Brevet FR2872632A1 — publié le 20060106

L'invention se rapporte à un procédé de montée en température d'une pile à combustible, à un générateur mettant en oeuvre ce procédé et à un véhicule automobile incorporant un tel générateur. Le procédé est en effet particulièrement destiné à une mise en oeuvre dans un véhicule automobile équipé d'un générateur d'électricité, ou "module de puissance", comportant une pile à combustible et utilisé pour alimenter les consommateurs électriques du véhicule, en particulier un moteur électrique de traction. La figure 3 représente une architecture simplifiée d'un générateur d'électricité 10 monté dans un véhicule V. Le générateur 10 comporte une pile à combustible 20 constituée d'un ensemble de cellules connectées en série, un reformeur 22 alimentant, par l'intermédiaire d'un conduit 24, la pile à combustible 20 en un reformat riche en hydrogène, et une unité de contrôle électronique, ou superviseur 26, servant à commander les différents organes du générateur 10. Le reformat est produit dans le reformeur 22 par reformage d'un carburant primaire tel que de l'essence, du diesel, du naphta, de l'alcool, un ester, ou un hydrocarbure, en présence d'air et de vapeur d'eau. La pile à combustible 20, classiquement du type à membrane échangeuse d'ions , ou PEM , de l'anglais proton exchange membrane , est alimentée en reformat par le reformeur 22 et en air, source d'oxygène, depuis une source d'air 28. Elle produit de l'énergie électrique alimentant, par des lignes 30 et 31, une batterie de stockage 32 et différents consommateurs 34 du véhicule (comme le moteur de traction, un compresseur électrique de climatisation, les feux, les lève-vitre, etc.), respectivement. La température nominale de fonctionnement de la pile à combustible 20 est plus élevée que la température ambiante. Par exemple, dans le cas des piles à membrane échangeuse d'ions, la température nominale est sensiblement égale à 90 C. La puissance et le rendement de la pile à combustible augmentent avec sa température jusqu'à ce que la température nominale soit atteinte. Typiquement, cette augmentation est de l'ordre de 5% entre 30 C et 80 C, pour ces deux grandeurs. Quand la température Tpiie de la pile à combustible 20 est inférieure à la température nominale Tnom, la puissance électrique développable par la pile à combustible 20 et son rendement énergétique sont donc dégradés. Il est alors souhaitable d'augmenter la température Tpiie de la pile à combustible 20. On sait que le temps de réponse du reformeur 22 à une variation de la consigne de production de reformat est de plusieurs secondes, en l'état actuel de la technologie. Ceci est valable aussi bien dans le sens des augmentations que des diminutions de la consigne de production. C'est pourquoi lors des phases où la demande de puissance électrique diminue, notamment pendant les décélérations du véhicule V, le reformeur 22 produit temporairement plus de reformat que ce qui est nécessaire à la pile à combustible 20 pour satisfaire les besoins de puissance électrique du véhicule V. Une façon simple de valoriser le reformat excédentaire durant les baisses de charge est de l'utiliser pour produire un surplus d'énergie électrique et de stocker ce surplus dans la batterie 32. Les pertes thermiques associées à la génération de puissance électrique supplémentaire par la pile à combustible 20 entraînent avantageusement une augmentation de sa température Tpiie. Pour des raisons de coût, d'encombrement et de poids, la quantité de batteries à bord du véhicule doit être limitée au juste nécessaire. Souvent la quantité de batteries est donc limitée en fonction des compléments de puissance à apporter au véhicule, en plus de la puissance générée par la pile à combustible, pour atteindre les objectifs d'accélération. En outre, pour la plupart des types de batteries de traction, la puissance maximale acceptée pendant la recharge est inférieure environ de moitié à celle qui peut être fournie en décharge, la récupération d'énergie se trouve donc limitée. Enfin, la puissance acceptable par une batterie est très fortement dépendante des facteurs comme son état de charge, sa température, son vieillissement, etc. Typiquement, cette puissance diminue très significativement quand l'état de charge de la batterie est élevé et sa température est faible. La batterie 32 n'est donc pas toujours à même d'accepter le surplus d'énergie produit par la pile à combustible suite à une baisse de charge. Pour pallier ces difficultés, on connaît de FR 2 845 525 un procédé préconisant d'utiliser le surplus d'énergie électrique généré pendant les baisses de charge du générateur, en particulier suite à des