Brevet FR2851693A1 — publié le 20040827

i Dispositif et procédé de mise en température lors du démarrage d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mise en température lors du démarrage d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile. 10 Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Le développement de ces piles en vue de leur intégration dans des véhicules automobiles met en lumière de 15 nouvelles contraintes. En particulier, pour des véhicules équipés de piles à combustible, il est nécessaire de pouvoir fonctionner à des températures négatives (en degrés Celsius). De telles températures ne sont pas adaptées au fonctionnement des piles à combustibles, que ce 20 soit pour des questions de rendement ou de gestion de l'eau de refroidissement par exemple. Il est donc nécessaire, lors des démarrages, d'amener la pile à une température suffisamment élevée pour lui permettre de fonctionner correctement. Cette étape de mise à température de fonctionnement doit être la plus rapide possible, 25 compte tenu du cahier des charges des véhicules équipés d'une pile à combustible. On a déjà imaginé diverses solutions pour résoudre les difficultés rencontrées pendant la phase de démarrage à froid d'une pile à combustible. C'est ainsi que le brevet US 6210821 propose de contourner les temps de démarrage des étages de purification d'un réformeur associé à une pile à combustible en utilisant des réservoirs auxiliaires (hydrogène et essence désulfurisée) afin de permettre la mise en route de la pile alors même que les étages de purification de la pile ne sont pas encore opérationnels, car trop froids. Les brevets US 6127056 et US 6103410 proposent de mettre à niveau la température de fonctionnement de la pile en mettant en présence de l'oxygène et une faible quantité d'hydrogène à la cathode, de sorte que la réaction 5 exothermique qui se déroule alors chauffe le flux cathodique et donc la pile. Ces solutions apparaissent dangereuses, ou tout du moins difficiles à réguler dans des conditions de sécurité satisfaisantes. On connaît par ailleurs diverses réalisations s'intéressant à la 10 régulation thermique d'une pile à combustible La demande de brevet français N0 2809535 décrit ainsi un dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible, mais ne tient compte que du fonctionnement en mode normal. Le brevet US 6086941 utilise l'oxydation du carburant à la 15 cathode pour assurer le réchauffement de la pile. Le brevet US 6248462, quant à lui, préconise l'utilisation de deux circuits de circulation de fluide caloporteur distincts et isolés l'un de l'autre. Dans tous ces documents, les problèmes posés par le démarrage 20 à froid ne sont en aucune manière évoqués. Il est donc nécessaire de disposer d'un système et procédé de démarrage d'une pile à combustible qui permette une mise à niveau thermique rapide et peu coteuse, particulièrement en ce qui concerne le cot énergétique de l'opération de démarrage, et le cot du matériel 25 à installer dans le véhicule pour assurer cette opération. L'invention a pour objet, au vu de ce qui précède, de proposer une solution qui prenne en compte les spécificités propres du démarrage à froid de la pile à combustible, sans toutefois entraîner une augmentation sensible des cots. L'invention a également pour objet 30 d'éviter la mise en oeuvre de réactions chimiques dangereuses, ou du moins difficiles à réguler dans des conditions de sécurité satisfaisantes pour un véhicule automobile. Le dispositif de l'invention permet la mise en température lors du démarrage d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile. Le dispositif comprend un reformeur alimenté en carburant associé à un brleur pour la production d'hydrogène alimentant la pile à combustible un groupe de compression d'air pour l'alimentation en oxygène de la pile à combustible, une boucle de 5 circulation d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique de la pile à combustible et un calculateur de gestion du système de pile à combustible. La boucle de circulation comprend un circuit de dérivation vers un échangeur de chaleur thermiquement lié au brleur et un moyen de 10 commande, piloté par le calculateur, capable de diriger vers la pile à combustible le fluide caloporteur réchauffé dans le circuit de dérivation, pendant la phase de démarrage du système de pile à combustible. Ce dispositif utilise donc le circuit de fluide caloporteur 15 préexistant, ce qui permet d'assurer le réchauffement avec un minimum de composants supplémentaires dédiés à cette tâche spécifique, et donc à moindre cot. Il permet également d'éviter la mise en place de réactions chimiques réputées dangereuses dans la pile, ce qui n'est pas 20 concevable dans un véhicule automobile, et d'assurer ce réchauffement à moindre consommation. Dans un mode de réalisation préféré, une conduite d'air est en outre branchée en dérivation sur le circuit du groupe de compression d'air avec une vanne commandée par le calculateur, pour alimenter la 25 pile à combustible, pendant la phase de démarrage, en