Brevet FR2899019A1 — publié le 20070928

Isolation thermique pour pile à combustible. L'invention concerne le domaine des dispositifs de piles à combustible embarquées sur véhicules. L'invention concerne également le domaine des procédés d'isolation des dispositifs de piles à combustible. Le rendement des piles à combustible est médiocre lorsque la température des empilements de la pile à combustible est froide. Le rendement s'améliore, la consommation de carburant baisse ainsi que la production de dioxyde de carbone lorsque la température des empilements et des gaz de reformat alimentant la pile à combustible atteint une température optimale. Lorsque la pile à combustible fournit de l'électricité, la température des empilements augmente et un refroidissement est nécessaire pour garder la température dans la plage optimale. Il est donc souhaitable de favoriser l'échauffement des empilements de la pile à combustible de manière compatible avec leur refroidissement ultérieur. Par ailleurs, les empilements de piles à combustible sont susceptibles d'être l'objet de fuites, par exemple d'hydrogène. I1 y a lieu d'éviter le confinement d'hydrogène gazeux pouvant entrer en déflagration en contact avec l'oxygène de l'air. Le brevet US 6 322 920 (PLUG POWER INC.) décrit une pile à combustible entourée d'une membrane plastique étanche aux gaz. L'isolement recherché dans ce document concerne les gaz de la pile à combustible. La membrane plastique ne contribue pas à accélérer l'échauffement de la pile à combustible. La demande de brevet CA 2 433 065 (GLOBAL THERMOELECTRIC INC.) décrit un échangeur de chaleur isolant une pile à combustible. Cet échangeur de chaleur permet d'augmenter ou 2 de réduire l'isolation autour d'une zone chaude de la pile à combustible. Cet échangeur est une enceinte dont les deux moitiés sont soudées ensemble autour des empilements. La variation d'isolation de la pile à combustible se fait en faisant varier la température des réactifs en circulation dans la paroi de l'enceinte. L'inconvénient de ce dispositif est de risquer d'exploser lorsque des fuites, par exemple d'hydrogène, s'échappent des empilements de la pile à combustible et restent confinées dans l'enceinte. L'invention propose un dispositif de pile à combustible et un procédé d'isolation de pile à combustible permettant de favoriser l'échauffement des empilements de la pile à combustible lorsque ceux-ci sont froids, de manière compatible avec leur refroidissement ultérieur, tout en réduisant les risques de déflagration dus aux fuites des empilements de la pile à combustible. Selon un aspect de l'invention, le dispositif de pile à combustible embarquée sur véhicule motorisé, est muni d'une enceinte entourant au moins des empilements de cellules de la pile à combustible. L'enceinte est séparée, au moins en partie, des empilements de cellules de la pile à combustible par une couche d'air intérieure et comprend au moins une ouverture munie d'au moins un volet actionnable. On conçoit qu'un tel dispositif de pile à combustible évite tout risque de déflagration car les éventuelles fuites d'hydrogène peuvent ne pas être confinées dans un espace clos. Lorsque le volet est fermé, la couche d'air intérieur constitue une couche isolante thermiquement. Lorsque le volet est ouvert, l'enceinte permet le refroidissement des empilements de la pile à combustible. Le volet actionnable permet de faire varier l'isolation thermique autour des empilements. 3 Avantageusement, le volet présente une position fermée où la couche d'air intérieure est séparée de l'air extérieur. L'enceinte peut comprendre un matériau isolant thermiquement. Avec ces caractéristiques, l'isolation thermique de la couche d'air intérieur s'ajoute à l'isolation thermique de l'enceinte. Avantageusement, le volet présente une pluralité de positions ouvertes présentant une pluralité croissante de surfaces de contact entre la couche d'air intérieure et l'air extérieur. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de commande du volet. Avantageusement, les moyens de commande font passer le volet, de manière continue ou discontinue, d'une position ouverte à une autre position du volet. Selon une variante, le dispositif comprend un capteur de présence d'hydrogène dans la couche d'air intérieure, les moyens de commande étant apte à actionner une ouverture du volet dès que la quantité d'hydrogène dans la couche d'air intérieure dépasse un seuil. Selon une variante, le dispositif comprend une enceinte entourant au moins un réservoir d'eau de refroidissement de la pile à combustible. Selon un autre aspect le l'invention, dans le :procédé d'isolation d'un dispositif de pile à combustible embarquée sur véhicule motorisé, du type comprenant des empilements de cellules logés à l'intérieur d'une enceinte isolante, on commande la circulation ou la non- circulation d'air extérieur entre l'enceinte et des empilements de la pile à combustible. Avantageusement, on permet la circulation d'air extérieur entre l'enceinte et des empilements de la pile à combustible dés que le véhicule présente une vitesse comprise dans une plage, entre une 4 vitesse de ralenti et une vitesse plafond, et on empêche la circulation d'air extérieur entre l'enceinte et des empilements de la pile à combustible, lorsque la vitesse du véhicule est en dehors de ladite plage. Avantageusement, on permet la circulation d'air extérieur entre l'enceinte et des empilements de la pile à combustible dés que le régime moteur dépasse un seuil. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé comportant une figure unique illustrant en coupe partielle un dispositif de l'invention. Comme illustré sur la figure, le dispositif de pile à combustible comprend un empilement 1 de cellules 2, un dispositif de gestion des gaz 3 et un dispositif de refroidissement 4 des empilements 1. Le dispositif de refroidissement 4 comprend un réservoir d'eau 5, un radiateur 6 et des canalisations 7. Une enceinte principale 8 entoure les empilements 1. Des moyens de fixation 9, tels qu'une grille, permettent de fixer les empilements 1 sur une paroi de l'enceinte principale 8. L'enceinte principale 8 est fixée sur un plancher 10 du véhicule sur lequel est embarquée la pile à combustible. L'enceinte principale 8 comprend un système de volet 11 logé dans une ouverture lla ménagée dans la paroi de l'enceinte principale 8. Une ouverture 12, ménagée dans un plancher 10 du véhicule, est située en regard du volet 11. Le volet 11 comprend une échelle fixe 13, immobilisée par rapport à l'enceinte principale 8 et coopérant avec une échelle mobile 14. L'échelle fixe 13 comprend une pluralité de lames fixes 15 intercalées avec une pluralité d'ouvertures fixes 16. L'échelle mobile 14 comprend une pluralité de lames mobiles 17 intercalées avec une pluralité d'ouvertures mobiles 18. Les lames et les ouvertures 15, 16, 17 et 18 apparaissent en coupe transversale sur la figure et sont disposées perpendiculairement à la direction de déplacement de l'échelle mobile 14 par rapport à l'échelle fixe 13. La 5 largeur de la lame mobile 17 est égale ou supérieure à la largeur de l'ouverture fixe correspondante 16. La figure représente le volet 11 dans une position d'ouverture intermédiaire, dans laquelle les lames mobiles 17 obstruent partiellement les ouvertures fixes 16 correspondantes. Les portions des ouvertures fixes 16, non couvertes par les lames mobiles 17, constituent une surface 19 de contact entre de l'air extérieur 20 et de l'air intérieur 21 situé entre la paroi interne 8a de l'enceinte principale 8 et la surface extérieure la des empilements 1 de la pile à combustible. Le dispositif de pile à combustible comprend également un dispositif de commande 22 capable de déplacer un levier 23, lui-même capable de déplacer l'échelle mobile 14 parallèlement à l'échelle fixe 13. Lorsque le dispositif de commande 22 déplace l'échelle mobile 14 vers la droite de la figure, les lames mobiles 17 viennent obstruer complètement les ouvertures fixes 16, de sorte que la surface de contact 19 est annulée et que l'air intérieur 21 est séparé de l'air extérieur 20. Dans cette configuration de volet fermé, l'air intérieur 21 constitue une couche isolante thermiquement. Lorsque l'enceinte principale 8 comprend un matériau isolant thermiquement, l'isolation thermique est due au cumul de la couche d'air intérieure et de l'isolation thermique de l'enceinte principale 8. Le levier 23 peut également déplacer l'échelle mobile 14 vers la gauche de la figure jusqu'à ce que l'ouverture mobile 18 coïncide avec les ouvertures fixes 16 et qu'ainsi la surface de contact 19 soit maximum. Dans cette configuration de volet ouvert, l'air extérieur pénètre à l'intérieur de l'enceinte principale 8 par la surface de contact 19 et provoque un échange thermique entre l'air extérieur 20 et l'air intérieur 21. La couche d'air intérieure 21 ne sert plus d'isolant supplémentaire. Cela facilite l'action du dispositif de refroidissement 4. Le levier 23 peut prendre toutes les positions intermédiaires entre la position de volet ouvert, avec une surface de contact 19 maximum, et la position de volet fermé. La surface de contact 19 se partage entre une portion 19a, en regard de l'ouverture 12 du plancher 10 du véhicule, et une portion 19b. Lorsque le véhicule est en mouvement, l'air extérieur 20 exerce une pression sur la portion 19a supérieure à la pression exercée sur la portion 19b, de sorte que l'air extérieur 20 pénètre par la portion 19a et l'air intérieur 21 sort par la portion 19b. Cette dérivation de l'air extérieur 20 vers l'enceinte principale 8 contribue à freiner le véhicule. Lorsque la vitesse est supérieure à une vitesse plafond, le volet 11 est complètement fermé, de manière à ne pas freiner le véhicule. L'essentiel