Brevet FR2863779A1 — publié le 20050617

Dispositif et procédé de régulation de température d'un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile La présente invention concerne un dispositif et un procédé de régulation de la température d'un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile. Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie soit dans des installations 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 des contraintes particulières. Les dispositifs de pile à combustible, lorsqu'ils sont embarqués à bord de véhicules automobiles, sont conçus en fonction des contraintes du véhicule, notamment des contraintes dimensionnelles. De plus, le circuit de refroidissement de ces dispositifs doit être dimensionné pour une vitesse de 165 km/h et une température extérieure de 45 C, afin qu'il n'y ait pas de problèmes même lors de ces conditions d'utilisation poussées. Il faut pouvoir augmenter, dans certaines conditions poussées d'utilisation du véhicule, la température de la pile à combustible à des températures supérieures à 100 C, ce qui nécessite de pouvoir réaliser une membrane pouvant fonctionner à ce niveau de température sans trop se dégrader pendant la durée de vie moyenne du véhicule. On a déjà imaginé diverses solutions pour gérer la température d'une pile à combustible. On pourra à cet égard se référer aux demandes de brevet US 2002/0037447 et EP 0 999 078 qui décrivent des dispositifs de gestion de la température d'un circuit de circulation de fluide caloporteur d'un véhicule comprenant une pile à combustible. Ces dispositifs ne peuvent toutefois pas adapter la température de la pile à combustible aux contraintes du système. 2863779 2 Le brevet US 6 394 207 propose une gestion thermique d'un véhicule comprenant une pile à combustible, notamment pour chauffer la pile à combustible lorsqu'il fait froid et chauffer ou refroidir d'autres éléments, sans gestion fine de la température de la pile à combustible. La demande de brevet EP 1 187 242 propose une gestion thermique de la pile à combustible, mais sans notamment optimiser ses performances en régime nominal. Ainsi, au vu de ce qui précède, l'invention a pour but d'amener le plus rapidement possible et de maintenir une pile à combustible dans un intervalle de température, dans lequel les performances de la pile à combustible sont optimales, en respectant les contraintes thermiques de refroidissement. L'invention a donc pour but un dispositif de régulation de la température d'un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile. Ce dispositif comprend un circuit de circulation d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique du système, une unité de commande électronique, une pompe commandée par l'unité de commande électronique, et une pluralité de capteurs de température dont l'un est placé en sortie de la pile à combustible. Le circuit de circulation traverse la pile à combustible et un condenseur pré-anodique, et comprend une première pluralité de vannes de régulation commandées par l'unité de commande électronique de manière à maintenir, en fonctionnement nominal, une température dans la pile à combustible comprise dans un intervalle prédéterminé de températures. On optimise alors le fonctionnement de la pile à combustible, et on l'amène le plus rapidement possible dans cet intervalle de températures de fonctionnement optimal. Par exemple, la première pluralité de vannes de régulation commandées comprend une première vanne de régulation trois voies et un premier ensemble de vannes de régulation deux voies. 2863779 3 Dans un mode de réalisation préféré, l'unité de commande électronique est apte à maintenir, en fonctionnement nominal, une température dans la pile à combustible un intervalle de températures étant une fonction de la température maximale d'utilisation de la membrane de la pile à combustible. Par exemple, l'intervalle de températures dans lequel les performances de la pile à combustible sont optimales est l'intervalle 80 C-90 C. C'est généralement dans cet intervalle de températures, qu'une pile à combustible, comprenant une membrane de type perfluorée, embarquée à bord d'un véhicule automobile, a une performance optimale. Dans un mode de réalisation avantageux, l'unité de commande électronique est adaptée pour commander la pompe et les premières vannes de régulation pour gérer les débits de fluide caloporteur afin que la pile à combustible fonctionne à une température supérieure à la borne supérieure dudit intervalle et inférieure à une température limite, lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la quantité d'énergie thermique échangée avec l'air extérieur. Dans des conditions plus poussées d'utilisation du véhicule, il