air chaud provenant du groupe de compression. Cela permet de diminuer encore le temps de réchauffage de la pile à combustible, sans cot supplémentaire, car on récupère de l'énergie en provenance du groupe de compression. Dans un mode de réalisation avantageux, le moyen de commande, capable de diriger vers la pile à combustible le fluide caloporteur réchauffé dans le circuit de dérivation, comprend deux vannes à trois voies. Dans un autre mode de réalisation, le moyen de commande, capable de diriger vers la pile à combustible le fluide caloporteur réchauffé dans le circuit de dérivation, comprend une vanne à trois voies et un clapet anti-retour. Dans un mode de réalisation avantageux, calculateur comprend des moyens de programme pour gérer l'alimentation du brleur, le groupe de compression d'air, et le circuit de dérivation de la boucle de circulation. En outre, le calculateur comprend avantageusement des moyens 10 de programme pour gérer une vanne d'alimentation en oxygène de l'anode de la pile à combustible. Avantageusement, le fluide caloporteur est tel qu'il peur être utilisé à des températures inférieures à 00C, ce qui permet l'utilisation du dispositif dans un véhicule automobile, même quand celui-ci est 15 exposé à de très basses températures. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend un capteur de température dans la pile à combustible, des capteurs de débit du fluide caloporteur, et des capteurs de débit des fluides arrivant au brleur. Le procédé de l'invention pour la mise en température lors du démarrage d'une pile à combustible de véhicule automobile est adapté à une pile à combustible alimentée à la cathode en air comprimé par un groupe de compression et à l'anode en hydrogène par un dispositif de production d'hydrogène embarqué. La pile à combustible est régulée en 25 température par une circulation de fluide caloporteur. Lors du démarrage, on réchauffe le fluide caloporteur dans le dispositif de production d'hydrogène pour élever la température de la pile à combustible. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, on dérive en outre, 30 lors du démarrage, une partie de l'air comprimé vers l'anode pour élever la température de la pile à combustible. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante, de quelques modes de réalisations pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrée par les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif de pile à combustible selon l'invention, dans un premier mode de réalisation; - la figure 2 est un organigramme représentant la détection du mode chauffage ou normal de fonctionnement de la pile à combustible; - la figure 3 est un organigramme représentant les étapes de la 10 procédure de mise en oeuvre du mode chauffage de la pile à combustible; - et la figure 4 est un schéma synoptique d'un dispositif de pile à combustible selon l'invention, dans un autre mode de réalisation. Sur la figure 1, on a représenté l'architecture générale d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile et comprenant une pile à combustible 1, par exemple de type PEM (Proton Exchange Membrane Fuel Cell),comprenant un ensemble 20 d'anodes A, un ensemble de cathodes C, et un échangeur de chaleur 2 pour réguler la température de la pile à combustible 1 par le passage d'un fluide caloporteur. Le système comprend à cet effet un circuit de circulation 3 pour un fluide caloporteur comprenant, selon l'invention un circuit de dérivation 4, un moyen de production d'hydrogène 5, un 25 groupe de compression d'air 6, et un calculateur 7. Le circuit de circulation 3 du fluide caloporteur comprend un réservoir 8 de fluide caloporteur relié à une pompe 9 par une conduite 10. La pompe 9 est reliée à une vanne trois voies 11 du circuit de dérivation 4 par une conduite 12. La vanne trois voies Il est reliée par une conduite 13 à 30 une seconde vanne trois voies 14 du circuit de dérivation 4. La vanne trois voies 14 est reliée à la pile à combustible 1 par une conduite 15. La conduite 15 traverse l'échangeur 2 de la pile à combustible 1 et rejoint le réservoir 8 de fluide caloporteur. Le circuit de dérivation comprend les deux vannes trois voies 11,14 reliées par deux conduites 13,16, la conduite 16 traversant un échangeur de chaleur 17. Le groupe de compression d'air 6 est composé d'un moteur 18, 5 entraînant un compresseur 19 et d'une turbine 20 reliés par un arbre 21. Il comprend également une conduite 22 amenant l'air comprimé à la cathode C de la pile à combustible 1, ainsi qu'une vanne deux voies 23 permettant de relier l'arrivée d'air comprimé à l'anode A de la pile à combustible 1 par une conduite 24. Le moyen de production d'hydrogène 5, comprend un réformeur associé à un brleur, l'ensemble réformeur / brleur étant schématisé sous la forme du bloc 25. Un réservoir de carburant 26, pouvant être le réservoir de carburant du véhicule, est relié à une pompe 27 par une conduite 28. Cette pompe 27 est reliée à l'ensemble réformeur / brleur 15 25 par une conduite 29. L'échangeur de chaleur 17 permet un échange