Brevet FR2840110A1 — publié le 20031128

B 14087.3 AP 284011 0 Systeme de traction a pile a combustible pour vehicule. La presente invention concerne les systemes de traction a pile a combustible de vehicules, notamment automobiles, utilisant un reformeur, et plus particulierement les moyens de maintien en temperature du reformeur. Il est connu d'utiliser pour la propulsion des vehicules, des moteurs electriques dont l'energie electrique est fournie par une pile a combustible. Une telle pile est alimentee en hydrogene et en oxygene qui se recombinant en eau, en produisant de la chaleur et une tension electrique entre les electrodes. L'avantage de cette source d'energie, par rapport aux batteries electriques classiques, est une autonomic superieure pour un encombrement et une masse moindres. Par rapport aux moteurs a explosion classiques, un avantage reside dans l' absence de rejets polluants. Les piles a combustible consomment de l'hydrogene. Le stockage d'hydrogene a bord d'un vehicule sous une pression de l'ordre de 700 bars presente des dangers et requiert des reservoirs de masse elevee. Ainsi, une solution interessante consiste a fabriquer l'hydrogene sur place a partir d'un carburant facilement stockable dans le vehicule tel que le methanol ou ['essence. Le carburant est transforme dans un reformeur qui produit de l'hydrogene utilisable dans la pile a combustible. Toutefois, la duree de chauffage du reformeur necessaire pour lui permettre de transformer le carburant dans de bonnes conditions et de produire de lthydrogene, est non negligeable. Pendant cette periode de chauffage, la production d'hydrogene pour la pile a combustible n'est 284011 0 pas assuree et le systeme de traction a pile a combustible ne peut pas fonctionner. Plusieurs voies peuvent etre envisagees alors: - attendre la fin du chauffage du reformeur avant toute utilisation du vehicule risque de paratre inacceptable aux utilisateurs, surtout dans le cadre de l'utilisation quotidienne du vehicule, et de nuire a la commercialisation de tels vehicules; - prevoir un reservoir dt hydrogene pour alimenter la pile a combustible durant le chauffage du reformeur, solution decrite dans le document WO 00 39 873 qui st avere volumineuse et stintegrant mal dans un vehicule a pile a combustible; - utiliser une source auxiliaire de puissance pour maintenir en temperature le reformeur. Mais, compte tenu de la demande en energie relativement elevee, par exemple 1,2 kWh pour un maintien en temperature de 12 heures, les sources classiques, telles que batteries ou supercapacites, ne vent guere adaptees. Une batterie suffisamment puissante sera volumineuse et chere. Une batterie doit etre rechargee regulierement et doit etre prete des le demarrage du vehicule, a repondre a une acceleration quelconque, ce qui impose un fort dimensionnement de la batterie. Le document FR-A-2 815 175 propose l'utilisation d'une pile auxiliaire alimentee en hydrogene, soit par un reservoir dthydrogene auxiliaire, ou, preferablement, par un reformeur auxiliaire alimente a partir d'un carburant classique, tel que le methanol ou ['essence. Or, il ne s'avere guere souhaitable de disposer un reformeur auxiliaire dont le cout n'est pas negligeable, dans un vehicule. 284011 0 La presente invention a pour but de remedier aux inconvenients de l'art anterieur. La presente invention a pour but de proposer un moyen de maintien en temperature du reformeur qui soit economique et de fabrication simple. Le systeme de traction a pile a combustible, selon un aspect de ['invention, comprend une pile a combustible principale, un reformeur pour alimenter la pile a combustible principale en hydrogene, une resistance electrique de maintien en temperature du reformeur, une pile a combustible auxiliaire connectee a la resistance pour son alimentation electrique et un reservoir d'hydrogene apte a alimenter la pile a combustible auxiliaire. Le reservoir d'hydrogene est relic a une sortie du reformeur. Le reservoir d'hydrogene peut ainsi etre recharge lors d'une periode de fonctionnement du