Brevet FR2866472A1 — publié le 20050819

La présente invention concerne un dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible et un module de face avant pour véhicule automobile. Elle s'applique plus particulièrement à la régulation thermique d'une pile à combustible de véhicule automobile, par exemple un véhicule de type hybride. Un véhicule hybride comprend une motorisation comportant un moteur d'entraînement thermique et une machine électrique permettant d'alterner des configurations de fonctionnement en modes thermique et électrique. Il est connu de produire l'électricité pour un véhicule hybride au moyen d'une pile à combustible. Dans ce qui suit, on appellera pile à combustible un ensemble comprenant au moins une pile à combustible et le cas échéant d'autres organes équipant le véhicule, par exemple un circuit d'électronique de puissance pilotant le fonctionnement de la pile à combustible, une machine électrique ou une batterie. Il convient de réguler la température de la pile à combustible équipant un véhicule afin d'optimiser son fonctionnement et éviter une dégradation prématurée de certains de ses composants. Or, la température de la pile à combustible peut atteindre 85 C et la puissance à dissiper peut atteindre 70 kW. On connaît déjà dans l'état de la technique, notamment d'après EP-A-O 999 078, un dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible, du type comprenant: - un circuit de liquide caloporteur raccordé, d'une part, à des moyens d'échange thermique entre le liquide caloporteur et la pile à combustible et, d'autre part, à un échangeur thermique liquide caloporteur/air, dit radiateur, et une pompe à chaleur comportant un circuit de fluide frigorigène prélevant des calories d'une source froide pour les transférer vers une source chaude, la source froide étant munie d'un premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur, dit premier évaporateur, couplant thermiquement les circuits de fluide frigorigène et de liquide caloporteur, et la source chaude étant munie d'un échangeur thermique fluide frigorigène/air, dit condenseur. L'invention a notamment pour but d'optimiser l'efficacité d'un dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible, du type précité, ceci en utilisant autant que possible des organes standards équipant habituellement les véhicules et en limitant autant que possible les modifications éventuelles de l'agencement de ces organes, notamment de la face avant de ces véhicules. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible, du type précité, caractérisé en ce que le condenseur est placé en aval du radiateur par rapport à un flux d'air commun en échange thermique avec le liquide caloporteur par l'intermédiaire du radiateur et avec le fluide frigorigène par l'intermédiaire du condenseur. Il est connu d'équiper un véhicule automobile avec un module de face avant comprenant un support portant un échangeur thermique liquide caloporteur/air, appelé habituellement radiateur, et un échangeur thermique fluide frigorigène/air formant un condenseur de pompe à chaleur destinée à la climatisation de l'habitacle. Le radiateur et le condenseur d'un dispositif selon l'invention pour la régulation thermique d'une pile à combustible peuvent être agencés dans un module de face avant de façon sensiblement analogue au radiateur et au condenseur de climatisation de l'habitacle d'un module de face avant classique. On notera toutefois que, contrairement au cas habituel d'un module de face avant classique muni d'un radiateur et d'un condenseur de climatisation de l'habitacle, dans l'invention, le condenseur est placé en aval du radiateur par rapport au flux d'air commun en échange thermique avec le liquide caloporteur. Le radiateur permet généralement d'abaisser la température du liquide caloporteur jusqu'à environ 70 à 80 C et ainsi de dissiper au moins une partie de la puissance totale qu'il convient de dissiper pour maintenir une température acceptable de la pile à combustible. La pompe à chaleur permet de dissiper le reste de la puissance totale qu'il convient de dissiper. Dans l'invention, les actions combinées du radiateur et du condenseur permettent de limiter la puissance électrique consommée par le compresseur par rapport à une action seule du condenseur, ceci en augmentant par ailleurs l'efficacité du refroidissement de la pile à combustible. Le condenseur du dispositif de régulation thermique selon l'invention peut participer à la régulation thermique de la pile à combustible et à la climatisation de l'habitacle. Ainsi, l'invention permet de réguler thermiquement une pile à combustible à l'aide d'un radiateur et d'un condenseur identiques ou sensiblement analogues à un radiateur et un condenseur de climatisation de l'habitacle d'un module de face avant classique, le compresseur de la pompe à chaleur du dispositif selon l'invention étant identique ou sensiblement analogue à celui d'une pompe à chaleur classique destinée uniquement à la climatisation de l'habitacle. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de ce dispositif de régulation thermique: - le circuit de liquide caloporteur comprend une pompe d'entraînement du liquide caloporteur raccordée de préférence entre le premier évaporateur et les moyens d'échange thermique entre le liquide caloporteur et la pile à combustible; - les sources froide et chaude sont raccordées entre elles par un compresseur et une vanne de détente; - la source froide est munie d'un second échangeur thermique fluide frigorigène/air, dit second évaporateur, destiné de préférence à la climatisation d'air circulant dans un habitacle du véhicule - le circuit de fluide frigorigène comprend des moyens de répartition de ce fluide frigorigène dans les premier et second évaporateurs; - les premier et second évaporateurs sont agencés dans des première et seconde branches du circuit de fluide frigorigène raccordées en parallèle; - les moyens de répartition comprennent une vanne associée à chacune des première et seconde branches du circuit de fluide frigorigène; le liquide caloporteur est un mélange d'eau et d'antigel; - le fluide frigorigène est choisi parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), un hydrocarbure, l'ammoniac et le dioxyde de carbone; - le fluide frigorigène étant du dioxyde de carbone, le circuit de fluide frigorigène comprend un échangeur thermique interne couplant thermiquement: o une première branche de ce circuit de fluide frigorigène, reliant une sortie du condenseur avec une entrée de du premier évaporateur, avec o une seconde branche de ce circuit de fluide frigorigène, reliant une sortie du premier évaporateur avec une entrée du condenseur. L'invention a également pour objet un module de face avant pour véhicule automobile, du type comprenant un support portant un échangeur thermique liquide caloporteur/air, dit radiateur, et un échangeur thermique fluide frigorigène/air formant un condenseur de pompe à chaleur, caractérisé en ce que le condenseur est placé sur le support en aval du radiateur par rapport à un flux d'air commun destiné à traverser le radiateur et le condenseur. Le support porte de préférence également un groupe moto-ventilateur placé sur ce support en amont ou en aval du radiateur et du condenseur par rapport au flux d'air 35 commun. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible, selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 d'un dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue similaire à la figure 2 d'un dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible selon un troisième mode de réalisation de l'invention. On a représenté sur la figure 1 un dispositif 10, selon un premier mode de réalisation de l'invention, pour la régulation thermique d'une pile à combustible 12. Dans l'exemple décrit, un dispositif de régulation 10 et la pile à combustible 12 sont agencés dans un véhicule automobile, notamment de type hybride. Dans ce qui suit, deux organes sont dits couplés thermiquement entre eux lorsqu'ils échangent de la chaleur entre eux au moyen d'un échangeur thermique approprié. Le dispositif de régulation thermique 10 comprend une pompe à chaleur 14 comportant un circuit 16 de fluide frigorigène, de type à compression, prélevant des calories d'une source froide 18 pour les transférer au moins partiellement vers une source chaude 20. Les sources froide 18 et chaude 20 sont raccordées entre elles par un compresseur 22 (par exemple électrique ou mécanique) et une vanne de détente 24. Le fluide frigorigène se vaporise en enlevant de la chaleur à la source froide 18. Le compresseur 22 aspire le fluide vaporisé et le refoule vers la source chaude où il se condense en refroidissant. La vanne de détente 24 laisse passer le fluide frigorigène liquide vers la source froide 18 en abaissant sa pression. Le sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit 16 est indiqué par des flèches sur la figure 1. La source froide 18 comporte un premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur, dit premier évaporateur 26, couplant thermiquement le circuit 16 de fluide frigorigène à un circuit 28 de liquide caloporteur. La source froide 18 est également munie d'un second échangeur thermique fluide frigorigène/air, dit second évaporateur 30, destiné