thermique entre le fluide caloporteur s'écoulant dans la conduite 16 du circuit de dérivation 4 et les gaz chauds produits par le brleur de l'ensemble 25. Le brleur est relié à une vanne deux voies 30 par une conduite 31. Cette vanne deux voies 30 est reliée à l'anode A de la pile 20 à combustible 1 par la conduite 32. Le calculateur 7 est relié par diverses connexions de commande aux organes de régulation des débits fluides. C'est ainsi que la calculateur 7 est relié par les connexions 33a et 33b aux pompes 27 et 9, par les connexions 34 et 35 aux vannes trois voies 11 et 14, par les 25 connexions 36 et 37 aux vannes deux voies 23 et 30 et par la connexion 38 au moteur 18. Il est également prévu un capteur 43 de température de la pile à combustible, un capteur 44 du débit du fluide caloporteur placé sur la conduite 15 en amont de la pile à combustible 1, et un capteur 45 du 30 débit de carburant arrivant au brleur 25. Les signaux provenant des capteurs 43, 44 et 45sont amenés au calculateur 7 par des connexions 40, 41 et 42. Dans un mode de fonctionnement en régime normal ou établi de la pile à combustible 1, le fluide caloporteur issu du réservoir 8, circule dans le circuit 3, en passant dans la branche 13 du circuit de dérivation 4 qui ne contient pas l'échangeur 17. Cela est obtenu au moyen du calculateur 7 qui commande les deux vannes trois voies 11,14 du circuit de dérivation 4 de manière que le fluide passe dans 5 cette branche 13. Le fluide caloporteur traverse ensuite la pile à combustible 1, la refroidit, et revient au réservoir de liquide caloporteur 8 par la conduite 15. L'hydrogène alimentant l'anode A de la pile à combustible 1 est produit au moyen de l'association 25 du réformeur et du brleur, alimentée en carburant stocké dans le 10 réservoir de carburant 26. Le gaz riche en hydrogène issu du réformeur est ensuite dirigé vers l'anode A de la pile à combustible 1 par une conduite 32 gérée par une vanne deux voies 30 commandée par le calculateur 7. Enfin, le groupe de compression d'air 6 assure l'alimentation en air, et donc en oxygène, de la cathode C de la pile à 15 combustible 1. Dans un mode de fonctionnement en régime chauffage pour un démarrage à froid de la pile à combustible 1, le calculateur 7 commande la mise en marche du brleur de l'ensemble réformeur / brleur 25 et le passage du fluide caloporteur dans la branche 16 du 20 circuit de dérivation 4 comprenant l'échangeur de chaleur 17 au moyen des deux vannes trois voies 11,14. Au passage dans l'échangeur 17, le fluide caloporteur se réchauffe au contact des gaz chauds produits par le brleur et va ainsi pouvoir chauffer la pile à combustible 1 à l'anode A et à la cathode C, afin que la pile à 25 combustible 1 puisse rapidement atteindre une température suffisante pour passer en fonctionnement en mode normal. Le mode chauffage de la pile à combustible 1 peut encore être amélioré au moyen de la conduite d'air 24 et de la vanne deux voies 23 pilotée par le calculateur 7, permettant à l'air comprimé réchauffé dans 30 le compresseur 19 d'être envoyé à l'anode A afin de réchauffer encore plus la pile à combustible 1. La figure 2 montre un algorithme permettant le déclenchement ou non du mode de fonctionnement en chauffage au démarrage de la pile à combustible 1 du véhicule, selon la température cette dernière. Ce déclenchement est détecté par le passage de la valeur 0 à la valeur 1 d'un signal électrique représentant le démarrage du véhicule. La détection du mode de fonctionnement 120 commence par une mesure à l'étape 121 du signal de démarrage, qui est ensuite 5 comparé à l'étape 122 à la valeur 1. Si le véhicule est démarré (le signal vaut 1), alors une mesure à l'étape 123 de la température de la pile à combustible 1 est effectuée au moyen du capteur de température 43 de la pile à combustible. Le calculateur 7 compare à l'étape 124 cette température à une température de référence Tmin stockée en 10 mémoire. Si la température de la pile à combustible 1 n'est pas supérieure à cette température de référence Tmin, ce qui est détecté à l'étape de comparaison 124, alors le calculateur 7 commande la mise en oeuvre du mode de fonctionnement chauffage à l'étape 125 de la pile à combustible 1. Sinon, la température de la pile à combustible 1 étant 15 supérieure à cette température de référence, alors le calculateur 7 commande à l'étape 126 la mise en oeuvre du mode de fonctionnement normal de la pile à combustible 1. La figure 3 montre un algorithme du mode chauffage 130 de la pile à combustible 1 du véhicule, qui débute par une étape d'ouverture 20 131 de la vanne 23 de circulation d'air à l'anode A gérée par le calculateur 7. Ensuite, le calculateur 7 commande, à l'étape 132 la mise en contact entre le fluide caloporteur et le brleur au moyen de l'échangeur 17, puis commande à l'étape 133 l'alimentation du brleur, et pilote à l'étape 134 les débits de fluide caloporteur, d'air, et de 25 carburant. Le calculateur 7 compare à l'étape 135 la valeur de la température de la pile à combustible 1 avec la température de