Brevet FR2875340A1 — publié le 20060317

Dispositif et procédé de gestion des alimentations d'une pile à combustible L'invention concerne les piles à combustible et en particulier un dispositif et un procédé de gestion des alimentations d'une pile à combustible. Les piles à combustible sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles ou à l'alimentation électrique d'éléments auxiliaires embarqués à bord du véhicule tels qu'une climatisation par exemple. La pile à combustible permet la transformation de l'énergie d'un carburant embarqué dans le véhicule en une puissance électrique. Cette transformation, appelée reformage, est réalisée au cours d'une réaction chimique qui produit un reformât riche en hydrogène et destiné à alimenter la pile à combustible. Dans un véhicule automobile, la pile à combustible est le seul générateur d'électricité pour l'ensemble des dispositifs électriques embarqués. Cependant la totalité de l'énergie produite n'est pas utilisée par les applications, du type traction ou unité auxiliaire de puissance, pour lesquelles de l'énergie électrique est produite. En effet, un certain nombre d'équipements auxiliaires au sein du système pile à combustible, prélève une partie de cette puissance pour leur propre fonctionnement. L'un des plus gros consommateurs d'énergie électrique du système est, par exemple, le système d'alimentation en air. Par conséquent, afin de ne pas détériorer le rendement du système, il est indispensable de trouver une architecture permettant d'alimenter la pile à combustible en air et en reformât en minimisant cette consommation électrique. D'autre part le dispositif d'alimentation doit prendre en 2875340 2 compte fa durée de vie de la pile à combustible qui est très sensible à la présence de contaminants. En effet, l'opération de reformage du carburant fournit de l'hydrogène, du diazote, du dioxyde de carbone et de l'eau qui sont des produits de la s réaction chimique n'affectant pas la durée de vie d'une pile à combustible. En revanche, le reformage du carburant embarqué à bord du véhicule produit un certain nombre de contaminants tels que de l'ammoniac, du monoxyde de carbone, du soufre ou des traces d'hydrocarbure. Ces contaminants sont présents dans I0 le reformât qui est destiné à alimenter la pile à combustible côté anode, et dégradent les performances de l'empilement des cellules élémentaires qui la constituent, entraînant à terme une diminution de la durée de vie de la pile. Les contaminants sont très toxiques pour la pile et doivent être maîtrisés pour lui garantir un bon rendement. Do même, pour l'alimentation de la cathode de la pile à combustible, l'air utilisé peut inclure des contaminants tels que du dioxyde de soufre ou des traces d'hydrocarbure. Ces contaminants peuvent également affecter les performances et la durée de vie des cellules élémentaires constituant la pile à combustible. Pour palier une partie des inconvénients liés à la présence de contaminants dans les flux alimentant l'anode et la cathode d'une pile à combustible, il est connu d'utiliser des catalyseurs ou d'opérer une variation du volume de réaction dans le reformeur pour réduire l'émission de contaminants. Des filtres situés aux entrées d'air du système pile à combustible peuvent également réduire la quantité de contaminants. Cependant, ces solutions réduisent partiellement la quantité de contaminants qui vont s'introduire dans l'empilement de cellules élémentaires de la pile et ne permettent pas d'obtenir un volume suffisant d'hydrogène pour alimenter la pile à combustible. Le document WO-0063997 décrit un dispositif d'alimentation commun pour un ensemble de plusieurs modules une durée de vie accrue de l'ensemble des modules d'une pile. Le dispositif tel que revendiqué permet en outre de gérer simplement et efficacement les temps d'utilisation des modules d'une pile à partir d'une consigne d'entrée fournie à l'organe de s commande. De préférence, le dispositif de gestion des alimentations d'un système pile à combustible selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes: - les moyens de régulation sont des vannes alimentant Io chaque module de génération d'énergie électrique en air provenant du moyen de compression à leurs entrées cathodiques respectives et en hydrogène provenant du moyen de génération d'hydrogène à leurs entrées anodiques, chaque module de génération d'énergie électrique sont des piles à combustibles distinctes pouvant fonctionner indépendamment les unes des autres en fonction des régimes de fonctionnement du système pile à combustible et étant alimentées en hydrogène par le même moyen de génération d'hydrogène et en air par le même moyen de compression, La présente invention concerne en outre un procédé de gestion des alimentations d'un système pile à combustible à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant un système pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un carburant stocké dans un moyen de stockage, un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ledit comburant étant comprimé par un moyen de compression comprimant l'air nécessaire aux différents composants du système et ledit moyen de génération d'énergie électrique comprenant