Brevet FR2910181A1 — publié le 20080620

Système de pile à combustible à préchauffage électrique La présente invention a pour objet la gestion énergétique d'un système de pile à combustible et un procédé de commande d'un tel système, notamment pour un véhicule automobile, dans lequel un préchauffage rapide des différents composants du système permet d'accélérer la mise en route du véhicule. Une pile à combustible produit de l'énergie électrique en utilisant la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau à partir de dihydrogène et du dioxygène contenu dans l'air. Dans un véhicule automobile, la pile à combustible fournit l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement des différents organes électriques, notamment du moteur électrique. Le dihydrogène peut soit être stocké dans un réservoir sous pression, soit être produit à partir d'un carburant. Dans ce dernier cas, le carburant est décomposé catalytiquement afin d'en extraire l'hydrogène. Le dihydrogène ainsi produit est purifié en diminuant la concentration de monoxyde de carbone avant d'être injecté dans la pile à combustible. Les différentes réactions chimiques utilisées, tant pour la synthèse du dihydrogène que pour sa purification ou son utilisation dans la pile à combustible, sont dépendantes de la température de réaction. Par exemple, et de façon non limitative, la température de fonctionnement optimal d'une pile à combustible est généralement admise comme étant comprise entre 80 C et 90 C, et pour le système de production de dihydrogène à partir du carburant, la température des différents réacteurs catalytiques est comprise entre 150 C et 700 C suivant le carburant utilisé et le niveau de pureté souhaité. Tant que le système de production de dihydrogène n'a pas atteint sa température de fonctionnement, il ne peut pas alimenter la pile à combustible. Par ailleurs, tant que la pile n'a pas atteint sa température optimale de fonctionnement, l'efficacité de production d'électricité est faible. Pendant la montée en température des différents éléments du système, il est donc nécessaire soit de faire 2910181 2 appel à un moyen de stockage de l'énergie, comme une batterie, soit de limiter les performances du véhicule, voire d'en interdire le démarrage. Le document US2003072984 divulgue un système et un procédé 5 pour un préchauffage rapide d'une pile à combustible pour véhicule automobile. Ce document divulgue l'utilisation de la chaleur produite lors de la compression de l'air extérieur par un compresseur d'air à bord du véhicule pour chauffer rapidement la pile à combustible. Le document FR 2815302 décrit un système et un procédé de 10 commande d'une pile à combustible montée dans un véhicule à propulsion électrique. Ce document détaille notamment un conditionnement anticipé du système de pile à combustible en chauffant le reformeur avec une résistance électrique alimentée par la batterie. La capacité de la batterie doit être dimensionnée pour pouvoir 15 répondre à cette demande. Son encombrement est donc augmenté, ce qui représente un inconvénient dans l'optique de réduction de carburant et de masse d'un véhicule à pile à combustible. Le coût énergétique d'un tel système est également augmenté puisque la restitution de l'énergie à la batterie fait intervenir tous les organes de 20 conversion énergétique, à savoir la transformation du carburant en reformat et l'utilisation du reformat pour la génération d'électricité. Ces conversions successives impliquent une consommation de carburant accrue à cause des rendements de conversion, difficilement compatible avec les objectifs de consommation de carburant d'un 25 véhicule à pile à combustible. L'invention a pour objet de modifier l'alimentation de la résistance électrique de préchauffage de la pile à combustible et du dispositif de production du reformat pour diminuer la dépendance vis-à-vis de la batterie et pour diminuer la consommation de carburant 30 nécessaire à la restauration de l'état de charge maximal de la batterie. Dans un mode de réalisation, un système de pile à combustible pour véhicule automobile comprend un dispositif de production de reformat, une pile à combustible et un moyen de préchauffage capable d'élever la température de la pile à combustible et du dispositif de 2910181 3 production de reformat préalablement au démarrage du véhicule. Le système de pile à combustible comprend un moyen de connexion avec une alimentation électrique extérieure permettant d'alimenter les moyens de préchauffage du véhicule en préservant les réserves 5 d'énergie embarquées dans le véhicule. Le moyen de connexion avec une alimentation électrique extérieure peut comprendre un chargeur de batterie connectable à une alimentation électrique extérieure capable d'alimenter le moyen de préchauffage. 