décélérations du véhicule, pour alimenter par exemple un accumulateur de froid associé aux moyens de climatisation. Il n'est pas toujours souhaitable néanmoins d'activer les moyens de climatisation. De plus, l'implantation d'un accumulateur de froid associé aux moyens de climatisation engendre un coût supplémentaire. Le but de la présente invention est de fournir un procédé de montée en température d'une pile à combustible peu coûteux à mettre en oeuvre. On atteint ce but au moyen d'un procédé de montée en température d'une pile à combustible, remarquable en ce qu'il comporte une étape pendant laquelle on diminue le rendement de ladite pile à combustible depuis un rendement initial jusqu'à un rendement final, ledit rendement final étant déterminé de manière que la puissance électrique initiale fournie par ladite pile à combustible avec ledit rendement initial soit sensiblement égale à la puissance électrique finale fournie par ladite pile à combustible avec ledit rendement final. En modifiant les conditions de fonctionnement de la pile à combustible de façon à dégrader momentanément son rendement, on augmente la chaleur produite par la pile à combustible et on accélère donc sa montée en température. Avantageusement, la dégradation du rendement de la pile à combustible ne nécessite pas de modifier l'architecture du générateur électrique, ni d'ajouter d'organes supplémentaires. Le coût de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est donc réduit. De préférence, le procédé selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes. Dans le cas où un reformeur alimente en reformat ladite pile à combustible, ladite étape de diminution du rendement n'est mise en oeuvre que s'il existe une production excédentaire de reformat, c'est-à-dire une production instantanée de reformat supérieure à la production de reformat minimale nécessaire à ladite pile à combustible, fonctionnant avec ledit rendement initial, pour satisfaire les besoins instantanés en puissance électrique des consommateurs électriques connectés à ladite pile à combustible. Ladite étape n'est mise en oeuvre que si ladite production excédentaire est supérieure ou égale à la consommation supplémentaire de reformat qui résulterait de ladite diminution de rendement. Ladite étape est mise en oeuvre pendant une phase transitoire de fonctionnement dudit reformeur consécutive à une diminution de la charge de ladite pile à combustible. Ladite étape n'est mise en oeuvre que si ledit rendement final est supérieur à 20%. Ladite étape n'est mise en oeuvre que si la température de ladite pile à combustible est inférieure à sa température nominale de fonctionnement. Ladite pile à combustible étant embarquée à bord d'un véhicule automobile équipé de moyens de stockage d'énergie électrique, ladite étape n'est mise en oeuvre que si la capacité de recharge instantanée desdits moyens de stockage est inférieure à la puissance électrique supplémentaire susceptible d'être produite par ladite pile à combustible par consommation du reformat excédentaire avec ledit rendement initial. si (a) la capacité de recharge instantanée desdits moyens de stockage est supérieure ou égale à la puissance électrique supplémentaire susceptible d'être produite par ladite pile à combustible par consommation dudit reformat excédentaire avec ledit rendement initial, ou (b) si ladite capacité de recharge instantanée est inférieure à ladite puissance électrique supplémentaire et la température de ladite pile à combustible est supérieure ou égale à sa température nominale de fonctionnement, on commande ladite pile à combustible de manière qu'elle recharge lesdits moyens de stockage dans la limite de ladite capacité de recharge instantanée, et, le cas échéant, on brûle le reformat excédentaire non consommé. L'invention se rapporte également à un générateur d'électricité comportant 25 une pile à combustible alimentée en carburant par un reformeur, remarquable en ce qu'il comporte des moyens de commande aptes à commander ledit générateur selon un procédé conforme à l'invention. L'invention se rapporte enfin à un véhicule automobile comportant un générateur d'électricité selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel 2872632 5 la figure 1 représente une courbe caractéristique de la tension aux bornes d'une pile à combustible en fonction de la densité de courant (j) qu'elle fournie; la figure 2 représente une courbe caractéristique de la puissance surfacique d'une pile à combustible en fonction de son rendement; et la figure 3 représente schématiquement et de manière simplifiée un générateur d'électricité à pile à combustible; la figure 4 représente, sous forme d'un logigramme, un