est parfois nécessaire d'augmenter la température de fonctionnement de la pile à combustible, afin de pouvoir évacuer une plus grande puissance thermique avec l'air extérieur. Dans un mode de réalisation préféré, ladite température limite est une fonction de la température maximale d'utilisation de la membrane de la pile à combustible. Par exemple la température limite vaut environ 110 C. Dans un mode de réalisation avantageux, le circuit de circulation traverse en outre un radiateur de refroidissement du fluide caloporteur, un premier radiateur d'air de suralimentation, un deuxième radiateur d'air de suralimentation, un aérotherme, un condenseur anodique, un condenseur cathodique, un moteur électrique, et des composants électroniques. Le circuit de 2863779 4 circulation du fluide caloporteur comprend, en outre, une deuxième pluralité de vannes de régulation commandées par l'unité de commande électronique, pour maintenir une température des radiateurs d'air de suralimentation, une température de l'aérotherme, une température du condenseur pré-anodique, une température du condenseur anodique, une température du condenseur cathodique, une température du moteur électrique, et une température des composants électroniques, inférieures à une température critique, afin d'éviter une dégradation de ces éléments. En effet, certains des éléments du système de pile à combustible ne doivent pas dépasser une température critique, au-delà de laquelle ils seraient détériorés. Par exemple, la deuxième pluralité de vannes de régulation commandées comprend une vanne de régulation trois voies et un deuxième ensemble de vannes de régulation deux voies. Dans un mode de réalisation préféré, la température critique vaut environ 65 C. L'invention propose également un procédé de régulation de la température d'un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile. On commande une première pluralité de vannes de régulation et une pompe d'un circuit de circulation d'un fluide caloporteur pour maintenir, en fonctionnement nominal, une température dans la pile à combustible comprise dans un intervalle prédéterminé de températures. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, on commande la pompe et une deuxième pluralité de vannes de régulation pour gérer les débits de fluide caloporteur afin que la température dans la pile à combustible soit supérieure à la borne supérieure dudit l'intervalle et inférieure à une température limite, lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la quantité d'énergie thermique échangée avec l'air extérieur. 2863779 5 Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, on commande la pompe, une deuxième pluralité de vannes de régulation pour gérer les débits de fluide caloporteur afin de maintenir la température des radiateurs d'air de suralimentation, la température d'un aérotherme, la température d'un condenseur pré-anodique, la température d'un condenseur anodique, la température d'un condenseur cathodique, la température d'un moteur électrique, et la température d'une électronique inférieures à une température critique, afin d'éviter une dégradation de ces éléments. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence au dessin annexé sur lequel est représenté un dispositif de régulation selon l'invention. Sur la figure, on a représenté l'architecture générale d'un dispositif de régulation de température selon l'invention. ce dispositif est destiné à être embarqué à bord d'un véhicule automobile équipé d'une pile à combustible 1 pour en réguler la température. Comme on le voit sur cette figure, le dispositif de régulation comporte un circuit de circulation 2 d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique du système de pile à combustible. Le système de pile à combustible du véhicule est constitué par un système de pile à combustible de type classique. Il ne sera donc pas décrit en détail. On notera toutefois qu'il est équipé de moyens pour alimenter la pile 1 en hydrogène et d'un groupe de compression d'air pour alimenter la pile 1 en oxygène (non représentés). Le dispositif de régulation est équipé d'une pompe 3 pour faire circuler le fluide caloporteur. Une pluralité de capteurs de température 4, 5, 6 et 7 sont prévus pour mesurer la température du fluide dans le circuit. L'un des capteurs référencé 4 mesure la température à l'intérieur de la pile à combustible 1. Le dispositif 2863779 6 comprend également un condenseur pré-anodique 8, une première vanne de régulation trois voies 9, et un premier ensemble de vannes de régulation deux voies 10, 11 et 12, ainsi qu'une deuxième vanne de régulation trois voies 13 et un deuxième ensemble de vannes de régulation deux voies 14 et 15. Le dispositif