10 Le moyen de préchauffage peut comprendre au moins une résistance électrique montée dans le dispositif de production de reformat et dans le circuit de refroidissement de la pile à combustible. Le moyen de préchauffage peut comprendre également un brûleur de démarrage formant un moyen de préchauffage de secours. 15 Un tel système peut comprendre un premier relais connecté entre le chargeur de batterie et une batterie de traction et un deuxième relais connecté entre le chargeur de batterie et la résistance électrique, lesdits relais permettant de répartir le courant provenant du chargeur de batterie entre le moyen de préchauffage et la batterie de traction. 20 Le système peut comprendre une unité de commande électronique capable de déclencher le moyen de préchauffage après réception d'un signal distant et/ou à un horaire mémorisé. Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de gestion d'un système de pile à combustible comprend un dispositif de 25 production de reformat, une pile à combustible et un moyen de préchauffage du dispositif de production de reformat. On alimente en énergie électrique le moyen de préchauffage de la pile à combustible et du dispositif de production de reformat par une alimentation extérieure pour préserver les réserves d'énergie embarquées. 30 Le préchauffage est réalisé avec le moyen de préchauffage de la pile à combustible et du dispositif de production de reformat si un chargeur de batterie est relié à une alimentation électrique extérieure, sinon le préchauffage est réalisé avec un brûleur de démarrage. 2910181 4 On peut préchauffer la pile à combustible et le dispositif de production de reformat si leur température est inférieure à une valeur mémorisée et si le véhicule a démarré au moins une fois depuis le dernier préchauffage. 5 On peut déclencher le préchauffage par un signal extérieur et/ou par une programmation horaire. 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 aux dessins 10 annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre le système de pile à combustible et ses différents éléments, notamment le système de préchauffage électrique ; et - la figure 2 montre le réseau électrique et de commande du 15 système de pile à combustible ; et - la figure 3 est un schéma synoptique du processus de préchauffage du système de pile à combustible. Sur la figure 1, la pile à combustible 1 est alimentée en oxygène à partir de l'air provenant d'un compresseur 2 par une 20 conduite la et alimentée en hydrogène provenant d'un dispositif 3 de production du reformat par une conduite 3a. Le dispositif 3 de production du reformat comprend un reformeur 4 connecté par une conduite 4a à un réacteur 5 de purification de l'hydrogène. Le réformeur 4 reçoit de l'air comprimé 25 par la conduite 2a provenant du compresseur 2 et du carburant provenant du réservoir 7 par la conduite 7a. Le réacteur 5 est relié par la conduite 5a à un réacteur 6 d'élimination du monoxyde de carbone. Le réacteur 5 de purification de l'hydrogène reçoit de l'eau provenant du condenseur 8 par la conduite 8a. Le réacteur 6 reçoit de l'air 30 comprimé provenant du compresseur 2 par la conduite 2b. La sortie du réacteur 6 forme également la sortie du dispositif 3 de production du réformat et est connecté à la conduite 3a. Le chauffage de la pile à combustible 1, du réformeur 4 et des réacteurs 5 et 6 est assuré respectivement par les résistances 10d, 10a, 2910181 5 10b, et 10c. I1 est à noter que la résistance 10d est située dans le circuit 1d de refroidissement de la pile 1 à combustible. Un brûleur 11 alimenté en air par la conduite 1 la reliée au compresseur 2 et en carburant par la conduite llb reliée au réservoir 7, permet également 5 de préchauffer le dispositif 3 et la pile 1 à combustible dans certaines conditions. Le dihydrogène surstoechiométrique est évacué de la pile à combustible par l'intermédiaire de la conduite le vers le brûleur 9. De même, l'air humide est évacué par la connexion lb vers le condenseur 10 8. Le condenseur 8 sépare l'eau de l'air, l'air