Brevet FR2859144A1 — publié le 20050304

"Agencement d'un groupe motopropulseur équipé d'une pile à combustible dans un véhicule automobile" L'invention concerne un agencement d'un groupe motopropulseur dans un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un agencement d'un groupe motopropulseur dans un véhicule automobile, comportant au moins un moteur de traction électrique qui est alimenté en électricité par une pile à combustible, du type dans lequel la pile à combustible est formée par un empilement de io cellules élémentaires qui sont alimentées en carburant, notamment en hydrogène, par un dispositif d'alimentation en carburant, et en comburant, notamment en air, par un dispositif d'alimentation en comburant, et du type dans lequel le groupe motopropulseur est agencé globalement au-dessus d'un essieu du véhicule automobile. Les véhicules automobiles à moteur électrique de traction sont tenus de respecter des normes de sécurité strictes. Ces normes de sécurité concernent notamment l'intensité maximale instantanée du courant électrique disponible à bord du véhicule, la tenue de route du véhicule, et la protection de l'habitacle du véhicule en cas de choc frontal. La première norme citée établit notamment un seuil d'intensité instantanée déterminé qui ne doit pas être dépassé. Pour les véhicules alimentés en électricité par une pile à combustible, cette contrainte se traduit en termes de dimensions géométriques minimales de la pile à combustible, et notamment de la longueur axiale de la pile. Pour exposer le problème, on se référera à la figure 1 qui représente une pile à combustible 10 réalisée selon l'état de la technique. La pile à combustible 10 est destinée à être embarquée à bord d'un véhicule automobile de manière à alimenter un moteur électrique de traction. La pile à combustible 10 doit donc être susceptible de fournir une puissance instantanée maximale P suffisante pour répondre aux besoins du moteur électrique de traction. De manière connue, la pile à combustible 10 est formée par un empilement axial d'axe A de cellules élémentaires 12 qui sont enserrées axialement entre deux plaques bipolaires 14 et 16. Les plaques bipolaires 14 et 16 forment les bornes négative et positive de la pile à combustible 10. Chaque cellule 12 comporte un cadre 18 portant un électrolyte 20 qui est ici une membrane de polymère. La io membrane de polymère 20 sépare axialement une cathode (non représentée) qui est destinée à être alimentée en comburant, et une anode (non représentée) qui est destinée à être alimentée en carburant. Le carburant est ici de l'hydrogène H2, et le comburant est de l'oxygène 02 contenu dans l'air atmosphérique. Chaque cellule élémentaire 12 produit un courant électrique d'une intensité li et d'une tension Vi. Les cellules 12 ainsi empilées forment des générateurs de courant électrique continu qui sont montés en série entre les deux plaques bipolaires 14 et 16. Le courant circule ici axialement selon le sens indiqué par la flèche I, depuis la plaque bipolaire 14 qui forme la borne négative de la pile 10, vers la plaque bipolaire 16 qui forme la borne positive de la pile 10. Selon une loi connue, la valeur de la tension totale V du courant électrique produit par la pile 10 est égale à la somme des tensions Vi du courant électrique produit par chacune des cellules élémentaires 12, et la valeur de l'intensité totale I du courant produit par la pile 10 est égale à l'intensité li du courant produit par chacune des cellules élémentaires 12. L'intensité I du courant électrique produit par chaque cellule élémentaire 12 est proportionnelle à la surface radiale S de la membrane de polymère 20. La surface radiale S est aussi appelée surface active car elle est en contact avec l'anode et la cathode de la pile à combustible. Par exemple, une cellule élémentaire 12 produit un courant électrique d'une intensité instantanée d'un ampère par centimètre carré de surface active (1 A.cm"2). Les dimensions radiales de la pile à combustible 10 sont donc limitées par le seuil d'intensité électrique instantanée. Ainsi l'encombrement radial maximal de la pile à combustible 10 est limité par exemple à une surface de vingt centimètres carré (20 cm2). De façon à fournir la puissance électrique P nécessaire pour le fonctionnement du véhicule, il est donc nécessaire io d'empiler un nombre défini N de cellules élémentaires 12 de façon à produire une tension totale V qui soit égale au quotient de la puissance maximale P requise par l'intensité totale I. Une telle pile à combustible 10 d'une telle longueur axiale est susceptible de ne pas loger dans le compartiment moteur d'un véhicule automobile. La longueur axiale est par exemple égale à 1,13 mètres. Afin de respecter la première norme de sécurité, la pile à combustible 10 a donc un encombrement et un poids minimaux. Cet encombrement est susceptible de poser des problèmes pour respecter les deuxième et troisième normes de sécurité citées concernant la tenue de route et la protection de l'habitacle. La pile à combustible 10 est généralement agencée soit à l'avant, soit à l'arrière du véhicule car ce sont généralement les seuls emplacements logeables pour la pile 10. Or, le poids d'une telle pile à combustible 10 est susceptible de créer un déséquilibre entre l'avant et l'arrière du véhicule automobile. La tenue de route du véhicule n'est donc plus optimale. De