisation 26 et rejette des gaz brûlés vers l'extérieur via une canalisation 27 en passant dans l'échangeur 12. Il reçoit du carburant de la pile 1 à savoir le gaz carburant résiduel que cette dernière ne consomme pas et qui lui parvient par l'intermédiaire d'une canalisation 28. Sur la troisième branche 8 du circuit de refroidissement est placoe une dérivation 29 contournant l'échangeur 12 et branchée à une vanne à trois voies 30 lo insérée dans cette troisième branche 8. Il est prévu également une unité de commande électronique 31 chargée de gérer le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit. Cette unité est connectée aux vannes 13, 18, 24 et 30 par l'intermédiaire de lignes électriques respectives 32 à 35. Elle est également reliée à un capteur de température 36 prévu, à l'entrce de l'aérotherme 9, dans la troisième branche 8 du circuit de refroidissement 4, à un organe de réglage 37 prévu dans l'habitacle H et destiné à la fixation d'une température de consigne à laquelle l'habitacle doit être chauffé et à un capteur de température 38 placé dans ce dernier pour fournir la valeur de température réelle qul y regne. Dans la description de l'exemple préféré de réalisation de l' invention, il est supposé que trois accessoires de la pile 1 producteurs d'énergie calorifique peuvent au besoin participer en supplément à l'échauffement de l'habitacle H. une possibilité de sélection étant prévue par l'intermédiaire des dérivations 17, 23 et 29 et les vannes à trois voies associées 18, 24 et 30. Cependant dans des variantes plus simples de l' invention, on pourrait n' exploiter l'énergie calorifique en excès que d'un seul ou de deux accessoires de la pile. Par ailleurs, si d'autres accessoires que ceux décrits produisaient de l'énergie calorifique en 2821 297 excès, celle-ci pourrait également être mise à profit en supplément. Selon une autre variante de l' invention, les échangeurs 10, 11 et 12 pourraient également, au lieu d'être connectés en série dans une seule branche du circuit de refroidissement être montés chacun dans une branche parallèle aux branches 3 et 5. Le fonctionnement du dispositif de gestion thermique qui vient d'être décrit est le suivant. lo Tous les accessoires produisant des gaz chauds, l' invention consiste à mettre à profit la production en excès d'énergie calorifique contenue dans ces gaz chauds pour, au besoin, la transférer dans l'aérotherme 9 chargé de chanffer l'habitacle H. Un tel besoin existe si la pile à combustible 1 elle-même n'est pas à même de fournir cette énergie calorifique. Ainsi, par exemple, le reformeur 15 produit de l'hydrogène (appelé ici gaz chaud) à une température relativement élevée qui peut être de 300 C si le reformeur 15 consomme du méthanol et de 800 C s'il s'agit d' essence. La température de fonctionnement de la pile 1 étant de 80 C, on comprend que, lorsque celle-ci fonctionne, on dispose d'une certaine quantité d'énergie en excès. De même, la compression de l'air dans le compresseur 20 fournit à l'air comprimé (un autre gaz chaud) une énergie calorifique qui n'est pas indispensable à la pile 1. Par ailleurs, le brûleur 25 produit des gaz brûlés à haute température dont une certaine quantité d'énergie calorifique n'est pas consommée par le reformeur 15. Dès lors, en faisant passer ces gaz chauds dans les échangeurs respectifs 10, 11 et 12, moyennant une réqulation appropriée réalisée par l'unité de commande électronique 31, on conçoit qu'il est possible 2821 297 d' exploiter l'énergie calorifique contenue dans ces gaz chauds pour la transférer au fluide caloporteur. Pour ce faire, l'unité de commande 31 peut agir sur les vannes 13, 18, 24 et 30 en fonction des données qui lui sont fournies par les capteurs 36 et 38 et par l'organe de réglage 37. A cet effet, les vannes 13, 18, 24 et 30 sont de préférence dotées d'une possibilité de réglage continu du débit de fluide qui les traverse, encore que l'utilisation de vannes de réglage par tout rien soit également envisageable. D'ailleurs, il est également possible de remplacer ces vannes à trois voies par des vannes simples connectées dans chacun des conduits concernés. On va maintenant décrire le procédé de chauffage de l' invention qui est exécuté à l'aide du dispositif de gestion thermique représenté sur le dessin. L'unité de commande électronique 31 détermine si l'habitacle H a besoin d'être chauffé. Un besoin calorifique dans l'habitacle H peut s'exprimer par une différence entre la température de consigne fixée par un utilisateur au moyen de l'organe de réglage 37 et la température réelle mesurée par le capteur 38. En cas de besoin calorifique, l'unité de commande électronique 31 détermine si la puissance calorifique Ppile mise à disposition pour l'habitacle H par la