exemple de procédé selon l'invention, dans un mode de réalisation préféré. La figure 3 ayant été décrite en introduction, on se reporte aux figures 1 et 2. Les figures 1 et 2 permettent d'illustrer comment, à puissance surfacique égale, il est possible de dégrader le rendement d'une pile à combustible pour en augmenter les pertes thermiques et donc accélérer sa montée en température. La pile à combustible considérée est une pile à combustible du type PEM. On appelle densité de courant le rapport entre l'intensité électrique fournie par une pile à combustible et la surface d'électrode par cellule appelée surface active . Chaque pile a une courbe caractéristique (figure 1) de la tension en fonction de la densité de courant (j) qu'elle peut fournir. Cette courbe caractéristique, propre à chaque pile à combustible, est fonction des éléments qui constituent la pile à combustible (membrane, électrodes, plaques bipolaires) et de leur assemblage. A chaque tension de cellule est associé un rendement par le biais de la relation suivante: Rendement = tension x 9 00 Le rendement d'une pile à combustible est le rapport entre la puissance électrique fournie par la pile et la puissance chimique qu'elle contient. On appelle puissance surfacique le produit de la tension d'une cellule de la pile à combustible (c'est-à-dire la tension aux bornes de la pile à combustible divisée par le nombre de cellules connectées en série) par la densité de courant. Donc Puissance surfacique = j * 0,0123 * rendement La puissance surfacique en fonction du rendement selon cette équation est représentée sur la figure 2. La puissance électrique fournie par la pile à combustible est fournie par l'équation suivante: Puissance électrique = tension x j x S x Ncel ou Puissance électrique = Puissance surfacique x Ncel x S où j est la densité de courant (A/m2) S est la surface active de chaque élément actif, également appelée MEA (Membrane Electrode Assembly) Ncel est le nombre de cellules de la pile à combustible. Au rapport Ncel*S près, la figure 2 représente donc également la puissance électrique fournie par la pile à combustible en fonction du rendement de cette pile à combustible. De la figure 2, on peut donc déduire que la pile à combustible peut fournir une puissance électrique donnée, correspondant à une puissance surfacique comprise entre 0,43 et 0, 74 W/cm2 environ, avec deux rendements possibles. On observera qu'avec le type de pile à combustible étudié ici, une puissance surfacique comprise entre 0,43 et 0,74 Wlcm2 correspond à des rendements compris entre 20 et 75 % environ. Les pertes thermiques de la pile à combustible se calculent par la formule suivante: Pthermique = rendement x l,23 100 Pélectrique Donc, lorsque le rendement est faible, à puissance électrique constante, les pertes thermiques augmentent. Quand la puissance surfacique fournie par la pile à combustible est comprise 25 entre 0,43 et 0,74 Wlcm2 environ, la pile à combustible peut donc fonctionner avec deux rendements possibles: un rendement élevé où les pertes thermiques sont faibles, ou un rendement plus faible où les pertes thermiques sont plus élevées. Classiquement, en fonctionnement normal, on cherche à minimiser les pertes thermiques en choisissant la solution à plus fort rendement. Selon l'invention, si la température de la pile à combustible est inférieure à sa température nominale de fonctionnement, en particulier peu après le démarrage du véhicule, on sélectionnera au contraire la solution à plus faible rendement afin d'augmenter les pertes thermiques et accélérer la montée en température de la pile à combustible. Par exemple, avec la caractéristique de la figure 1, les pertes thermiques sont augmentées d'un facteur 2,4 en passant d'un rendement pi de 48 % à un 10 rendement p2 de 27 % à 0,6 WIcm2. De préférence le fonctionnement à faible rendement (p2) n'est activé que lorsque le reformat produit par le reformeur est excédentaire par rapport aux besoins du véhicule, c'est-à-dire en particulier durant les baisses de la demande en puissance électrique, ou charge , du générateur et/ou immédiatement après. Quand la puissance demandée par le véhicule a subitement diminué, le débit de reformat produit par le reformeur est en effet temporairement supérieur à la demande. Le procédé selon l'invention a alors pour avantage d'accélérer la montée en température de la pile, sans pour autant entraîner une consommation supplémentaire de carburant. Le procédé selon l'invention est commandé par le superviseur. La figure 4 fournit un exemple de procédé selon l'invention, dans un mode de réalisation préféré. Dans une situation initiale, on suppose que le moteur de traction et les