du refroidissement des empilements 1 de la pile à combustible est réalisé par le dispositif de refroidissement 4. Lorsque la vitesse du véhicule devient inférieure à la vitesse plafond, c'est-à-dire lorsque le véhicule passe d'une vitesse élevée à une vitesse moyenne, le freinage du véhicule dû à la dérivation d'air extérieur 20 vers l'enceinte principale 8 diminue, alors que le besoin de refroidissement des empilements reste important. Le dispositif de commande 22 ouvre le volet 11 afin de réduire l'isolation thermique de l'enceinte 8. Lorsque la vitesse du véhicule descend en dessous d'une vitesse de ralenti, il est nécessaire d'augmenter l'isolation thermique autour des empilements 1. Le dispositif de commande 22 ferme le volet 11. Il en est de même lorsque le véhicule est à l'arrêt. Ainsi, lors du redémarrage du moteur ou du véhicule, les empilements de la pile à combustible ont conservés une certaine température grâce à la couche d'air 21, isolante thermiquement Le dispositif de pile à combustible comprend également un capteur à hydrogène 24. Lorsque les traces d'hydrogène dans l'air intérieur 21 dépassent un seuil, le dispositif de commande 22 ouvre le volet 11 de manière à éviter tout risque de déflagration. Cette situation peut arriver lorsque, à vitesse élevée du véhicule de l'hydrogène risque de fuir de l'empilement 1 alors que le volet I1 est fermé. Dans une variante, le réservoir d'eau 5 du dispositif de refroidissement 4 est protégé thermiquement par une enceinte 25 pouvant également, ou pas, être munie d'un volet commandé de la même manière que le volet 11 de l'enceinte principale 8. Dans une autre variante, la vitesse plafond du véhicule dépend du régime moteur. Lorsque le véhicule est par exemple en montée et que la quantité d'électricité fournie par la pile à combustible est importante, la vitesse plafond en dessous de laquelle on ouvre le volet 11 est plus faible que lorsque le véhicule est en descente. C'est-à-dire que l'on permet la circulation d'air extérieur 20 entre l'enceinte 8 et les empilements 1 de la pile à combustible dès que le régime moteur dépasse un seuil. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de pile à combustible embarquée sur véhicule motorisé, muni d'une enceinte (8) entourant au moins des empilements (1) de cellules (2) de la pile à combustible caractérisé par le fait que l'enceinte (8) est séparée, au moins en partie, des empilements (1) de cellules (2) de la pile à combustible par une couche d'air intérieure (21) et comprend au moins une ouverture (11a) munie d'au moins un volet (11) actionnable. 2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le volet (11) présente une position fermée où la couche d'air intérieure (21) est séparée de l'air extérieur (20), l'enceinte (8) comprenant un matériau isolant thermiquement. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le volet (11) présente une pluralité de positions ouvertes présentant une pluralité croissante de surfaces de contact (19) entre la couche d'air intérieure (21) et l'air extérieur (20). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant des moyens de commande (22) du volet (11). 5 - Dispositif selon les revendications 3 et 4 prises dans leur ensemble, dans lequel les moyens de commande (22) font passer le volet (11), de manière continue ou discontinue, d'une position ouverte à une autre position du volet (11). 6 - Dispositif selon la revendication 4 ou 5, comprenant un capteur (24) de présence d'hydrogène dans la couche d'air intérieure (21), les moyens de commande (22) étant aptes à actionner une ouverture du volet (11) dès que la quantité d'hydrogène dans la couche d'air intérieure (21) dépasse un seuil. 9 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une enceinte (25) entourant au moins un réservoir (5) d'eau de refroidissement de la pile à combustible. 8 - Procédé d'isolation d'un dispositif de pile à combustible embarquée sur véhicule motorisé, du type comprenant des empilements (1) de cellules (2) logés à l'intérieur d'une enceinte (8), caractérisé par le fait qu'on commande la circulation ou la non-circulation d'air (20) extérieur entre l'enceinte (8) et des empilements (1) de la pile à combustible. 9 - Procédé selon la revendication 8, dans lequel on permet la circulation d'air extérieur (20) entre l'enceinte (8) et des empilements (1) de la pile à combustible dés que le véhicule présente une vitesse comprise dans une plage, entre une vitesse de ralenti et une vitesse plafond, et on empêche la circulation d'air extérieur (20) entre l'enceinte (8) et des empilements (1) de la pile à combustible, lorsque la vitesse du véhicule est en-dehors de ladite plage. 10- Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel on permet la circulation d'air extérieur (20) entre l'enceinte (8) et des empilements (1) de la pile à combustible dés que le régime moteur dépasse un seuil.