pile à combustible 1 suffit pour le couvrir. Dans le mode de réalisation préféré de l' invention, cette détermination s'effectue par comparaison de la température Tentrée du fluide caloporteur à l'entrce de l'aérotherme 9 mesurée par le capteur 36 avec une température de seuil Tseuilr définie comme égale à la température minimale du fluide caloporteur devant régner à l'entrée de l'acrotherme 9 pour fournir à l'habitacle H une puissance calorifique Pseuil' le déUit du fluide caloporteur à travers l'aérotherme 9 étant supposé maximal et donc celui à travers le radiateur 6 étant supposé nul. La puissance calorifique Pseuil est détermince de manière à dépasser les pertes calorifiques de l'habitacle H pour que la température de ce dernier puisse augmenter. Si la température Tentrée dépasse la température Tseuil, l'unité de commande électronique 31 actionne la vanne 13 de manière à faire passer tout le débit du fluide caloporteur à travers l'acrotherme 9, ce qui rend maximale la vitesse de chauffage de l'habitacle H. Cette situation est celle, par exemple, d'un véhicule V roulant au-delà d'une certaine vitesse. Dans ce cas, la puissance calorifique fournie en excès par les accessoires 15, 20 et 25 n'est pas nécessaire pour chauffer l'habitacle H. L'unité de commande 31 rend donc inactifs leurs échangeurs 10, 11 et 12 en commandant les vannes 18, 24 et 30 de manière à dériver tout le fluide qui les traverse par les dérivations respectives 17, 23 et 29. Dans le cas de l'échangeur 10 ou de l'échangeur 11, le flux des gaz chauds est détourné du flux du fluide caloporteur qui continue à traverser l'échangeur. Dans le cas de l' échangeur 12, c' est le flux du fluide caloporteur qui est détourné du flux des gaz chauds qui continuent à traverser l'échangeur. Dans un autre mode de réalisation de l' invention, le dispositif permet, pour un même échangeur, de dériver le flux des gaz chauds et/ou le flux du fluide caloporteur de l'échangeur. L'unité de commande 31 peut également limiter le débit à travers l'aérotherme 9 au moyen de la vanne 13 de manière à ne pas transférer à l' air de chauffage plus de puissance calorifique qu'une puissance déterminée, par exemple que la puissance de seuil, Pseuil. 2821 297 Mais, elle peut également faire en sorte que les échangeurs 10, 11 et 12 soient maintenus actifs à un faible déLit. Si la température Tentrée est inférieure à la température Tseuil, l'unité de commande 31 active au moins l'un des échangeurs 10, 11 ou 12 par la ou les vannes correspondantes 18, 24 ou 30 de manière à envoyer au moins une partie du fluide qui la ou les traverse dans l'échangeur correspondant. On augmente ainsi la quantité 0 de calories traversant l'aérotherme 9 et transférce à l'habitacle H. Dans ce cas, la puissance calorifique recue par le fluide caloporteur à travers le ou les échangeurs 10, 11 et 12 augmente la température Tentrée, j usqu'à la i5 température Tseuil. Cette situation est celle, par exemple, d'un véhicule V dans un embouteillage. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, la température de seuil, Tseuil, correspondant à une vitesse de variation de la température de l'habitacle H. est variable. L'unité de commande électronique 31 règle, par exemple en fonction d'une vitesse de variation qui lui est assignée, par exemple par un utilisateur du véhicule V, la température de seuil, Tseuil. Comme cela apparaît clairement à présent, le procédé selon la présente invention permet de chauffer l'habitacle H sans augmenter la consommation du véhicule V, notamment quand la puissance calorifique délivrée par la pile à combustible 1 ne suffit pas à couvrir les besoins calorifiques de l'habitacle H. 2821 297 REVENDICATIONS 1.Procédé de chauffage de l'habitacle (H) d'un véhicule (V) automobile propulsé au moyen d'énergie électrique produite par une pile à combustible (1) produisant en s outre de l'énergie calorifique qui, par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur est sélectivement soit évacuée vers l'extérieur du véhicule (V) par l'intermédiaire d'un radiateur (6), soit utilisce pour chauffer ledit habitacle (H) par l'intermédiaire d'un aérotherme (9), ladite pile à combustible (1) étant pourvue d' au moins un accessoire (15,20,25) qui lui est nécessaire pour fonctionner et qui produit des gaz chauds, caractérisé en ce qu'il consiste à prélever sélectivement de l'énergie calorifique sur lesdits gaz i5 chaubs pour la transférer audit fluide caloporteur, notamment dans le cas o l'énergie calorifique fournie par ladite pile à combustible (1) est insuffisante pour chauffer ledit habitacle (H) à la température souhaitée. 2.