plus, les dimensions, notamment axiales, de la pile à combustible 10, ainsi que son inertie, sont susceptibles de mettre en danger l'intégrité de l'habitacle du véhicule automobile en cas de choc frontal. Afin de résoudre ces problèmes, l'invention propose un agencement du type décrit précédemment, caractérisé en ce que la pile à combustible est divisée au moins en deux empilements distincts de cellules élémentaires. Selon d'autres caractéristiques de l'agencement: - chaque empilement distinct de pile à combustible s comporte sensiblement le même nombre de cellules élémentaires; chacun des empilements distincts est agencé respectivement à l'avant et à l'arrière du véhicule automobile; - les deux empilements distincts sont alimentés en io carburant par un dispositif commun d'alimentation en carburant; - le dispositif d'alimentation en carburant est situé longitudinalement entre les deux empilements distincts, dans le plancher du véhicule; - les deux empilements distincts sont alimentés en 15 comburant par un dispositif commun d'alimentation en comburant; - le dispositif d'alimentation en comburant est situé longitudinalement entre les deux empilements distincts; - le véhicule comporte deux moteurs électriques de traction qui sont agencés respectivement à l'avant et à l'arrière du véhicule, et dont chacun est alimenté par l'un des empilements distincts associé. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit, pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins en annexe parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective qui représente une pile à combustible monobloc réalisée selon l'état de la technique; - la figure 2 est une vue de coté qui représente un véhicule automobile équipé d'un groupe motopropulseur qui est réalisé selon les enseignements de l'invention, et qui comporte un moteur électrique de traction et une pile à combustible; - la figure 3 est une vue de coté qui représente la pile à combustible qui équipe le véhicule de la figure 2, et qui est formée par deux empilements conformément aux enseignements de l'invention; - la figure 4 est une vue schématique qui représente le groupe motopropulseur de la figure 2; s - la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 4 qui représente un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 2 qui représente un véhicule équipé du groupe motopropulseur de la figure 5. io On adoptera dans la suite de la description une orientation longitudinale, verticale et transversale, indiquée par le trièdre L, V, T de la figure 2, selon l'orientation communément utilisée pour les véhicules automobiles. On a représenté à la figure 2 un véhicule automobile 22 équipé d'un groupe motopropulseur qui comporte un moteur électrique de traction 24 et une pile à combustible 10. Le moteur électrique de traction 24 est agencé dans un compartiment moteur 26. Le compartiment moteur 26 est situé à l'avant de l'habitacle 28 dont il est séparé par un tablier 30. Le véhicule 22 comporte deux essieux avant 32 et arrière 34. Selon les enseignements de l'invention, la pile à combustible 10 est divisée en deux empilements distincts 10a et 10b, comme illustré en détail à la figure 3. Chaque empilement 10a, 10b comporte ici un nombre Na, Nb de cellules qui est sensiblement égal à la moitié du nombre N de cellules 12 de la pile à combustible 10 réalisée selon l'état de la technique. Selon une variante non représentée de l'invention, la pile à combustible 10 est susceptible d'être divisée en plus de deux empilements distincts en fonction la longueur axiale de la pile 10, et de l'espace disponible pour loger la pilelO. Chaque empilement 10a, 10b produit un courant électrique d'intensité instantanée maximale I qui est identique à l'intensité instantanée maximale 1 produite par la pile à combustible 10, et de tension instantanée Va, Vb qui est sensiblement égale à la moitié de la tension instantanée totale V produite par la pile à combustible 10. Les empilements 10a et 10b sont donc susceptibles de fournir une puissance électrique instantanée maximale Pa, Pb qui est sensiblement égale à la moitié de la puissance instantanée maximale P de la pile 10. Comme représenté à la figure 2, les empilements distincts 10a et 10b sont agencés dans le véhicule automobile 22. Les axes Aa, Ab des empilements 10a et 10b sont ici orientés transversalement. Avantageusement, chacun des empilements io 10a et 10b est agencé respectivement à l'avant et à l'arrière de l'habitacle 28 du véhicule 22. Ainsi, le poids de l'empilement 10a, respectivement 10b, est supporté par l'essieu avant 32, respectivement arrière 34, du véhicule 22. La masse des empilements 10a et 10b est répartie de façon équilibrée entre l'avant et l'arrière du véhicule 22. La tenue de route du véhicule est ainsi améliorée par rapport à un véhicule équipé d'une pile à combustible 10 réalisée selon l'état de la technique. Le véhicule 22 comporte un réservoir de carburant 36 commun pour alimenter chaque empilement 10a et 10b par l'intermédiaire d'un circuit de distribution 37. Le réservoir 36 est ici formé de cinq bouteilles parallèles 30 d'hydrogène comprimé dont l'axe B est orienté transversalement. Le réservoir 36 est avantageusement agencé sous l'habitacle 28 dans le plancher 40 du véhicule 22, entre les essieux avant 32 et arrière 34, de manière à abaisser le centre de gravité du véhicule 22 sans