comprend en outre un premier et un deuxième radiateur d'air de suralimentation (RAS) 16 et 17, un aérotherme 18 et un radiateur 19. Tous ces radiateurs 8, 16, 17, 19 et l'aérotherme 18 sont des échangeurs thermiques. Le dispositif gère en outre la température d'un condenseur anodique 20, d'un condenseur cathodique 21, d'un moteur électrique 22, et d'un ensemble de composants électronique 23. En outre, le dispositif comprend une unité de commande électronique (UCE) 24. Les vannes de régulations trois voies 9 et 13 sont respectivement connectées à l'unité de commande électronique, 24 par des connexions 25 et 26, et les vannes de régulation deux voies 10, 11, 12, 14, et 15 sont respectivement connectées à l'unité de commande électronique 24 par des connexions 27, 28, 29, 30 et 31. L'unité de commande électronique 24 est également reliée à chacun des capteurs de température 4, 5, 6 et 7, respectivement par des connexions 32, 33, 34 et 35, ainsi qu'au moteur électrique 22, à l'électronique 23, et à la pompe 3, respectivement par des connexions 36 et 37 et 38. Le circuit de circulation 2 du fluide caloporteur comprend une branche 39 traversant la pile à combustible 1 et une branche 40, parallèle à la branche 39 et comprenant la vanne deux voies 12, qui se rejoignent en une branche 41. Une branche 42 traversant le premier radiateur d'air de suralimentation se sépare en deux branches 40 et 43, la branche 43 comprenant la vanne deux voies 11. Une branche 44 reliée à la vanne trois voies 9, se sépare en deux branches parallèles 42 et 45, la branche 45 comprenant la vanne deux voies 10 et rejoignant la branche 43 pour former la branche 39. Une autre branche 46 reliée à la vanne trois voies 9 rejoint la branche 41 en une branche 47. La branche 2863779 7 47 se sépare en deux branches 48 et 49. La branche 48 se séparant en plusieurs branches, dont l'une 50 comprend la vanne deux voies 15 et rejoint le radiateur 19. La branche 49 traverse l'aérotherme 18, comprend un ajutage 50a, et rejoint une branche 62 en une branche 49b. La branche 49b rejoint une branche 51 traversant le moteur électrique 22 et le condenseur anodique 20 en une branche 52. La branche 52 et une branche 53, traversant l'électronique 23 et le condenseur cathodique 21, se rejoignent en une branche 54, comprenant la pompe 3 et le capteur thermique 6, et reliée à la vanne trois voies 9. Une branche 55 relie le radiateur 19 à la vanne trois voies 13, et une branche 56 comprenant la vanne deux voies 14 rejoint une branche 57 sortant du radiateur 19 en une branche 58, qui traverse le troisième radiateur d'air de suralimentation 17 et qui comprend le capteur thermique 7. Lorsque le fluide caloporteur traverse le radiateur 19, le débit de fluide caloporteur sortant par la branche 55 est très supérieur à celui sortant par la branche 57. La branche 58 se sépare en deux branches 51 et 53. Une branche 59 reliée à la vanne trois voies 13 se sépare en deux branches 60 et 61. La branche 60 traverse le premier radiateur d'air de suralimentation 16 et rejoint la branche 61 en la branche 62. La branche 61 comprend un ajutage 63. La branche 61 permet de ne pas faire passer un trop fort débit de fluide caloporteur dans le premier radiateur d'air de suralimentation 16. Les ajutages 50a et 63 permettent de réguler les débits dans leurs branches. La branche 61 permet notamment de limiter la perte de charge du circuit lorsque le débit dans la branche 55 est important. En outre, l'unité de commande électronique 24 comprend des moyens de commande 64 aptes à commander les vannes deux et trois voies 10, 11, 14, 15, 9 et 13 pour gérer les températures dans la pile à combustible 1 et dans d'autres éléments du système, en fonction d'informations transmises notamment par les différents capteurs de température 4, 5, 6 et 7. 2863779 8 Dans un mode de fonctionnement de démarrage de la pile à combustible 1, il est important de faire monter le plus rapidement possible la température dans la pile 1 à une température optimale de fonctionnement comprise dans l'intervalle de températures 80 C-90 C. En effet, lorsque la pile à combustible fonctionne à des températures inférieures, son rendement est nettement plus faible. Pour faire monter la température dans la pile 1, le débit du fluide caloporteur dans la pile 1 doit être faible afin d'éliminer le moins possible l'énergie thermique produite par les réactions exothermiques électrochimiques. Les moyens de commande 64 commandent alors dans une phase de démarrage les vannes deux voies 10, 11 et 12, ainsi que la vanne trois voies 9, afin d'ajuster le débit de fluide caloporteur dans la branche 39 traversant la pile à combustible 1, à partir des mesures de températures des capteurs 4 