de préférence à la climatisation d'air circulant dans un habitacle du véhicule, comme dans l'exemple décrit. La source chaude 20 est munie d'un échangeur thermique fluide frigorigène/air, dit condenseur 32. Le cas échéant, le condenseur 32 peut être du type multicouche, c'est à dire comprendre des compartiments de circulation de fluide frigorigène, raccordés ensemble, empilés alternativement avec des compartiments de circulation d'air, raccordés ensemble. On notera que les premier 26 et second 30 évaporateurs sont agencés dans des première 16A et seconde 16B branches du circuit 16 de fluide frigorigène raccordées en parallèle. Le circuit 16 de fluide frigorigène comprend des moyens de répartition de ce fluide frigorigène dans les premier 26 et second 30 évaporateurs. Ces moyens de répartition comprennent, de préférence, une vanne 34, 36 associée à chacune des première 16A et seconde 16B branches du circuit de fluide frigorigène. Le fluide frigorigène est choisi avantageusement mais non limitativement parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), un hydrocarbure, l'ammoniac et le dioxyde de carbone. Le circuit de liquide caloporteur 28 est raccordé à des moyens 38 d'échange thermique entre le liquide caloporteur et la pile à combustible 12. Sur la figure 1, ces moyens d'échange thermique 38 coïncident schématiquement avec la pile à combustible 12. Par ailleurs, le circuit de liquide caloporteur 28 est raccordé à un échangeur thermique liquide caloporteur/air, dit radiateur 40. Le circuit de liquide caloporteur 28 comprend une pompe 42 d'entraînement du liquide caloporteur raccordée à ce circuit 28 de préférence entre le premier évaporateur 26 et les moyens 38 d'échange thermique entre le liquide caloporteur et la pile à combustible 12. Le sens de circulation du liquide caloporteur dans le circuit 28 est indiqué par des flèches sur la figure 1. Le liquide caloporteur est avantageusement un mélange d'eau et d'antigel. On a également représente sur la figure 1 un module 44 selon l'invention pour une face avant du véhicule automobile. Ce module 44 comprend un support 46 (représenté en traits interrompus) portant le radiateur 40 et le condenseur 32. Ce condenseur 32 est placé sur le support 46 en aval du radiateur 40 par rapport à un flux d'air commun (représenté par une flèche 48) destiné à traverser le radiateur 40 et le condenseur 32. L'air de ce flux 48, provenant généralement de l'extérieur du véhicule, est donc en échange thermique avec le liquide caloporteur par l'intermédiaire du radiateur 40 et avec le fluide frigorigène par l'intermédiaire du condenseur 32. De préférence, le support 46 porte également un groupe moto-ventilateur classique 50 placé sur ce support 46 de préférence en amont du radiateur 40 et du condenseur 32 par rapport au flux d'air commun 48. Le fonctionnement du dispositif de régulation thermique 10 selon l'invention peur être géré par exemple de la façon suivante. Tant que le radiateur 40 permet de dissiper la totalité de la puissance qu'il convient de dissiper pour maintenir une température acceptable de la pile à combustible, la pompe à chaleur 14 n'est pas activée (le compresseur 22 n'est pas activé), excepté le cas échéant en cas de nécessité de climatiser l'habitacle. Lorsque le radiateur 40 ne permet plus de dissiper la totalité de la puissance qu'il convient de dissiper, la pompe à chaleur 14 est activée. Sur les figures 2 et 3, on a représenté un dispositif de régulation thermique 10 selon des deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention. Sur ces figures 2 et 3, les éléments analogues à ceux de la figure 1 sont désignés par des références identiques. Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2, le second évaporateur 30 a été supprimé. De même, les vannes de répartition 34, 36 ont été supprimées. Dans le troisième mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 3, le fluide frigorigène est du dioxyde de carbone. Dans ce cas, à la différence du deuxième mode de réalisation de l'invention, le circuit 16 de fluide frigorigène comprend un échangeur thermique interne 58 couplant thermiquement: - une première branche 16A' de ce circuit de fluide frigorigène, reliant une sortie du condenseur 32 avec une entrée de l'évaporateur 26, avec - une seconde branche 16B' de ce circuit de fluide frigorigène, reliant une sortie de l'évaporateur 26 avec une entrée du condenseur 32. La vanne de détente 24 est agencée sur la première branche 16A', entre l'échangeur interne 58 et l'évaporateur 26. Le compresseur 22 est agencé sur la seconde branche 16B', entre l'échangeur interne 58 et le condenseur 32. Selon un troisième mode de réalisation qui n'est pas illustré, le condenseur 32 peut être agencé dans une partie du véhicule adaptée pour que ce condenseur 32 soit en échange thermique avec un flux d'air distinct de celui en échange thermique avec le radiateur 40. Ainsi, la température du flux d'air traversant le condenseur 32 n'est pas influencée par le radiateur 40, ce qui peut être avantageux dans certaines conditions de fonctionnement du dispositif de régulation thermique 10. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation thermique d'une pile à combustible (12), du type comprenant: - un circuit (28) de liquide caloporteur raccordé, d'une part, à des moyens (38) d'échange thermique entre le liquide caloporteur et la pile à combustible (12) et, d'autre part, à un échangeur thermique liquide caloporteur/air, dit radiateur (40), et - une pompe à chaleur (14) comportant un circuit (16) de fluide frigorigène prélevant des calories d'une source froide (18) pour les transférer vers une source chaude (20), la source froide (18) étant munie d'un premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur, dit premier évaporateur (26), couplant thermiquement les circuits de fluide frigorigène (16) et de liquide caloporteur (28), et la source chaude (20) étant munie d'un échangeur thermique fluide frigorigène/air, dit condenseur (32), caractérisé en ce que le condenseur (32) est placé en aval du radiateur (40) par rapport à un flux d'air commun (48) en échange thermique avec le liquide caloporteur par l'intermédiaire du radiateur (40) et avec le fluide frigorigène par l'intermédiaire du condenseur (32). 2. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (28) de liquide caloporteur comprend une pompe (42) d'entraînement du liquide caloporteur raccordée de préférence entre le premier évaporateur (26) et les moyens (38) d'échange thermique entre le liquide caloporteur et la pile à combustible (12). 3. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les sources froide (18) et chaude (20) sont raccordées entre elles par un compresseur (22) et une vanne de détente (24). 4. Dispositif de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source froide (18) est munie d'un second échangeur thermique fluide frigorigène/air, dit second évaporateur (30), destiné de préférence à la climatisation d'air circulant dans un habitacle du véhicule 5. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit (16) de fluide frigorigène comprend des moyens (34, 36) de répartition de ce fluide frigorigène dans les premier (26) et second (30) évaporateurs. 6. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les premier (26) et second (30) évaporateurs sont agencés dans des première (16A) et seconde (16B) branches du circuit (16) de fluide frigorigène raccordées en parallèle. 7. Dispositif de régulation thermique selon les revendications 5 et 6 prises ensemble, caractérisé en ce que les moyens de répartition comprennent une vanne (34, 36) associée à chacune des première (16A) et seconde (16B) branches du circuit (16) de fluide frigorigène. 8. Dispositif de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide caloporteur est un mélange d'eau et d'antigel. 9. Dispositif de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est choisi parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), un hydrocarbure, l'ammoniac et le dioxyde de carbone. 10. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que, le fluide frigorigène étant du dioxyde de carbone, le circuit (16) de fluide frigorigène comprend un échangeur thermique interne couplant thermiquement: une première branche (16A') de ce circuit (16) de fluide frigorigène, reliant une sortie du condenseur (32) avec une entrée de du premier évaporateur (26), avec - une seconde branche (16B') de ce circuit (16) de fluide frigorigène, reliant une sortie du premier évaporateur (26) avec une entrée du condenseur (32). 11. Module de face avant pour véhicule automobile, du type comprenant un support (46) portant un échangeur thermique liquide caloporteur/air, dit radiateur (40), et un échangeur thermique fluide frigorigène/air formant un condenseur (32) de pompe à chaleur (14), caractérisé en ce que le condenseur (32) est placé sur le support (46) en aval du radiateur (40) par rapport à un flux d'air commun (48) destiné à traverser le radiateur (40) et le condenseur (32). 12. Module de face avant selon la revendication 11, caractérisé en ce que le support (46) porte également un groupe moto-ventilateur (50) placé sur ce support (46) de en amont ou en aval du radiateur (40) et du condenseur (32) par rapport au flux d'air commun (48).