des modules de génération d'énergie électrique prévu pour fournir une puissance électrique audit véhicule, le procédé opérant en ouvrant les vannes qui alimentent un premier module respectivement en air et en hydrogène et en fermant les vannes d'un deuxième module, d'un troisième module et d'un quatrième module lorsque la puissance constitutifs d'un système pile à combustible. Ce dispositif propose une architecture distribuant l'air, le reformât et le liquide de refroidissement à l'ensemble des modules. Un tel dispositif permet d'avoir une alimentation centralisée pour l'ensemble de la pile à combustible, ce qui peut entraîner une diminution des performances du système global. En effet, l'alimentation centralisée présentée dans ce document fournit non seulement tous les modules en hydrogène et en air, mais diffuse aussi les contaminants dans le système entraînant une diminution io importante de la durée de vie du système pile à combustible. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif et un procédé de gestion des alimentations amélioré d'une pile à combustible permettant d'accroître la durée et les performances d'un tel système. le La présente invention fournit un dispositif de gestion des alimentations d'un système pile à combustible à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant un système pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un carburant stocké dans un moyen de stockage, un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ledit comburant étant comprimé par un moyen de compression comprimant l'air nécessaire aux différents composants du système et ledit moyen de génération d'énergie électrique comprenant des modules de génération d'énergie électrique prévu pour fournir une puissance électrique audit véhicule, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un organe de commande destiné à réguler l'alimentation des modules de génération d'énergie électrique en contrôlant l'ouverture de moyens de régulation situés aux entrées cathodique et anodique en fonction des régimes de fonctionnement du système pile à combustible. Un avantage de la présente invention est de minimiser la consommation électrique en proposant un procédé de distribution de comburant et de combustible optimisé qui permet d'obtenir demandée est inférieure à la puissance maximale délivrable par le premier module; en déterminant la durée de fonctionnement du module utilisé qui est ajoutée à la durée totale calculée, ladite durée totale calculée étant mémorisée dans une mémoire de l'organe de commande; en fermant les vannes du premier module sous l'impulsion de l'organe de commande lorsque la durée de fonctionnement totale du module devient supérieure à la durée totale de fonctionnement des autres modules, ladite durée totale de fonctionnement des autres modules étant ici mémorisée dans une mémoire de l'organe de commande; en comparant et déterminant la durée totale de fonctionnement du module qui est la plus faible; et en ouvrant les vannes d'alimentation du module qui a la durée totale de fonctionnement la plus faible. De préférence, le procédé de gestion des alimentations d'un système pile à combustible selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes les vannes du premier module restent ouvertes pour que le module puisse fournir la puissance électrique nécessaire pour le véhicule si la durée de fonctionnement totale dudit module reste inférieure à celle des autres modules, - l'organe de commande ouvre les vannes lorsque la puissance électrique demandée est supérieure à la puissance électrique maximale délivrable par un des modules. La présente invention s'applique à un véhicule comprenant un tel dispositif de gestion des alimentations d'un système pile à combustible incluant un reformeur de carburant utilisant un tel procédé de gestion des alimentations d'un système pile à combustible, La présente invention sera mieux comprise à travers l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par un dessin annexé sur lequel la figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation selon l'invention où le système pile à combustible est constitué d'un ensemble de modules alimentés par une alimentation centrale en air et en hydrogène. Bien que pouvant s'appliquer de façon générale à tous types de dispositifs à pile à combustible, l'invention sera plus s particulièrement illustrée à titre d'exemple dans le cadre d'un véhicule automobile fonctionnant avec un système de traction à pile à combustible. Le mode de réalisation représenté sur la figure 1 comprend un système pile à combustible 14 constitué d'un système de reformage de carburant 2, appelé reformeur, permettant de transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogène pour alimenter un moyen de génération d'énergie électrique 5. Le reformeur 2 est alimenté en carburant et en air comprimé depuis le système d'alimentation en air is comprimé 2 respectivement par des conduites 10 et 11. Ce moyen de génération d'énergie électrique 5 est composé de plusieurs modules de génération d'énergie électrique 6, 7, 8 et 9 destinés à fournir une puissance électrique au véhicule. Chaque module 6, 7, 8 et 9 est alimenté par un réseau de distribution 