référence Tmin stockée en mémoire. Si la température de la pile à combustible 1 est supérieure à cette température de référence, alors le calculateur 7 met fin à l'étape 136 au mode chauffage de la pile à 30 combustible 1. Sinon, la température de la pile à combustible 1 n'étant pas supérieure à cette température de référence Tmin, le calculateur 7 reprend l'algorithme à l'étape de pilotage 134 des débits de fluide, d'air, et de carburant. La figure 4 représente une variante de la figure 1 dans laquelle le circuit de dérivation 4 du circuit de circulation du fluide caloporteur 3 comprend une vanne trois voies Il et un clapet anti-retour 46. Dans cette variante du circuit de dérivation 4, la vanne trois voies 11 5 commandée par le calculateur 7 permet de diriger le fluide caloporteur dans la branche souhaitée, c'est à dire la branche 13 en mode établi ou la branche 16 en mode chauffage pour un démarrage à froid. Le clapet anti- retour 46 empêche le fluide caloporteur de passer de la branche 13 vers la branche 16. L'invention permet d'effectuer le démarrage d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule automobile, en utilisant le circuit à fluide caloporteur de régulation thermique de la pile à combustible de façon à assurer un réchauffement rapide de la pile à combustible même dans un milieu à température inférieure à 00C. Ce 15 réchauffement de la pile à combustible ne nécessite pas, de surcroît, la mise en place de réactions réputées dangereuses, et s'effectue à moindre consommation. Enfin, le réchauffement de la pile à combustible est effectué à moindre cot, car il nécessite très peu de composants supplémentaires 20 dédiés. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise en température lors du démarrage d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile, comprenant un 5 reformeur alimenté en carburant associé à un brleur pour la production d'hydrogène alimentant la pile à combustible (1), un groupe de compression d'air (6) pour l'alimentation en oxygène de la pile à combustible (1), une boucle de circulation (3) d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique de la pile à combustible (1) et un calculateur (7) de gestion du système de pile 10 à combustible (1), caractérisé par le fait que la boucle de circulation (3) comprend un circuit de dérivation (4) vers un échangeur de chaleur (17) thermiquement lié au brleur et un moyen de commande, piloté par le calculateur (7), capable de diriger vers la pile à combustible (1) le fluide caloporteur réchauffé dans le circuit de dérivation (4), pendant la phase de 15 démarrage du système de pile à combustible (1). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une conduite d'air (24) est branchée en dérivation sur le circuit du groupe de compression d'air (6) avec une vanne (23) commandée par le calculateur (7), pour alimenter la pile à combustible (1), pendant la phase de démarrage, en air 20 chaud provenant du groupe de compression (6). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le moyen de commande, capable de diriger vers la pile à combustible (1) le fluide caloporteur réchauffé dans le circuit de dérivation (4), comprend deux vannes à trois voies (1 1,14). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le moyen de commande, capable de diriger vers la pile à combustible (1) le fluide caloporteur réchauffé dans le circuit de dérivation (4), comprend une vanne à trois voies (11) et un clapet antiretour (46). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 30 caractérisé par le fait que le calculateur (7) comprend des moyens de programme pour gérer l'alimentation du brleur, le groupe de compression d'air (6), et le circuit de dérivation (4) de la boucle de circulation (3). il 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le calculateur (7) comprend des moyens de programme pour gérer une vanne (23) d'alimentation en oxygène de l'anode de la pile à combustible. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le fluide caloporteur est tel qu'il puisse être utilisé à des températures inférieures à 00C. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur (43) de température dans la pile à combustible (1), un capteur (44) de débit du fluide caloporteur, et un 10 capteur (45) du débit de carburant arrivant au brleur. 9. Procédé de mise en température lors du démarrage d'une pile à combustible (1) de véhicule automobile alimentée à la cathode (C) en air comprimé par un groupe de compression d'air (6) et à l'anode (A) en hydrogène par un dispositif de production (5) d'hydrogène embarqué, la pile à 15 combustible (1) étant régulée en température par une circulation de fluide caloporteur, caractérisé par le fait que lors du démarrage, on réchauffe le fluide caloporteur dans le dispositif de production (5) d'hydrogène pour élever la température de la pile à combustible (1). 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé par le fait que lors du démarrage, on dérive une partie de l'air comprimé vers l'anode (A) pour élever la température de la pile à combustible (1).