déséquilibrer la répartition des masses entre l'avant et l'arrière du véhicule 22. Le véhicule 22 comporte aussi un dispositif d'alimentation en air 42 qui est commun aux deux empilements 10a et 10b. Comme représenté aux figures 4 et 5, le dispositif d'alimentation en air 42 comporte un compresseur 44 qui comprime de l'air atmosphérique en amont des cathodes 46a, 46b de chaque empilement 10a et 10b. L'air comprimé est ensuite conduit jusqu'à la cathode 46a, 46b de chaque empilement 10a, 10b via une conduite commune d'alimentation 45. L'air comprimé est ensuite évacué de la cathode 46a, 46b par l'intermédiaire d'une conduite commune d'évacuation 47. Le dispositif d'alimentation en air 42 comporte aussi une turbine 40 qui est reliée mécaniquement au compresseur 44, et qui est agencée dans la conduite d'évacuation 47, en aval de la cathode 46a, 46b de façon à récupérer une partie de l'énergie de l'air comprimé. Dans l'exemple représenté à la figure 2, le dispositif 42 est io situé dans le plancher 40 du véhicule 22, longitudinalement entre l'essieu avant 32 et le réservoir 36. On a représenté schématiquement à la figure 4 un premier mode de réalisation de l'invention. Les empilements 10a et 10b sont agencés en série dans un même circuit électrique 50 de façon à alimenter le moteur électrique de traction 24 du véhicule 22. Le moteur électrique 24 est ici agencé dans le compartiment moteur avant 30 du véhicule 22. Le moteur 24 est alimenté par une puissance électrique P équivalente à la puissance électrique P qui serait délivrée par une pile à combustible 10 monobloc réalisée selon l'état de la technique. Selon un second mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 5, le véhicule 22 comporte deux moteurs électriques de traction 42a, 42b dont chacun est alimenté en électricité par un empilement 10a, 10b associé. Comme représenté à la figure 6, chaque moteur est agencé respectivement à l'avant 24a et à l'arrière 24b de l'habitacle 28 du véhicule 22. Le poids de chacun des moteurs 24a, respectivement 24b, est ainsi supporté par l'essieu avant 32, respectivement arrière 34. Chaque moteur 24a, 24b produit l'énergie mécanique nécessaire pour entraîner en rotation les roues de l'essieu 32, 34 associé. Le véhicule 22 est ainsi susceptible d'être mu par quatre roues motrices. Chacun des moteurs 24a et 24b est dimensionné proportionnellement à la puissance électrique maximale que les empilements 10a et 10b sont susceptibles de fournir. Chaque moteur 24a et 24b est donc indépendamment moins puissant que le moteur 24 du premier mode de réalisation. La somme des puissances des deux moteurs 24a et 24b est cependant au moins égale à la puissance du moteur 24. Avantageusement, les masses des empilements 10a, 10b et des moteurs 24a, 424b sont réparties longitudinalement de io façon à équilibrer longitudinalement le véhicule 22. La tenue de route du véhicule 22 est ainsi améliorée. De plus, un tel agencement permet de diminuer l'encombrement du compartiment moteur 26 du véhicule 22. Le risque d'intrusion d'éléments du compartiment moteur 26, tel que la pile 10a ou le moteur 24a, dans l'habitacle 28 du véhicule 22 est ainsi réduit. REVENDICATIONS 1. Agencement d'un groupe motopropulseur dans un véhicule automobile (22), comportant au moins un moteur de traction électrique (24) qui est alimenté en électricité par une pile s à combustible (10a, 10b), du type dans lequel la pile à combustible (10a, 10b) est formée par un empilement de cellules élémentaires (12) qui sont alimentées en carburant, notamment en hydrogène (H2), par un dispositif d'alimentation en carburant (36, 37), et en comburant, notamment en air, par un dispositif io d'alimentation en comburant (42), et du type dans lequel le groupe motopropulseur est agencé globalement au-dessus d'un essieu (32, 34) du véhicule automobile (22), caractérisé en ce que la pile à combustible est divisée au moins en deux empilements distincts (10a, 10b) de cellules 15 élémentaires (12). 2. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque empilement distinct de pile à combustible (10a, 10b) comporte sensiblement le même nombre (Na, Nb) de cellules élémentaires (12). 3. Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des empilements distincts (10a, 10b) est agencé respectivement à l'avant et à l'arrière du véhicule automobile (22) . 4. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux empilements distincts (10a, 10b) sont alimentés en carburant par un dispositif commun d'alimentation en carburant (36, 37). 5. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation en carburant (36, 37) est situé longitudinalement entre les deux empilements distincts (10a, 10b), dans le plancher (40) du véhicule (22). 6. Agencement selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les deux empilements distincts (10a, 2859144 io 10b) sont alimentés en comburant par un dispositif commun d'alimentation en comburant (42). 7. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation en comburant (42) est situé longitudinalement entre les deux empilements distincts (10a, 10b). 8. Agencement selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le véhicule comporte deux moteurs électriques de traction (24a, 24b) qui sont agencés io respectivement à l'avant et à l'arrière du véhicule (22), et dont chacun est alimenté par l'un des empilements distincts (10a, 10b) associé.