Brevet FR2927470A1 — publié le 20090814

B07-1445FR - ODE/EVH Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Dispositif et procédé de refroidissement d'une pile à combustible de véhicule automobile Invention de : BEN-CHÉRIF Karim BENAICHA Fedh Dispositif et procédé de refroidissement d'une pile à combustible de véhicule automobile L'invention concerne les systèmes de pile à combustible pour véhicule automobile et, plus particulièrement, les dispositifs de refroidissement pour de telles piles à combustible. Une application particulièrement intéressante de l'invention concerne le refroidissement des systèmes de pile à combustible comprenant un dispositif de reformage intégré servant à produire de l'hydrogène pour la pile. Les piles à combustibles sont en effet destinées à produire de l'énergie électrique à partir d'une réaction d'oxydation de l'hydrogène à l'anode et d'une réaction de réduction de l'oxygène à la cathode. La réaction globale s'écrit : 2 Oz + H2 H2O + Electricité + Chaleur. Ainsi, dans un système de pile à combustible, de l'énergie chimique est transformée en énergie électrique. Les réactions mises en oeuvre au sein de la pile produisent en outre de la chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer afin d'assurer le bon fonctionnement de la pile, d'augmenter sa durée de vie et d'améliorer le rendement global du système. Dans un système de pile à combustible pourvu d'un reformeur embarqué, la quantité de chaleur dégagée par les réactions chimiques est importante. Elle est de l'ordre de 60 kw pour une pile ayant une puissance de l'ordre de 75 kw. Le niveau de température de fonctionnement nominal du système de pile à combustible est relativement bas, ce qui rend la régulation thermique du système relativement difficile à réaliser. Par ailleurs, l'eau constitue l'un des réactifs principaux des réactions mises en oeuvre dans le reformeur. Pour fournir la quantité d'eau nécessaire, des condenseurs et des séparateurs sont répartis le long du trajet des gaz dans le module de puissance du véhicule. Pour des raisons d'économie d'eau, les gaz d'échappement doivent être refroidis, ce qui augmente encore la quantité de chaleur à évacuer. Les dispositifs conventionnels de refroidissement pour pile à combustible de véhicule automobile comprennent classiquement deux circuits de refroidissement, à savoir un circuit de refroidissement principal servant à refroidir la pile et un circuit de refroidissement secondaire en relation d'échange thermique avec le circuit de refroidissement principal par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. Dans ce type de dispositif de refroidissement, le circuit de refroidissement principal et le circuit de refroidissement secondaire sont parfaitement couplés thermiquement, de sorte qu'il n'est pas possible de réguler la température dans l'un des circuits de refroidissement sans perturber la température dans l'autre circuit. Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de refroidissement pour pile à combustible permettant de faciliter l'asservissement de la température de la pile à combustible à une température de consigne donnée et, en particulier, de faciliter l'asservissement de la température des gaz à l'entrée de la pile à combustible à la même température que la pile. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un dispositif de refroidissement pour pile à combustible de véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement principal destiné à réguler la température de la pile autour d'une première valeur de consigne, un circuit de refroidissement secondaire apte à réguler la température de gaz fournis en entrée de la pile à combustible autour d'une deuxième valeur de consigne et un échangeur de chaleur disposé entre le circuit de refroidissement principal et le circuit de refroidissement secondaire. Ce dispositif de refroidissement comporte en outre des moyens réglables pour court-circuiter l'échangeur de chaleur. On peut ainsi découpler la régulation des deux boucles de refroidissement et faciliter la régulation de la température de la pile par le circuit du refroidissement principal sans être perturbé par le circuit de refroidissement secondaire. On facilite en outre la régulation de la température des gaz en entrée de la pile à combustible sur celle de la pile à combustible. Selon une autre caractéristique de l'invention, la deuxième valeur de consigne est ainsi par exemple constituée par la température de la pile à combustible. Le dispositif comporte en outre une unité centrale pour piloter les moyens pour court-circuiter l'échangeur de chaleur, l'unité centrale comprenant des premiers moyens de contrôle du circuit de refroidissement primaire et des deuxièmes moyens de contrôle du circuit de refroidissement secondaire. Par exemple, les moyens de contrôle du circuit de refroidissement primaire comprennent des moyens pour élaborer une troisième valeur de seuil pour les gaz fournis en entrée de pile à combustible et des moyens pour réguler la température des gaz d'entrée de la pile sur ladite troisième valeur de seuil, la troisième valeur de seuil étant élaborée de manière que la température de la pile à combustible soit régulée autour de la première valeur de consigne. Par exemple, les moyens pour réguler la température des gaz d'entrée comprennent des moyens pour actionner lesdits moyens pour court-circuiter l'échangeur de chaleur. Dans un mode de réalisation, le circuit de refroidissement secondaire comprend un premier ensemble d'échangeurs de chaleur pour réguler la température des gaz en entrée de la pile à combustible sous le contrôle des deuxièmes moyens de contrôle et un deuxième ensemble d'échangeurs de chaleur pour réguler la température des gaz de sortie de la pile à combustible sous le contrôle desdits deuxièmes moyens de contrôle. Le circuit de refroidissement