2o constitué de canalisations 12 et 13, qui fournissent respectivement de l'air et de l'hydrogène aux entrées cathodiques 61, 71, 81, 91, et des entrées anodiques 62, 72, 82, 92 de chaque module 6, 7, 8 et 9. De plus, chaque module 6, 7, 8 et 9 comprend une pile à combustible qui transforme le reformât avec de l'air en une puissance électrique. Ils sont chacun constitués d'une anode 62, 72, 82, 92 et d'une cathode 61, 71, 81, 91 ladite pile à combustible étant alimentée en reformât et en air comprimé depuis le système d'alimentation en air comprimé 3 respectivement par les conduites 13 et 12. De plus, à l'entrée de chaque anode 61, 71, 81 et 91 est positionnée une vanne de régulation 63, 73, 83 et 93 destinée à faire varier l'alimentation en air comprimé des anodes 61, 71, 81 et 91 ou à couper l'alimentation en air de façon à isoler chaque module en fonction des phases de fonctionnement du système pile à combustible 14. De même, à l'entrée de chaque cathode 62, 72, 82 et 92 est positionnée une vanne de régulation 64, 74, 84 et 94 destinée à faire varier l'alimentation en hydrogène des cathodes 62, 72, 82 et 92. Ainsi, lorsque le véhicule ne fonctionne pas pleine charge, il peut utiliser l'énergie électrique produite par une partie ou bien un seul des modules du système pile à combustible 14 par exemple. En effet, une grande partie du temps d'utilisation d'un véhicule automobile, la puissance demandée par le véhicule n'est qu'une fraction de la puissance maximale du système. Par exemple, sur un parcours urbain, un véhicule peut fonctionner seulement avec 10kW de puissance électrique même si la puissance maximale du système pile à combustible est de 70kW. Cette puissance maximale peut être utilisée dans le cas d'une 1s utilisation du véhicule à vitesse maximalei Dans le cas d'une utilisation automobile classique, la durée de vie de l'empilement de cellules élémentaires constituant chaque module 6, 7, 8 et 9, tout en respectant un niveau de performance suffisant, est d'environ 5000 heures. 28 Dans le cas d'un système pile à combustible 14 capable de fournir une puissance maximale de l'ordre de 70kW et composé de N modules, par exemple N = 4 modules 6, 7, 8 et 9, la puissance réclamée dans la majorité des cas d'utilisation du véhicule peut être fournie par un seul des modules. Dans cette 2s configuration où un seul module, par exemple le module 6, peut répondre aux besoins en énergie électrique du véhicule, les autres modules, par exemple les modules 7, 8 et 9, ne sont pas alimentés en air et en hydrogène puisqu'ils ne sont pas sollicités. Ainsi, pour une heure de roulage de type urbain, la durée de vie 3o du module utilisé, par exemple le module 6, est diminuée d'une heure alors que les autres modules, par exemple les modules 7, 8 et 9, ont conservé intacte leur durée de vie restante respective. En phase de fonctionnement, l'organe de commande 4 reçoit l'information correspondant à la puissance électrique demandée par te véhicule. En accord avec cette demande de puissance, l'organe de commande 4 agit sur les alimentations en air et en hydrogène des modules 6, 7, 8, 9 de ta pile 5. Dans le cas de figure où la puissance demandée est inférieure à la puissance maximale dé!ivrable par un module, par exemple le module 6, les vannes 63 et 64 qui alimentent le module 6 respectivement en air et en hydrogène, sont ouvertes et les vannes 74 et 72 du module 7, 83 et 84 du module 8 et 93 et 94 du module 9 sont fermées. Pour une faible puissance ro électrique demandée, seul un module, par exemple le module 6, est utilisé pour répondre aux besoins en énergie électrique du véhicule. De plus, l'organe de commande 4 détermine la durée de fonctionnement du module utilisé et l'ajoute à la durée totale calculée et rentrée dans sa mémoire, Cette architecture d'alimentation des modules 6, 7, 8 et 9 permet de faire diminuer la durée de vie d'un seul module en préservant les autres modules non sollicités, des contaminants contenus dans une alimentation centralisée. Si la durée de fonctionnement totale du module 6 devient se supérieure à celles des autres modules 7, 8 et 9 les vannes 63 et 64 se ferment sous l'impulsion de l'organe de commande 4 afin d'équilibrer les durées de fonctionnement totales des différents modules constitutifs de la pile 5, Le module totalisant le moins d'heures de fonctionnement total est alors utilisé en remplacement et l'organe de commande 4 ouvre les vannes correspondantes pour l'alimenter en air et en hydrogène. En revanche, si la durée de fonctionnement totale du module 6 reste inférieure à celle des autres modules, les vannes 63 et 64 restent ouvertes pour que le module 6 puisse fournir la puissance électrique nécessaire pour le véhicule. Dans ce cas, la durée de vie restante du module 6 diminue d'autant. Dans le cas où la puissance électrique demandée est supérieure à la puissance électrique maximale délivrable par un des N modules, l'organe de commande 4 ouvre toutes les vannes 63, 64, 73, 74, 83, 84, 93 et 94 de façon à ce chaque module soit alimenté en combustible et comburant pour fournir la puissance électrique de consigne. Pour cette phase de fonctionnement du système pile à combustible 14, la durée de vie de