étant envoyé vers le brûleur 9 par la conduite 8b et l'eau est envoyée au réacteur 5 par la conduite 8a. La pile à combustible 1 utilise la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau pour générer un courant électrique et de l'eau à 15 partir de dioxygène et de dihydrogène. Le dioxygène nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible 1 provient de l'air prélevé à l'extérieur du système et est fourni sous pression par le compresseur 2. Le dihydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible est produit par le dispositif 3 de production du reformat, comprenant 20 un reformeur 4, un réacteur 5 de purification de l'hydrogène, et un réacteur 6 d'élimination du monoxyde de carbone. Pour fonctionner, le dispositif de production du reformat 3 nécessite du carburant, de l'air comprimé et de l'eau. Le reformeur 4 utilise une réaction de décomposition 25 catalytique du carburant pour transformer un hydrocarbure ou un composé hydrogéné en gaz riche en dihydrogène, appelé reformat. Un sous-produit de la réaction est généralement, et de façon non limitative, du monoxyde de carbone. Le carburant provient du réservoir 7, l'air comprimé provient du compresseur 2. Le reformeur 4 30 produit alors un mélange de gaz, comprenant du dihydrogène et du monoxyde de carbone, qui est envoyé dans le réacteur 5 de purification de l'hydrogène. La présence de monoxyde de carbone réduisant l'efficacité de la pile à combustible, une purification du reformat est réalisée. Le 2910181 6 réacteur 5 de purification de l'hydrogène utilise de l'eau issue d'un circuit fermé non représenté pour diminuer la concentration en monoxyde de carbone dans le reformat par dissolution. Le condenseur 8 peut également fournir de l'eau pour le réacteur 5 de purification de 5 l'hydrogène et les autres systèmes nécessitant de l'eau. Le reformat ainsi purifié est envoyé dans le réacteur 6 d'élimination du monoxyde de carbone. Le réacteur 6 d'élimination du monoxyde de carbone utilise de l'air comprimé provenant du compresseur 2 pour réduire la concentration en monoxyde de carbone à un niveau acceptable par la 10 pile à combustible 1. L'élimination qui a lieu dans le réacteur 6 d'élimination du monoxyde de carbone est réalisée par réaction chimique, par exemple par oxydation sélective du monoxyde de carbone. Cette élimination permet de produire un reformat présentant une concentration en monoxyde de carbone compatible avec les 15 spécifications de la pile à combustible 1 Le reformat ainsi produit est utilisé par la pile à combustible 1. L'air humide produit par la pile à combustible 1 est envoyé dans le condenseur 8. Le dihydrogène surstoechiométrique non consommé est envoyé vers le brûleur 9. 20 Le condenseur 8 sépare alors l'eau de l'air, la première étant envoyée au réacteur 5 de purification de l'hydrogène et le second est envoyé au brûleur 9. Le brûleur 9 peut alors brûler l'hydrogène et l'air. Le système de préchauffage comprend des résistances 25 électriques montées dans les différents éléments formant le dispositif 3 de production du réformat et dans le circuit de refroidissement de la pile à combustible. Les résistances électriques sont connectées en parallèle à un système d'alimentation et de commande, non représenté sur la figure. 30 Le système de préchauffage comprend également un brûleur de démarrage 11 utilisant de l'air provenant du compresseur 2 et du carburant provenant du réservoir 7. Le brûleur de démarrage utilise la chaleur dégagée par la combustion du carburant pour chauffer la pile 1 2910181 7 à combustible et le dispositif 3 de production du réformat, dans les cas où les résistances électriques ne peuvent être utilisées. Sur la figure 2, sur laquelle les organes similaires portent les mêmes références, le système 12 de pile à combustible est connecté au 5 réservoir 7 de carburant par la conduite 7a. La sortie du système 12 de pile à combustible est reliée au réseau électrique 13 alimentant le moteur 14 via un onduleur 15. Le réseau électrique 13 est également connecté à un convertisseur auxiliaire 16 continu/continu par une connexion 16a et à 10 un convertisseur de traction 17 continu/continu par une connexion 17a. Le convertisseur auxiliaire 16 continu/continu est relié à une batterie 16c par la connexion 16b. Une dérivation 16d est branchée sur la connexion 16b pour alimenter les systèmes auxiliaires du véhicule, non représentés sur le schéma. Le