Brevet FR2861220A1 — publié le 20050422

pj3267.doc Dispositif et procédé de préchauffage d'un système pile à combustible L'invention concerne les piles à combustible et en particulier un dispositif et un procédé de préchauffage d'un système pile 'à combustible. Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles. La pile à combustible est alors embarquée à bord du véhicule. Une pile à combustible est constituée principalement de deux électrodes, une anode et une cathode, qui sont séparées par un électrolyte. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydo-réduction suivantes: - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, qui alimente l'anode en continu; et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la 20 cathode en continu. Les piles à combustible utilisées pour fournir de l'énergie électrique à bord de véhicules automobiles sont généralement du type à électrolyte solide, notamment à électrolyte formé par une membrane en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) en guise de combustible et de comburant respectivement. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec les gaz d'échappement une quantité non négligeable de substances polluantes, la pile à combustible offre notamment l'avantage de rejeter principalement de l'eau qui est produite par la réaction de réduction à la cathode. La pile rejette aussi une partie du comburant qui n'a pas réagi sous forme de gaz d'évacuation cathodique et elle rejette éventuellement une partie du carburant qui n'a pas réagi sous pj3267.doc forme de gaz d'évacuation anodique. Dans ce dernier cas, le carburant est généralement brûlé avant d'être rejeté dans l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau. De plus, le comburant d'une pile du type décrit 5 précédemment peut être de l'air ambiant dont l'oxygène (02) est réduit. L'unité auxiliaire de production d'électricité (APU) est une application de la pile à combustible destinée à générer de la puissance électrique pour les équipements électriques d'un véhicule conventionnel. L'APU peut soit remplacer l'alternateur, soit être exclusivement destiné à de nouveaux équipements électriques (par exemple: climatisation électrique en remplacement de la climatisation mécanique). L'APU intègre un reformeur permettant de produire de l'hydrogène à partir du carburant du véhicule. La pile à combustible intégrée dans l'APU permet de générer de la puissance électrique à partir de l'hydrogène fourni par le reformeur et l'oxygène contenu dans l'air. Dans la présente invention, la pile peut être de type PEM (Proton Exchange Membrane). En effet, cette technologie de pile semble actuellement la plus adaptée pour l'application automobile. Pour être opérationnel, le reformeur de IAPU doit au préalable être porté à sa température de fonctionnement qui est de l'ordre de 600 C pour l'essence. Le reformeur peut s'amorcer, autrement dit commencer à produire du reformât, à partir de 350 C environ dans le cas de l'essence. Cependant, pour que le reformât soit suffisamment pur pour être accepté par la pile à combustible, le reformeur doit d'abord atteindre sa température nominale de fonctionnement. Cette mise en température entraîne une surconsommation de carburant. La pile peut démarrer à la température ambiante, à condition que cette température soit positive. En cas de températures négatives, il est nécessaire de porter la pile à une température positive avant son démarrage. Toutefois, la pj3267.doc température nominale de fonctionnement de la pile est située dans une plage de températures allant de 80 C à 110 C environ. En cas de fonctionnement à une température inférieure le rendement de la pile est dégradé. Une solution qui apparaît couramment dans la bibliographie consiste à chauffer le reformeur jusqu'à sa température de fonctionnement à l'aide d'un brûleur alimenté par le carburant du véhicule. Certains brevets proposent également l'utilisation des gaz chauds produits par le brûleur pour chauffer io la pile. Le brevet US-2002/071972 propose notamment d'utiliser, pour le chauffage de l'empilement de cellules souvent appelé stack, les gaz chauds mis à l'échappement après avoir chauffé le reformeur. is L'inconvénient de ces solutions est d'entraîner une consommation supplémentaire de carburant; ce qui va à l'encontre de l'effort déployé par les constructeurs automobile pour réduire les émissions de CO2. Dans le cas d'un APU dédié exclusivement à certaines fonctions, l'APU ne sera pas sollicité sur un trajet si les fonctions qu'il alimente ne sont pas activées par le conducteur. Or, pour masquer dans une certaine mesure le délai de démarrage de l'APU, qui est de l'ordre quelques minutes dans l'état actuel de la technologie, le superviseur de l'APU pourrait activer au plus tôt la procédure de démarrage, sans attendre qu'une fonction alimentée par l'APU soit activée par le conducteur. Si aucune fonction alimentée par l'APU n'était sollicitée durant le trajet, la mise en température de l'APU entraînerait une consommation de carburant totalement inutile. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif et un procédé de préchauffage d'un système pile à combustible amélioré. La présente invention fournit un dispositif du type décrit précédemment, caractérisé en ce que les gaz d'échappement du pj3267.doc moteur sont déviés par lesdits clapets de la sortie du catalyseur principal vers les échangeurs thermiques chauffant respectivement le reformeur et l'empilement de cellules de la pile à combustible. Un avantage de la présente invention est d'assurer, totalement ou partiellement, la mise en température du reformeur et de la pile par les gaz d'échappement du moteur thermique en aval du pot catalytique. Ceci revient à mettre en valeur les calories évacuées par l'échappement du véhicule et donc à éviter io de consommer du carburant pour chauffer le reformeur et la pile. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - un premier clapet est intercalé entre la sortie des gaz d'échappement du catalyseur d'amorçage du moteur à combustion interne et la sortie des gaz d'échappement du brûleur du système pile à combustible, et une deuxième clapet est implanté en sortie du catalyseur principal du moteur en aval de la dérivation; les gaz d'échappement chauds du moteur sont réorientés vers le catalyseur principal après avoir traversé les échangeurs thermiques du reformeur et de l'empilement de cellules; - les gaz d'échappements chauds issus du catalyseur principal du moteur traversent directement les réacteurs du reformeur; - les gaz d'échappement chauds du brûleur de la pile à combustible et ceux issus du moteur thermique assurent ensemble le chauffage du reformeur et de l'empilement de cellules; - les gaz d'échappement chauds du brûleur de la pile à combustible et ceux issus du moteur thermique sont mis à l'échappement à la sortie de l'échangeur thermique de la pile; - la pile à combustible est une unité auxiliaire d'électricité (APU). L'invention concerne aussi un procédé de préchauffage d'un système pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit pj3267.doc hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, des moyens de détection des paramètres environnementaux du reformeur et de ladite pile à combustible, ledit système de s contrôle pilotant un premier clapet intercalé entre la sortie des gaz d'échappement du catalyseur principal du moteur à combustion interne et la sortie des gaz d'échappement du brûleur et un deuxième clapet implanté en sortie du catalyseur principal du moteur, le procédé opérant en actionnant le brûleur io si le chauffage dudit reformeur et de ladite pile à combustible est décidé par ledit système de contrôle et si le moteur à combustion interne est éteint; et en arrêtant le brûleur et en pilotant ledit clapet permettant de dévier les gaz d'échappement du moteur en sortie du catalyseur principal vers les deux échangeurs thermiques, dès que ledit moteur thermique est actionné et jusqu'à ce que ledit système de contrôle détecte que le reformeur et l'empilement de cellules atteignent leur température nominale de fonctionnement. Selon d'autres caractéristiques du procédé : - les moyens de détection des paramètres environnementaux du reformeur et de la pile à combustible sont des capteurs de température implantés dans le reformeur et l'empilement de cellules permettant de connaître leur températures respectives. - les températures nominales de fonctionnement respectif du reformeur et de l'empilement de cellules sont enregistrées dans le superviseur du système pile à combustible. L'invention concerne aussi un véhicule comprenant un système de contrôle du type décrit précédemment ou utilisant un procédé de préchauffage. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 présente le principe de fonctionnement d'un APU avec un dispositif de mise en température déjà connu, pj3267.doc - la figure 2 présente le schéma de principe de fonctionnement d'un APU avec un dispositif de mise en température et deux clapets pilotés par le superviseur de l'APU. En référence aux figures annexées et plus particulièrement en référence à la figure 1, le système 1 est destiné à être monté dans un véhicule automobile. Le système 1 est apte à commander un ensemble pile à combustible 2, du genre comprenant une pile à combustible proprement dite, un reformeur 4, au moyen d'une liaison, par exemple un bus de io communication, et un empilement de cellules 3. Le reformeur 4 permet de convertir le carburant, stocké dans le véhicule dans le réservoir 5, et est prévu dans le véhicule pour alimenter le système pile à combustible 2 en hydrogène par une conduite 6. Le système APU 1 fournit en sortie l'énergie électrique par un câblage 7 relié à un ou plusieurs consommateurs 8. Le moteur 9 est alimenté par une batterie 10 et actionne un compresseur 11 qui fournit de l'air à l'empilement de cellules 3 et à un brûleur 12 respectivement par des conduites 13 et 14. Une unité centrale, sous la forme d'un superviseur APU 15, comprend au moins un microprocesseur, au moins une mémoire, un bus de communication entre ces éléments, et au moins un logiciel de commande stocké dans la mémoire et apte à être exécuté par le microprocesseur. Le superviseur APU 15 est alimenté en permanence, de façon non représentée, au moins par les batteries, pour permettre la mise en service anticipée du système pile à combustible 2 à réception d'une information représentative de l'intention d'utiliser le véhicule. Le brûleur 12 permet la mise en température du reformeur 4 et de l'empilement de cellules 3, respectivement à travers deux échangeurs thermiques 16 et 17. Ledit brûleur 12 est alimenté en carburant depuis le réservoir 5 par la conduite 18, en air depuis le compresseur par la conduite 14 et en hydrogène excédentaire depuis l'empilement de cellules 3 par la conduite 19. Des pj3267.doc échappements 20 sont prévus aux sorties respectives des échangeurs 16 et 17, et de l'empilement de cellules 3. La logique de fonctionnement du dispositif représenté sur la figure 2 est la suivante. Le superviseur APU 15 pilote en ouverture un clapet 21 et en fermeture un clapet 26, ce qui permett de dévier les gaz d'échappement du moteur thermique 22 en sortie du catalyseur principal 23 vers les deux échangeurs thermiques 16 et 17 permettant de chauffer respectivement le reformeur 4 et l'empilement de cellules 3. Ces gaz sont mis à io l'échappement à la sortie de l'échangeur thermique 17 de l'empilement de cellules 3. Tant que le moteur thermique 22 est éteint et si le chauffage du reformeur 4 et de l'empilement de cellules est décidé par le superviseur APU 15 alors ce chauffage est assuré par le brûleur 12. Dès la mise en route du moteur thermique 22 et jusqu'à ce que le reformeur 4 et l'empilement de cellules 3 atteignent leur température nominale de fonctionnement, le superviseur de l'APU 15 coupe le brûleur 12 et pilote les clapets 21 et 26 de façon à dévier les gaz d'échappement du moteur 22 en sortie du catalyseur principal 23 vers les deux échangeurs thermiques 16 et 17 permettant de chauffer respectivement le reformeur 4 et l'empilement de cellules 3. Quand le reformeur 4 et l'empilement de cellules 3 ont atteint leur température nominale de fonctionnement, le superviseur APU 15 pilote les clapets 21 et 26 de façon à orienter les gaz d'échappement du moteur 22 vers l'échappement habituel 24 du véhicule. Des capteurs de température, non représentés, implantés dans le reformeur 4 et l'empilement de cellules 3 permettent au superviseur APU 15 de connaître les températures de ces deux organes. Dans une variante de l'invention, et pendant quelques minutes suivant le démarrage du moteur, les gaz d'échappement permettant de chauffer le système APU 1 sont pris non pas à la sortie du catalyseur principal 23 mais à la sortie du catalyseur pj3267.doc d'amorçage 25. Ceci permettrait de disposer des gaz plus chauds pour le système APU 1, mais retarderait la montée en température du catalyseur principal 23. Dans une deuxième variante de l'invention, et dans le même schéma de fonctionnement que la précédente, les gaz chauds sont réorientés vers le catalyseur principal 23 après avoir traversé les échangeurs thermiques 16 et 17 du reformeur 4 et de l'empilement de cellules 3. Dans une troisième variante de l'invention, le chauffage io du reformeur 4 se fait par des gaz d'échappement traversant non pas l'échangeur thermique 16 mais directement les réacteurs du reformeur 4. La même solution n'est par contre pas applicable à l'empilement de cellules pour lequel le monoxyde de carbone (CO) présent dans les gaz d'échappement du moteur est un poison. Le chauffage de l'empilement de cellules 3 se fait à travers l'échangeur thermique 17. Dans une quatrième variante de l'invention, le brûleur 12 et les gaz d'échappement du moteur thermique 22 assurent ensemble le chauffage du reformeur 4 et de l'empilement de cellules 3. Autrement dit, le superviseur APU 15 ne coupe pas le brûleur 12 après la mise