reformeur. Avantageusement, le systeme comprend une vanne multi-voies disposee en sortie du reformeur et en amont de la pile a combustible principale et du reservoir dthydrogene. La vanne multi-voies peut etre de type pilotee par une unite de commande, de fac,on que la repartition de l'hydrogene produit par le reformeur entre la pile a combustible principale et le reservoir d'hydrogene soit effectuee de facon judicieuse. Avantageusement, le systeme comprend une vanne multi-voies disposee en sortie du reservoir d'hydrogene et du reformeur et en amont de la pile a combustible auxiliaire. Dans certains cas, on peut ainsi alimenter la pile a combustible principale a partir du reservoir d'hydrogene. Dans un mode de realisation de l' invention, la pile a combustible auxiliaire est reliee a des organes consommateurs d'energie electrique distincts de ladite resistance electrique. On met ainsi a profit la 284011 0 puissance de la pile a combustible auxiliaire pour alimenter les organes electriques dedies par exemple a l'eclairage ou a la communication, ce qui permet de reserver toute la puissance de la pile a combustible principale a la traction du vehicule. L'invention concerne egalement un vehicule comprenant un moteur electrique de traction et un systeme tel que decrit ci-dessus, pour alimenter ledit moteur en energie electrique. L'invention propose egalement un procede dans lequel, dans un mode de fonctionnement, on alimente une pile a combustible principale en hydrogene a partir d'un reformeur et on alimente le reservoir d'hydrogene a partir du reformeur, dans un mode de maintien, on maintient en temperature le reformeur par une resistance electrique alimentee par une pile a combustible auxiliaire, elle-meme alimentee par un reservoir dthydrogene, dans un mode de demarrage, on alimente la pile a combustible principale en hydrogene a partir du reservoir d'hydrogene. Avantageusement, dans le mode de fonctionnement, on alimente des organes consommateurs d'energie electrique distincts de ladite resistance electrique a partir de la pile a combustible auxiliaire. Dans un mode de realisation de ['invention, si le reformeur est maintenu en temperature, on alimente la pile a combustible principale en hydrogene a partir du reformeur lors d'un demarrage. Pour maintenir en temperature un reformeur permettant d'alimenter une pile de traction de vehicule d' environ 70 KW, il faut disposer d'une puissance d' environ 100 W. Cette puissance peut etre delivree par une petite pile a combustible, analogue a celles qui pourront etre developpees pour des applications portables. La pile a combustible auxiliaire permet de maintenir en temperature le reformour pendant environ 12 heures, ce qui correspond a une utilisation 284011 0 quotidienne du vehicule, avec un traj et le matin et un autre traj et le son. Ainsi, dans le cas d'un arret de duree inferieure a 12 heures, la pile a combustible auxiliaire consommera en entree de l'hydrogene provenant du reservoir, afin de permettre la generation de la puissance electrique de 100 W necessaire au maintien en temperature du reformeur. Le reservoir dt hydrogene sera alimente en hydrogene pendant le fonctionnement du reformour. Il convient done de prevoir qu'en fonctionnement, le reformeur debite l'hydrogene suffisant pour que le moteur de traction puisse fonctionner, et doit egalement fournir une quantite supplementaire d'hydrogene qui sera stockee dans le reservoir en vue du fonctionnement de la pile a combustible auxiliaire pendant l'arret du ref ormeur. En variante, non exclusive, on peut prevoir que le reformour continue de fonctionner apres un arret du vehicule pour fournir l'hydrogene suffisant au reservoir dthydrogene, afin d' assurer le fonctionnement de la pile a combustible auxiliaire et done le maintien en temperature du reformeur. La quantite d' hydrogene stockee dans un reservoir est de l' ordre de 65 g, ce qui determine un volume de reservoir de l'ordre de 24 litres sous une pression de 30 bars. Le reservoir est de falble volume et de faible pression par rapport a un reservoir principal d' hydrogene