convertisseur de traction 17 est 15 connecté à la batterie 18 de traction grâce à la connexion 18a. Une dérivation 19 entre le convertisseur de traction 17 continu/continu de traction et la batterie 18 de traction est connectée via un relais 20 à un chargeur 22 de batterie. Le chargeur 22 de batterie est connecté par une connexion 22a à une prise 23 d'une alimentation électrique 20 extérieure. Une dérivation 12a connectée au système de pile à combustible vient se raccorder sur le chargeur 22 de batterie. La dérivation 12a porte un relais 21. L'unité de commande électronique 24 est reliée par la liaison 25 au système 12 de pile à combustible, par la liaison 26 au 25 convertisseur auxiliaire 16 continu/continu, par la liaison 27 au convertisseur continu/continu de traction, par la liaison 28a au relais 20, par la liaison 28b au relais 21, par la liaison 29 au chargeur de batterie 22 et par la liaison 30 à l'onduleur 15. De plus, un bouton 31 de commande du mode zéro émission polluante est connecté à l'unité 30 24 de commande électronique par la liaison 31a. De même l'interface 32 de programmation est connectée à l'unité de commande électronique par la liaison 32a et l'émetteur à distance 33 communique par l'intermédiaire d'un signal 34 avec un récepteur 35 relié à l'unité de commande électronique par la connexion 35a. 2910181 8 L'unité 24 de commande électronique reçoit un signal déclencheur provenant du récepteur 35 ou provenant de l'interface 32 de programmation. L'unité 24 de commande électronique vérifie alors si le chargeur 22 est relié au réseau de distribution électrique. L'unité 5 24 vérifie également si la puissance disponible à la sortie du chargeur 22 est suffisante pour alimenter la batterie de traction et le dispositif de préchauffage. Si c'est le cas, elle lance le préchauffage de la pile à combustible 12 sans autre contrôle. Sinon, elle déconnecte la batterie 18 de traction en agissant sur les relais 20 et 21. Lorsque le 10 préchauffage est réalisé, l'unité 24 démarre la production d'énergie de la pile à combustible et alimente l'onduleur 15 du groupe motopropulseur électrique. La figure 3 montre l'enchaînement des étapes commandant le préchauffage du système 12 de pile à combustible. Au cours de l'étape 15 36, l'unité 24 de commande électronique attend la réception d'un signal déclencheur. Une fois reçu, on passe à l'étape 37 pendant laquelle l'unité 24 de commande électronique vérifie la température des organes de la pile 1 à combustible et du dispositif 3 de production du reformat grâce à des capteurs de température, non représentés sur la 20 figure, et pouvant être intégrés avec les résistances 10a, lOb 10c et 10d, par exemple sous la forme de thermocouples. Si la température est dans une gamme de valeurs acceptables, par exemple comprise entre 80 C et 90 C pour une pile à combustible, et entre 150 C et 700 C suivant le réacteur concerné, le carburant utilisé et le niveau de 25 pureté souhaité pour le système de production de dihydrogène à partir du carburant, on repasse à l'étape 36 en attente d'un signal, sinon on poursuit à l'étape 38 avec la vérification d'un démarrage depuis le dernier préchauffage. S'il n'y a pas eu de démarrage, on repasse à l'étape 36 en attente d'un signal sinon on va à l'étape 39. 30 Au cours de l'étape 39, on vérifie la connexion du chargeur 22 de batterie à une alimentation électrique extérieure. Par alimentation électrique extérieure, on entend tous les moyens de génération ou de distribution électrique. Cela peut être par exemple et de façon non limitative, un groupe auxiliaire de puissance, un groupe électrogène, 2910181 9 un réseau électrique se trouvant dans un bâtiment. Une telle alimentation électrique extérieure peut être, par exemple et de façon non limitative, une prise 220V, une prise 380V, une prise monophasée ou un prise triphasée. Si le chargeur 22 de batterie n'est pas connecté, 5 on préconditionne le système 12 de pile à combustible en déclenchant l'allumage du brûleur 11 de démarrage. Si le chargeur 22 de batterie est connecté, on passe à l'étape 41 où l'on vérifie si le relais 20 est fermé. S'il n'est pas fermé, on passe à l'étape 42 au cours de laquelle on ferme le relais 21 pour 10 préconditionner le système en alimentant les résistances électriques 10a, 10b, 10c, et 10d. Si le relais 20 est fermé, on passe à l'étape 43 au cours de laquelle on vérifie que le chargeur 22 de batterie