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prélève sélectivement de l'énergie calorifique sur lesdits gaz chauds pour la transférer audit fluide caloporteur dans le cas o la température d'entrée (Tentrée) dans ledit aérotherme (9) dudit fluide caloporteur est inférieure à une température de seuil (Tseuil) 3.Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, quand la température d'entrce (Tentrée) dans ledit acrotherme (9) dudit fluide caloporteur est supérieure à ladite température de seuil (Tseuil)r on supprime toute relation de transfert thermique entre ladit fluide caloporteur et lesdits gaz chauds. 2821 297 4.Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier ladité température de seuil (Tseuil) afin de faire varier la vitesse de variation de la température dudit habitacle (H). 5.Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, le cas échéant, à interrompre le prélèvement de ladite énergie calorifique par détournement du flux dudit fluide lo caloporteur du flux desUits gaz chauds. 6.Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit accessoire est un brûleur (25) destiné à maintenir la température d'un reformeur (15), fabriquant un combustible pour ladite pile à combustible (1), dans une plage de fonctionnement optimale dudit reformeur (15). 7.Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, le cas échéant, à interrompre le prélèvement de ladite énergie calorifique par détournement du flux desdits gaz chauds du flux dudit fluide caloporteur. 8.Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit accessoire est un reformeur (15) fabriquant un combustible pour ladite pile à combustible (1) et/ou un compresseur (20) comprimant de l'air servant de comburant à ladite pile à combustible (1). 9.Dispositif de chauffage de l'habitacle (H) d'un véhicule (V) automobile propulsé au moyen d'énergie électrique produite par une pile à combustible (1) produisant en outre de l'énergie calorifique qui, par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur amené à circuler dans un circuit de refroidissement (4) de ladite pile à combustible (1), est sélectivement soit évacuce vers l'extérieur du véhicule (V) par l'intermédiaire d'un radiateur (6), soit utilisée pour chauffer ledit habitacle (H) par l'intermédiaire d'un acrotherme (9), ladite pile à combustible (1) étant pourvue d' au moins un accessoire (15,20,25) qui lui est nocessaire pour fonctionner et qui produit des gaz chaubs, caractérisé en ce que, ledit circuit de refroidissement (4) comporte au moins un échangeur (10,11,12) en relation de transfert thermique avec au moins n desdits accessoires (15,20,25) et des moyens (18,24,30,17,23,29) pour régler les débits desdits gaz chauds et/ou dudit fluide caloporteur à travers ledit échangeur (10,11,12). lO.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens pour régler le déhit desdits gaz chauds à travers ledit échangeur (10,11) comprennent une branche de dérivation (17,23) desdits gaz chauds contournant ledit échangeur (10,11) et des moyens de répartition du débit desdits gaz chauds entre ladite branche de dérivation (17,23) et ladit échangeur (10,11). ll.Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesUits moyens de répartition du débit desdits gaz chauds entre ladite branche de dérivation (17,23) et ledit échangeur (10,11) comprennent une vanne à trois voies (18,24) connectée à une jonction entre ladite branche de dérivation (17,23) et une branche (16,22) du circuit desdits gaz chauds dans laquelle est inséré ledit échangeur (10,11). 12.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que ledit accessoire est un 2821 297 reformeur (15) fabriquant un combustible pour ladite pile à combustible (1) et/ou un compresseur (20) comprimant de l' air servant de comburant à ladite pile à combustible (1). 13.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesUits moyens pour régler le débit dudit fluide caloporteur à travers ledit échangeur (12) comprennent une branche de dérivation (29) dudit fluide caloporteur contournant ledit échangeur (12) et des moyens de lo répartition du débit dudit fluide caloporteur entre ladite branche de dérivation (29) et ledit échangeur (12). 14.Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens de répartition du déLit dudit fluide caloporteur entre ladite branche de dérivation (29) et ledit échangeur (12) comprennent une vanne à trois voies (30) connectée à une jonction entre ladite branche de dérivation (29) et une branche (8) dudit circuit de refroidissement (4) dans laquelle est inséré ledit échangeur (12). 15.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que ledit accessoire est un brûleur (25) destiné à maintenir la température d'un reformeur (15) dans une plage de fonctionnement optimale dudit reformeur (15). 16.Dispositif selon l'une queleonque des revendications 11 et 14, caractérisé en ce que ladite vanne à trois