en route du moteur 22, ce qui permet de chauffer plus rapidement le reformeur 4 et l'empilement de cellules 3. Dans une cinquième variante de l'invention, le chauffage du reformeur 4 n'est assuré par les gaz d'échappement du moteur 22 que jusqu'à ce que le reformeur 4 atteigne sa température d'amorçage qui est de l'ordre de 350 C. La solution proposée, ainsi que ses variantes, présentent l'avantage d'entraîner des économies de consommation. Elles permettent de réduire ou de supprimer totalement la surconsommation de carburant due à la mise en température de l'APU. pj3267.doc REVENDICATIONS 1. Système de contrôle d'un ensemble pile à combustible (1), la pile à combustible (2) comprenant un moyen de génération d'hydrogène (4) à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie électrique (3) à partir dudit hydrogène et io d'un comburant, ladite pile à combustible (2) étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, ledit système de contrôle (1) pilotant un premier clapet (21) intercalé entre la sortie des gaz d'échappement du catalyseur principal (23) du moteur à combustion interne (22) et la sortie des gaz d'échappement du brûleur (12), et un deuxième clapet (26) implanté en sortie du catalyseur principal (23), caractérisé en ce que les gaz d'échappement du moteur sont déviés par lesdits clapets (21) et (26) de la sortie du catalyseur principal (23) vers les échangeurs thermiques (16, 17) chauffant respectivement le reformeur (4) et l'empilement des cellules (3) de la pile à combustible (2). 2. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le clapet (21) est intercalé entre la sortie des gaz d'échappement du catalyseur d'amorçage (25) du moteur à combustion interne (22) et la sortie des gaz d'échappement du brûleur (12) du système pile à combustible (2). 3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz d'échappement chauds du moteur (22) sont réorientés vers le catalyseur principal (23) après avoir traversé les échangeurs thermiques (16, 17) du reformeur (4) et de l'empilement de cellules (3). pj3267.doc 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz d'échappements chauds issus du catalyseur principal (23) du moteur traversent directement les réacteurs du reformeur (4). 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz d'échappement chauds du brûleur (12) de l'empilement de cellules (3) et ceux issus du moteur thermique (22) assurent ensemble le chauffage du reformeur (4) et de l'empilement de cellules (3). 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz d'échappement chauds du brûleur (12) de la pile à combustible (2) et ceux issus du moteur thermique (22) sont mis à l'échappement à la sortie de l'échangeur (17) thermique de la pile. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que la pile à combustible est une unité auxiliaire d'électricité (APU). 8. Procédé de préchauffage d'un système pile à combustible (2), de préférence une unité auxiliaire de puissance 25 (APU), le procédé opérant: - en pilotant un premier clapet (21) intercalé entre la sortie des gaz d'échappement du catalyseur principal (23) du moteur à combustion interne (22) et la sortie des gaz d'échappement du brûleur (12), et un deuxième clapet (26) implanté en sortie du catalyseur principal (23) ; - en actionnant le brûleur (12) si le chauffage dudit reformeur (4) et de ladite pile à combustible est décidé par ledit système de contrôle (15) et si le moteur à combustion interne (22) est éteint; et pj3267.doc - en arrêtant le brûleur (12) et en pilotant lesdits clapets (21) et (26) permettant de dévier les gaz d'échappement du moteur en sortie du catalyseur principal (23) vers les deux échangeurs thermiques (16, 17), dès que ledit moteur thermique (22) est actionné et jusqu'à ce que ledit système de contrôle (15) détecte que le reformeur (4) et l'empilement de cellules (3) atteignent leur température nominale de fonctionnement. 9. Procédé de préchauffage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de détection des paramètres environnementaux du reformeur (4) et de l'empilement de cellules (3) sont des capteurs de température implantés dans le reformeur et l'empilement de cellules (3) permettant de connaître leur températures respectives. 10. Procédé de préchauffage selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les températures nominales de fonctionnement respectif du reformeur (4) et de l'empilement de cellules (3) sont enregistrées dans le superviseur (15) du système pile à combustible (2). 11. Véhicule comprenant un système de contrôle selon l'une des revendications 1 à 7 ou utilisant un procédé de préchauffage selon l'une des revendications 8 à 10.