peut délivrer une puissance suffisante pour recharger la batterie 18 de traction et alimenter les résistances électriques 10a, 10b, 10c, et 10d. 15 Si la puissance est suffisante, on passe à l'étape 42 et on déclenche le préchauffage. Sinon on passe à l'étape 44 au cours de laquelle on ouvre le relais 20 puis on ferme le relais 21 au cours de l'étape 42 pour déclencher le préchauffage. Une variante propose au conducteur la possibilité de 20 préconditionner l'habitacle du véhicule, soit en le climatisant, soit en le chauffant, en utilisant la puissance fournie par le chargeur de batterie. Le préchauffage du système de pile à combustible est néanmoins prioritaire sur le préconditionnement de l'habitacle. Le préconditionnement de l'habitacle pourrait utiliser le même procédé de 25 déclenchement que le préchauffage du système de pile à combustible. La présente invention propose une solution très efficace dans la mesure où on préchauffe la pile à combustible et le dispositif de production du reformat sans utiliser les ressources énergétiques, batteries et carburant, se trouvant à bord du véhicule, grâce à 30 l'utilisation du chargeur de batterie et de l'alimentation électrique extérieure. De plus, aucun organe supplémentaire de conversion alternatif/continu n'est nécessaire puisque le système utilise le chargeur de batterie déjà présent. REVENDICATIONS 1. Système de pile à combustible pour véhicule automobile, comprenant un dispositif (3) de production de reformat, une pile (1) à combustible et un moyen de préchauffage capable d'élever la température de la pile (1) à combustible et du dispositif (3) de production de reformat préalablement au démarrage du véhicule caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de connexion avec une alimentation électrique extérieure permettant d'alimenter les moyens de préchauffage du véhicule en préservant les réserves d'énergie embarquées dans le véhicule. 2. Système selon revendication 1 dans lequel le moyen de connexion avec une alimentation extérieure comprend un chargeur (22) de batterie connectable à une alimentation électrique extérieure capable d'alimenter le moyen de préchauffage. 3. Système selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le moyen de préchauffage comprend au moins une résistance électrique (l0a) montée dans le dispositif (3) de production de reformat et dans le circuit de refroidissement de la pile (1) à combustible. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le moyen de préchauffage comprend un brûleur (11) de démarrage formant un moyen de préchauffage de secours. 5. Système selon les revendications 2 à 4 comprenant un premier relais (20) connecté entre le chargeur (22) de batterie et une batterie (18) de traction et un deuxième relais (21) connecté entre le chargeur (22) de batterie et la résistance électrique (l0a), lesdits relais permettant de répartir le courant provenant du chargeur (22) de batterie entre le moyen de préchauffage et la batterie (18) de traction. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une unité (24) de commande électronique capable de déclencher le moyen de préchauffage après réception d'un signal distant et/ou à un horaire mémorisé. 2910181 11 7. Procédé de gestion d'un système (12) de pile à combustible comprenant un dispositif (3) de production de reformat, une pile (1) à combustible et un moyen de préchauffage du dispositif de production de reformat caractérisé par le fait que l'on alimente en énergie 5 électrique le moyen de préchauffage de la pile (1) à combustible et du dispositif (3) de production de reformat par une alimentation extérieure pour préserver les réserves d'énergie embarquées. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le préchauffage est réalisé avec le moyen de préchauffage de la pile (1) à combustible 10 et du dispositif (3) de production de reformat si un chargeur (22) de batteries est relié au réseau domestique, sinon le préchauffage est réalisé avec un brûleur (11) de démarrage. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on préchauffe la pile (1) à combustible et le dispositif (3) de 15 production de reformat si leur température est inférieure à une valeur mémorisée et si le véhicule a démarré au moins une fois depuis le dernier préchauffage. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on déclenche le préchauffage par un signal extérieur et/ou par 20 une programmation horaire.