et 5. Par exemple, on ferme les vannes 10 et 11 pour avoir un débit nul de liquide caloporteur traversant la pile 1. On peut même envisager de faire circuler un fluide caloporteur réchauffé dans la branche 39 traversant la pile 1, pour la réchauffer encore plus rapidement, en fermant les vannes 10 et 12, et en ouvrant la vanne 11. On réchauffe alors le fluide caloporteur avec un débit faible traversant le radiateur d'air de suralimentation 8 de la branche 42. Les moyens de commandes gèrent ensuite la pompe 3 et les ouvertures des différentes vannes pour adapter le débit et la température du fluide caloporteur traversant la pile 1, en fonction des mesures transmises par les capteurs de température 4 et 5 à l'unité de commande électronique 24. En fonctionnement nominal, las moyens de commande 64 gèrent la pompe 3 et les ouvertures des différentes vannes pour adapter le débit et la température du fluide caloporteur traversant la pile 1, en fonction des mesures transmises par les capteurs de température 4 et 5 à l'unité de commande électronique 24, afin de maintenir la température Top, dans la pile dans l'intervalle de 2863779 9 températures 80 C-90 C, correspondant à un fonctionnement optimal de la pile 1. Lorsque l'énergie demandée à la pile à combustible 1 est trop faible pour que les réactions électrochimiques exothermiques puissent libérer assez d'énergie thermique pour maintenir la température dans pile 1 dans cet intervalle de températures, les moyens de commande 64 peuvent fermer les vannes 10 et 11 pour avoir un débit nul de liquide caloporteur traversant la pile 1, afin de ne pas la refroidir. Les moyens de commande 64, dans ce cas, peuvent en outre réchauffer le fluide caloporteur en le faisant circuler dans le radiateur d'air de suralimentation 8, en fermant les vannes 10 et 12, et en ouvrant la vanne 11. Lorsque le refroidissement devient critique, c'est-à-dire lorsque l'énergie thermique à évacuer est trop importante quand le véhicule roule vite ou lorsque la température extérieure est élevée et diminue la quantité d'énergie thermique évacuée, les moyens de commande 61 gèrent la pompe 3 et les ouvertures des différentes vannes pour adapter le débit et la température du fluide caloporteur traversant la pile 1, en fonction des mesures transmises par les capteurs de température 4 et 5 à l'unité de commande électronique 24, afin que la pile 1 puisse fonctionner à une température proche d'une température limite Tiim, par exemple d'une valeur d'environ 110 C, ce qui permet au radiateur 19 d'évacuer plus d'énergie thermique par accroissement de la différence de températures entre l'air extérieur et le fluide caloporteur dans le radiateur 19. La température limite Tain, est une fonction de la température maximale d'utilisation de la membrane de la pile. Tout en assurant la montée en température de la pile 1 jusqu'à une température optimale T pt située dans l'intervalle de température défini précédemment, il faut assurer le refroidissement des organes devant rester à des températures inférieures à une température critique Terit, par exemple de l'ordre de 65 C. Lorsque le fluide caloporteur atteint une température 2863779 10 proche de Tcr;t, par exemple Tcrit-10 C, les moyens de commandes 60 recevant des mesures de températures des capteurs de température 6 et 7, commandent les vannes deux voies et trois voies, afin de refroidir le fluide caloporteur. Les moyens de commande 64 ferment la vanne deux voies 14 et ouvrent la vanne deux voies 15, afin de refroidir le fluide caloporteur par passage dans le radiateur 19. En outre ils commandent la vanne trois voies 13 de manière à ce que le fluide circule entre le radiateur 19 et dans le radiateur d'air de suralimentation 16 par les branches 55 et 60. Le fluide caloporteur est ainsi refroidi avant de traverser le radiateur d'air de suralimentation 2. L'invention permet donc de gérer la température dans une pile à combustible embarquée sur un véhicule automobile afin d'optimiser son fonctionnement. L'invention permet en outre de gérer la température dans le reste du système de pile à combustible, afin d'éviter des dégradations d'équipements qui pourraient être causés par une trop forte température. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation de la température d'un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, comprenant un circuit de circulation (2) d'un fluide caloporteur pour la régulation thermique du système, une unité de commande électronique (24), une pompe (3) commandée par l'unité de commande électronique (24), et une pluralité de capteurs de température (4, 5, 6, 7) dont l'un (4) est placé en sortie de la pile à combustible (1), caractérisé par le fait que ledit circuit de circulation (2) traverse la pile à combustible (1) et un condenseur pré-anodique (8), et comprend une première pluralité de vannes de régulation commandées par l'unité de commande électronique (24) de manière à maintenir, en fonctionnement nominal, une température (Tops) dans la pile à combustible (1) comprise dans un intervalle prédéterminé de températures. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première pluralité de vannes de régulation commandées comprend une première vanne de régulation trois voies (9) et un premier ensemble de vannes de régulation deux voies (10, 11, 12). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'unité de commande électronique (24) est apte à maintenir, en fonctionnement nominal, une température (Tops) dans la pile à combustible (1) dans un intervalle de températures étant une fonction de la température maximale d'utilisation de la membrane de la pile à combustible (1). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'intervalle de températures dans lequel les performances de la pile à combustible sont optimales est l'intervalle 80 C-90 C. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'unité de commande électronique (24) est adaptée pour commander la 2863779 12 pompe (3) et les premières vannes de régulation (9, 10, 11, 12) pour gérer les débits de fluide caloporteur afin que la pile à combustible (1) fonctionne à une température supérieure à la borne supérieure dudit intervalle et inférieure à une température limite (Tiim), lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la quantité d'énergie thermique échangée avec l'air extérieur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite température limite est une fonction de la température maximale d'utilisation de la membrane de la pile à combustible (1). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ladite température limite (Tlim) vaut environ 110 C. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ledit circuit de circulation (2) traverse en outre un radiateur de refroidissement (19) du fluide caloporteur, un premier radiateur d'air de surâ m i tfôh (16), un deuxième radiateur d'air de suralimentation (17), un aérotherme (18), un condenseur anodique (20), un condenseur cathodique (21), un moteur électrique (22), et des composants électroniques (23), et comprend en outre une deuxième pluralité de vannes de régulation commandées par l'unité de commande électronique (24), pour maintenir une température des radiateurs d'air de suralimentation (16, 17), une température de l'aérotherme (18), une température du condenseur pré-anodique (8), une température du condenseur anodique (20), une température du condenseur cathodique (21), une température du moteur électrique (22), et une température des composants électroniques (23), inférieures à une température critique (Tcrit), afin d'éviter une dégradation de ces éléments. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la deuxième pluralité de vannes de régulation commandées comprend une vanne de régulation trois voies (13) et un deuxième ensemble de vannes de régulation deux voies (14, 15). 2863779 13 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite température critique (Tcr;t) vaut environ 65 C. 11. Procédé de régulation de la température d'un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, caractérisé par le fait que l'on commande une première pluralité de vannes de régulation et une pompe (3) d'un circuit de circulation (2) d'un fluide caloporteur pour maintenir, en fonctionnement nominal, une température (T Pt) dans la pile à combustible (1) comprise dans un intervalle prédéterminé de températures. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l'on commande la pompe (3) et une deuxième pluralité de vannes de régulation pour gérer les débits de fluide caloporteur afin que la température dans la pile à combustible (1) soit supérieure à la borne supérieure dudit l'intervalle et inférieure à une température limite (Tiim), lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la quantité d'énergie thermique échangée avec l'air extérieur. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que l'on commande la pompe (3), une deuxième pluralité de vannes de régulation pour gérer les débits de fluide caloporteur afin de maintenir la température des radiateurs d'air de suralimentation (16, 17), la température d'un aérotherme (18), la température d'un condenseur pré- anodique (8), la température d'un condenseur anodique (20), la température d'un condenseur cathodique (21), la température d'un moteur électrique (22), et la température de composants électroniques (23) inférieures à une température critique (Terit), afin d'éviter une dégradation de ces éléments.