d' un vehicule alimente en hydrogene et non en carburant classique. Pour un arret d'une duree superieure a 12 heures, le reservoir d'hydrogene peut egalement servir a alimenter la pile a combustible principale, directement, pendant que le reformeur chauffe. L'alimentation de la pile a combustible principale est assuree de fa,con 284011 0 temporaire, par exemple environ 1 minute, par le reservoir d'hydrogene. La duree d'une minute correspond, d'une part, a la duree necessaire pour le chauffage du reformeur, et, d'autre part, a une duree raisonnable de fourniture d'hydrogene a une pile a combustible principale de traction par un reservoir d'hydrogene de faible volume. En variante, on peut prevoir l'utilisation de la pile a combustible auxiliaire avec une poissance legerement superieure a 100 W pour d'autres elements consommateurs d'energie indispensables au fonctionnement du vehicule, mais ne necessitant pas le demarrage et l'utilisation de la pile a combustible principale en raison de la faible puissance demandee. Ainsi, il peut etre interessant de remplacer la batterie du vehicule par la pile a combustible auxiliaire, totalement ou en partie. La pile a combustible auxiliaire peut etre utilisee pour des applications de navigation, de communication telle qu'Internet, telephonic, etc., ne consommant pas une energie telle qu'il soit necessaire de demarrer la pile a combustible principale. La presente invention sera mieux comprise a ltetude de la description detaillee de deux modes de realisation pris a titre d'exemples nullement limitatifs et illustres par les dessins annexes, sur lesquels: -la figure 1 est une vue schematique d'un systeme selon un mode de realisation de ['invention; et -la figure 2 est une variante de la figure 1. Sur la figure 1, le systeme comprend un reformeur 1 alimente en carburant par un reservoir 2. Le carburant sera ici de type classique, par exemple methanol ou essence. Le reformeur 1 est equipe d'une resistance electrique 3 pour son maintien en temperature et est apte a 284011 0 debiter de l'hydrogene dans une conduite de sortie 4, a laquelle est egalement reliee la pile a combustible principale 5, qui genere en sortie de l'energie electrique. La resistance electrique 3 est connectee a une pile a combustible auxiliaire 6 par des conducteurs electriques 7 et 8. Un reservoir d'hydrogene 9 est relic par une conduite 10 a ['entree de la pile auxiliaire 6. En outre, une vanne trots voies 11 est montee sur la conduite 4 entre le reformeur 1 et la pile a combustible principale S et permet de deriver tout ou partie de l'hydrogene produit par le reformeur 1 vers le reservoir d'hydrogene 9 par une conduite 12. Une vanne trots voles 13 est disposee sur la conduite 10 entre le reservoir d'hydrogene 9 et la pile auxiliaire 6 et permet d'envoyer de l'hydrogene en provenance du reservoir 9 vers la conduite 4 en aval de la vanne trots voies 11, en vue de l'alimentation de la pile a combustible principale 5 au moyen d'une conduite 14. La conduite 14 est equipee d'une vanne 1 S a proximite de sa j onction avec la conduite 4 afin d'eviter l' eventuelle remontee d'hydrogene de la conduite 4 vers la conduite 14. Lors d'une phase de fonctionnement, lorsque le reformeur 1 est chaud, ledit reformeur 1 alimente la pile a combustible principale S en hydrogene pour alimenter en electricite la chane de traction, non representee. Le reformeur 1 alimente egalement durant cette phase le reservoir d'hydrogene 9, soit en continuant a fonctionner apres l'arret de la pile a combustible S. soit en fournissant un debit d'hydrogene superieur au debit consomme par la pile a combustible principale S. Lors d'un arret de course duree, par exemple inferieur a 12 heures, le reformeur 1 est maintenu en temperature par la resistance electrique 3 alimentee en electricite par la pile auxiliaire 6 par 284011 0 l'intermediaire des conducteurs electriques 7 et 8, la pile auxiliaire 6 etant alimentee en hydrogene par le reservoir 9. On peut ainsi reutiliser le vehicule immediatement sans attendre le rechauffage du reformeur pendant