chaque module diminue uniformément. Une telle gestion des alimentation des modules de la pile à combustible 5 permet de minimiser leur durée de fonctionnement et donc de minimiser la durée de fonctionnement d'un empilement de cellules élémentaires constitutif d'un pile à combustible. Les modules ont alors une dégradation naturelle qui est optimisée en répartissant les phases de fonctionnement du système sur l'ensemble des modules. Io REVENDICATIONS 1, Dispositif de gestion des alimentations d'un système pile à combustible à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant un système pile à combustible (14) comprenant un moyen de génération d'hydrogène (2) à partir d'un carburant stocké dans un moyen de stockage (1), un moyen de génération d'énergie électrique (5) à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ledit comburant étant comprimé par un moyen de compression (3) comprimant l'air nécessaire aux différents composants du système et ledit moyen de génération d'énergie électrique (5) comprenant des modules de génération d'énergie électrique (6, 7, 8, 9) prévu pour fournir une puissance électrique audit véhicule, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un organe de commande (4) destiné à réguler l'alimentation des modules de génération d'énergie électrique (6, 7, 8, 9) en contrôlant l'ouverture de moyens de régulation (63, 64, 73, 74, 83, 84, 93, 84) situés aux entrées cathodique (61, 71, 81, 91) et anodique (62, 72, 82, 92) en fonction des régimes de fonctionnement du système pile à combustible (14). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de régulation (63, 64, 73, 74, 83, 84, 93, 84) sont des vannes alimentant chaque module de génération d'énergie électrique (6, 7, 8, 9) en air provenant du moyen de compression (3) à leurs entrées cathodiques respectives (61, 71, 81, 91) et en hydrogène provenant du moyen de génération d'hydrogène (2) à leurs entrées anodiques respectives (62, 72, 82, 92). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque module de génération d'énergie électrique (6, 7, 8, 9) sont des piles à combustibles distinctes pouvant fonctionner indépendamment les unes des autres en s fonction des régimes de fonctionnement du système pile à combustible (14) et étant alimentées en hydrogène par le même moyen de génération d'hydrogène (2) et en air par le même moyen de compression (3). w 4. Procédé de gestion des alimentations d'un système pile à combustible à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant un système pile à combustible (14) comprenant un moyen de génération d'hydrogène (2) à partir d'un carburant stocké dans un moyen de stockage (1), un moyen de génération d'énergie électrique (5) à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ledit comburant étant comprimé par un moyen de compression (3) comprimant l'air nécessaire aux différents composants du système et ledit moyen de génération d'énergie électrique (5) comprenant des modules de génération d'énergie électrique (6. 7, 8, 9) prévu pour fournir une puissance électrique audit véhicule, le procédé opérant: - en ouvrant les vannes 63 et 64 qui alimentent un premier module 6 respectivement en air et en hydrogène et en fermant les vannes 74 et 72 d'un deuxième module 7, 83 et 84 du troisième module 8 et 93 et 94 du quatrième module 9 lorsque la puissance demandée est inférieure à la puissance maximale délivrabie par le premier module - en déterminant la durée de fonctionnement du module utilisé qui est ajoutée à la durée totale calculée, ladite durée totale calculée étant mémorisée dans une mémoire de l'organe de commande 4; - en fermant les vannes 63 et 64 du premier module 6 sous l'impulsion de l'organe de commande 4 lorsque la durée de fonctionnement totale du module 6 devient supérieure à la durée totale de fonctionnement du ou des autres modules 7, 8 et 9, ladite durée totale de fonctionnement dudit desdits autres modules 7, 8 et 9 étant mémorisée dans une mémoire de l'organe de commande 4; - en comparant et déterminant la durée totale de fonctionnement du module qui est la plus faible; et - en ouvrant les vannes d'alimentation du module qui a la durée totale de fonctionnement la plus faible. 5. Procédé de gestion des alimentations d'un système pile à combustible selon la revendication 4, caractérise en ce que les vannes (63, 64) du premier module (6) restent ouvertes pour que le module 6 puisse fournir la puissance électrique nécessaire pour le véhicule si la durée de fonctionnement totale dudit module (6) reste inférieure à celle des autres modules. 6. Procédé de gestion des alimentations d'un système pile à combustible selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérise en ce que l'organe de commande (4) ouvre les vannes (63, 64, 73, 74, 83, 84, 93, 94) lorsque la puissance électrique demandée est supérieure à la puissance électrique maximale déiivrable par un des modules (6, 7, 8, 9). 7. Véhicule comprenant un dispositif de gestion des alimentations d'un système pile à combustible incluant un reformeur de carburant selon l'une des revendications 1 à 4 ou utilisant un procédé de gestion des alimentations d'un système pile à combustible selon l'une des revendications 5 à 6.