autres consommateurs électriques du véhicule consomment au total la puissance électrique Pconso_;nit, que la pile à combustible produit cette puissance électrique Pconso_;n;t, et que le reformeur produit le débit de reformat Rdébit;nit juste nécessaire à la pile à combustible pour générer Pconso;nit. On suppose que la puissance demandée par le véhicule est alors réduite, par exemple suite à une réduction de l'enfoncement de la pédale d'accélération. Soit Pconso final la nouvelle puissance demandée par le véhicule et Rdébit final le débit de reformat correspondant. Notons qu'en cas de lâcher total de l'accélérateur Pconso_final se réduirait à la consommation des accessoires du véhicule, le moteur de traction n'étant plus alimenté. A la fin de la phase transitoire, le reformeur produit donc Rdébit final. Pendant la phase transitoire, le superviseur réduit donc progressivement la charge de la pile à combustible de Pconso_;nit à Pconso_final. On appelle Pconso_inter la puissance instantanée demandée à la pile à combustible par le superviseur pendant la phase transitoire. On adonc Pconso_;nit > Pconso_inter > Pconso_finaiÉ La puissance intermédiaire Pconso_inter est calculée périodiquement par le superviseur. La périodicité du calcul dépend des caractéristiques du système de traction. La valeur de la puissance intermédiaire Pconso_inter dépend de lois de décélération prédéfinies et programmées dans le superviseur. Soit Rdébit inter le débit de reformat demandé au reformeur pendant la phase transitoire pour que la pile à combustible puisse fournir Pconso_; nterÉ Le débit de reformat réellement produit par le reformeur, soit Rdébit_réel, est supérieur à Rdébit inter, en raison de la dynamique relativement lente du reformeur (bloc 1 sur la figure 4). Soit Pprod_réel la puissance électrique totale susceptible d'être générée par la pile à combustible avec un débit de reformat de Rdéb;tréelÉ Selon l'invention, pendant la phase transitoire, le superviseur calcule la différence entre la puissance réellement productible et la puissance demandée à la pile à combustible, soit Pd;ff = Pprod réel - Pconso_;nter. Le superviseur calcule également la puissance récupérable par la batterie, soit Pbat. Pour ce dernier calcul, le superviseur peut par exemple se baser sur l'état de charge et la température de la batterie. Le superviseur compare alors Pbat et Pdlff (bloc 2). Si Pbat = Pdjff, la batterie est capable d'absorber l'excédent de puissance électrique correspondant à l'excédent de reformat produit. Le superviseur pilote alors générateur de façon que la pile à combustible produise Pprod_réel et que la puissance Pd;ff soit transférée vers la batterie (bloc 3). Si Pbat Si la température de la pile est supérieure ou égale à sa température nominale, le superviseur pilote le générateur de façon à produire une puissance électrique égale à Pconso_inter + Pbat et à transférer la puissance Pbat vers la batterie (bloc 5). La partie du reformat excédentaire qui n'est pas consommée par la pile à combustible est brûlée dans un brûleur. Si la température de la pile est inférieure à sa température nominale, alors le superviseur examine si le rendement de la pile à combustible pinter peut être dégradé à une valeur pdé9 de manière à augmenter les pertes thermiques tout en conservant la même puissance électrique Pconso_inter + Pbat fournie par la pile à combustible (bloc 6). Dans l'exemple de pile à combustible dont la courbe caractéristique de la tension en fonction de la densité de courant est représentée sur la figure 2, un rendement dégradé est possible si le rendement de la pile pinter est supérieur à 20 %. Le superviseur vérifie alors si la production excédentaire de reformat (Rdébit_réel - Rdébit_inter) est supérieure ou égale à la consommation supplémentaire C. p qui résulterait de la dégradation du rendement (bloc 7). Si la production excédentaire de reformat est suffisante, le superviseur impose alors à la pile à combustible de générer une densité de courant correspondant au rendement dégradé pdé9 (bloc 8). La dégradation du rendement entraîne une augmentation des pertes thermiques et donc une accélération de la montée en température de la pile à combustible. Si le rendement de la pile pinter ne peut être dégradé à une valeur pdé9 de manière à augmenter les pertes thermiques tout en conservant la même puissance électrique fournie par la pile à combustible ou si la production excédentaire de reformat est insuffisante, le superviseur impose alors à la pile à combustible de générer une densité de courant correspondant au rendement maximal possible, c'est-à-dire maintient le fonctionnement avec le rendement initial pinter (bloc 9). L'excès d'hydrogène est envoyé au brûleur. Comme cela apparaît clairement à présent, le procédé selon l'invention permet de valoriser le reformat excédentaire produit par le reformeur durant les baisses de charges du générateur. La dégradation momentanée du rendement de la pile permet avantageusement de convertir cet excédent en chaleur, accélérant ainsi la montée en température de la pile, ce qui a pour conséquence d'atteindre plus rapidement les conditions de fonctionnement favorables pour sa puissance et son rendement. Le procédé selon l'invention est simple et sans surcoût pour le générateur, étant donné qu'il ne nécessite l'implantation d'aucun organe supplémentaire. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à un procédé applicable au seul générateur décrit et représenté, fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. En particulier, l'invention n'est pas limitée à un type de pile à combustible ou de reformeur. REVENDICATIONS 1. Procédé de montée en température d'une pile à combustible (20), caractérisé en ce qu'il comporte une étape pendant laquelle on diminue le rendement de ladite pile à combustible (20) depuis un rendement initial (pinter) jusqu'à un rendement final (pdég), ledit rendement final (pdég) étant déterminé de manière que la puissance électrique initiale (Pconso_inter) fournie par ladite pile à combustible (20) avec ledit rendement initial (Pinter) soit sensiblement égale à la puissance électrique finale (Pconso inter) fournie par ladite pile à c-ombustible (20) avec ledit rendement final (pdég). 2. Procédé selon la revendication 1, un reformeur (22) alimentant en reformat ladite pile à combustible (20), caractérisé en ce que ladite étape n'est mise en oeuvre que s'il existe une production excédentaire de reformat, c'est-à-dire une production instantanée de reformat supérieure à la production de reformat minimale nécessaire à ladite pile à combustible (20), fonctionnant avec ledit rendement initial (Pinter), pour satisfaire les besoins instantanés en puissance électrique des consommateurs électriques connectés à ladite pile à combustible (20). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape n'est mise en oeuvre que si ladite production excédentaire est supérieure ou égale à la consommation supplémentaire de reformat qui résulterait de ladite diminution de rendement. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite étape est mise en oeuvre pendant une phase transitoire de fonctionnement dudit reformeur (22) consécutive à une diminution de la charge de ladite pile à combustible (20). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite étape n'est mise en oeuvre que si ledit rendement final (pdég) est supérieur à 20%. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite étape n'est mise en oeuvre que si la température (Tp11e) de ladite pile à combustible (20) est inférieure à sa température nominale de fonctionnement (Tnom). 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, ladite pile à combustible (20) étant embarquée à bord d'un véhicule automobile (V) équipé de moyens de stockage d'énergie électrique (32), caractérisé en ce que ladite étape n'est mise en oeuvre que si la capacité de recharge instantanée (Pbat) desdits moyens de stockage (32) est inférieure à la puissance électrique supplémentaire (Pdiff) susceptible d'être produite par ladite pile à combustible (20) par consommation du reformat excédentaire avec ledit rendement initial (Pinter). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que si la capacité de recharge instantanée (Pbat) desdits moyens de stockage (32) est supérieure ou égale à la puissance électrique supplémentaire (Pdiff) susceptible d'être produite par ladite pile à combustible (20) par consommation dudit reformat excédentaire avec ledit rendement initial (Pinter), OU si ladite capacité de recharge instantanée (Pbat) est inférieure à ladite puissance électrique supplémentaire (Pdiff) et la température (Tpiie) de ladite pile à combustible (20) est supérieure ou égale à sa température nominale de fonctionnement (Tnom), on commande ladite pile à combustible (20) de manière qu'elle recharge lesdits moyens de stockage (32) dans la limite de ladite capacité de recharge instantanée (Pbat), et, le cas échéant, on brûle le reformat excédentaire non consommé. 9. Générateur d'électricité comportant une pile à combustible (20) alimentée en carburant par un reformeur (60) caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande (26) aptes à commander ledit générateur (10) selon un procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 10.Véhicule automobile comportant un générateur d'électricité (10) selon la revendication 9.