ladite duree. En cas de duree d'arrdt importante, par exemple superieure a 12 heures, le vehicule utilise directement l'hydrogene stocke a bord du reservoir 9 comme source d'energie de la pile a combustible principale S. le temps que le reformeur 1 soit chaud, avant de pouvoir utiliser son vehicule. Le reservoir d'hydrogene 9 fournit alors, de fa,con temporaire, pendant quelques dizaines de secondes ou quelques minutes, l'energie des moteurs de traction, non representes. Sur la figure 2, est representee une variante de la figure 1. Les references des elements semblables ont ete conservees. Le reformeur 1 est ici depourvu de resistance electrique et les conducteurs 7 et 8 vent connectes a des organes auxiliaires 1S du vehicule. La pile auxiliaire 6 remplit alors la fonction que remplit habituellement une batterie dans un vehicule classique. Une telle application peut s'averer interessante en raison de la masse tres importante d'une batterie. Bien entendu, on comprendra que les deux variantes des figures 1 et 2 vent compatibles, en ce sens que l' on peut prevoir un systeme pourvu d'une resistance electrique 3 pour le maintien en temperature du reformeur et dont la pile auxiliaire 6 alimente egalement des organes auxiliaires du vehicule. Il convient alors de dimensionner la pile auxiliaire 6 en consequence. L' invention offre un dispositif de maintien en temperature d' un reformeur de pile a combustible, d' architecture simple, economique, susceptible de recevoir d'autres applications, notamment de remplacer tout ou partie d' une batterie de stockage d' energie electrique. La 284011 0 diminution de la tattle de la batterie electrique est interessante, en ce sens qu'elle permet de reduire le volume et surtout la masse de ladite batterie. 284011 0 REVENDICATIONS 1. Systeme de traction a pile a combustible, comprenant une pile a combustible principale (5), un reformeur (1) pour alimenter la pile a combustible principale en hydrogene, une resistance electrique (3) de maintien en temperature du reformeur, une pile a combustible auxiliaire (6) connectee a ladite resistance pour son alimentation electrique et un reservoir d'hydrogene (9) apte a alimenter la pile a combustible auxiliaire, caracterise par le fait que le reservoir d'hydrogene est relic a une sortie du reformeur. 2. Systeme selon la revendication 1, caracterise par le fait qu'il comprend une vanne multi-voies (11) disposee en sortie du reformeur et en amont de la pile a combustible et du reservoir d'hydrogene. 3. Systeme selon la revendication 1 ou 2, caracterise par le fait qu'il comprend une vanne multi-voies (13) disposee en sortie du reservoir d'hydrogene et du reformeur et en amont de la pile a combustible auxiliaire. 4. Systeme selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise par le fait que la pile a combustible auxiliaire est reliee a des organes consommateurs d'energie electrique distincts de ladite resistance electrique. 5. Vehicule comprenant un moteur electrique de traction et un systeme selon l'une quelconque des revendications precedentes pour alimenter ledit moteur en energie electrique. 6. Procede dans lequel: - dans un mode de fonctionnement, on alimente une pile a combustible principale en hydrogene a partir d'un reformeur, et on alimente un reservoir d'hydrogene a partir du reformeur, 284011 0 - dans un mode de maintien, on maintient en temperature le reformeur par une resistance electrique alimentee par une pile a combustible auxiliaire elle m8me alimentee par le reservoir d'hydrogene, - dans un mode de demarrage, on alimente la pile a combustible principale en hydrogene a partir du reservoir d'hydrogene. 7. Procede selon la revendication 6, dans lequel dans le mode de fonctionnement, on alimente des organes consommateurs d'energie electrique distincts de ladite resistance electrique a partir de la pile a combustible auxiliaire. 8. Procede selon la revendication 6 ou 7, dans lequel si le reformeur est maintenu en temperature, on alimente la pile a combustible principale en hydrogene a partir du reformeur lors d'un demarrage.