secondaire peut en outre comporter des premier et deuxième radiateurs associés respectivement aux premier et deuxième ensembles d'échangeurs. Dans ce cas, le dispositif de refroidissement comporte avantageusement, en outre, des moyens réglables pour court-circuiter les premier et deuxième radiateurs. Par exemple, les deuxièmes moyens de contrôle du circuit de refroidissement secondaire comprennent des moyens pour asservir la température en sortie du premier ensemble d'échangeurs sur une valeur de température correspondant sensiblement à la première valeur de consigne. Les deuxièmes moyens de contrôle peuvent en outre comprendre des moyens pour piloter lesdits moyens pour court-circuiter le deuxième radiateur selon le bilan d'eau consommée par la pile à combustible et récupérée par le dispositif de refroidissement. L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé de refroidissement d'une pile à combustible de véhicule automobile comprenant un circuit de refroidissement principal apte à réguler la température de la pile autour d'une première valeur de consigne, un circuit de refroidissement secondaire apte à réguler la température de gaz fournis en entrée de la pile à combustible autour d'une deuxième valeur de consigne et un échangeur de chaleur disposé entre le circuit de refroidissement principal et le circuit de refroidissement secondaire, caractérisé en ce qu'au cours de la régulation de la température des gaz en entrée de la pile à combustible, on court-circuite l'échangeur de chaleur de manière à asservir la température de la pile à combustible sur ladite première valeur de consigne. Selon une autre caractéristique de ce procédé, on pilote des moyens pour court-circuiter un radiateur associé à un ensemble d'échangeurs prévu dans le circuit de refroidissement secondaire pour réguler la température en entrée de la pile à combustible de manière à réguler la température en entrée de la pile à combustible autour d'une valeur de température correspondant sensiblement à la température de la pile. Dans un mode de mise en oeuvre, on pilote des moyens pour court-circuiter un radiateur associé à un deuxième ensemble d'échangeurs prévu dans le circuit de refroidissement secondaire pour refroidir les gaz en sortie de la pile à combustible selon un bilan d'eau consommée par la pile à combustible et récupérée par le circuit de refroidissement secondaire. 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 annexés, sur lesquels : -la figure 1 illustre l'architecture générale d'un système de pile à combustible et de ses circuits de refroidissement ; - la figure 2 est un schéma synoptique illustrant l'architecture des moyens de régulation servant à réguler la température de la pile ; - la figure 3 est un schéma des premiers moyens de contrôle du circuit de refroidissement primaire ; -la figure 4 est un schéma des deuxièmes moyens de contrôle du circuit de refroidissement secondaire ; - la figure 5 illustre un mode de commande de vannes servant à court-circuiter les premier et deuxième radiateurs ; et -la figure 6 est un schéma illustrant la mise en oeuvre des premier et deuxième ensembles d'échangeurs selon le bilan d'eau consommée par la pile et récupérée par le circuit de refroidissement secondaire. Comme indiqué précédemment, dans un véhicule automobile à traction électrique ou hybride alimenté par un système de pile à combustible pourvu d'un dispositif de reformage embarqué, la quantité de chaleur dégagée par les réactions chimiques mises en oeuvre est relativement importante. En outre, pour des raisons d'économie d'eau, il est nécessaire de récupérer par condensation l'eau produite par la pile et, de manière générale, de contrôler le bilan d'eau consommée par la pile à combustible, et en particulier par le dispositif de reformage, et récupérée lors du refroidissement. On a représenté sur la figure 1, l'architecture générale d'un dispositif de refroidissement conforme à l'invention capable, d'une part, de refroidir efficacement la pile à combustible et, en particulier, la partie solide de la pile sur une température de consigne prédéterminée et, d'autre part, de récupérer l'eau en sortie de la pile par refroidissement des gaz de sortie. Le dispositif visible sur la figure 1 comporte à cet égard un circuit principal 1 assurant la régulation de la température de la pile à combustible et un circuit secondaire 2 assurant une régulation de la température des gaz en entrée de la pile à combustible et une récupération de l'eau en phase gazeuse présente dans les gaz de sortie de la pile. Le dispositif est en outre pourvu d'un échangeur de chaleur EC assurant un couplage thermique entre le circuit principal 1 et le circuit secondaire 2. En ce qui concerne le circuit principal, celui-ci comporte essentiellement une boucle dans laquelle circule un fluide caloporteur, sur laquelle est placé l'échangeur EC. Le circuit secondaire 2, quant à lui, comporte une boucle fermée couplée thermiquement à la boucle constitutive du circuit principal 1 par l'intermédiaire de l'échangeur EC. Cette boucle contient également un liquide caloporteur. En considérant la circulation du fluide caloporteur dans la boucle, celle-ci comporte un radiateur à haute température RHT placé en aval de l'échangeur et servant à évacuer les calories prélevées par l'échangeur sur le liquide caloporteur circulant dans la boucle du circuit principal 1, un premier ensemble d'échangeurs de chaleur 3, 4 disposés en parallèle et assurant la régulation des gaz à l'entrée de la pile et dont la sortie est rebouclée vers l'échangeur de chaleur EC. La boucle 2 comporte par ailleurs une branche utilisée pour refroidir les gaz en sortie de la pile, qui comporte un radiateur basse température RBT et un deuxième ensemble d'échangeurs de chaleur 5, 6 assurant la régulation proprement dite des gaz de sortie pour condenser la vapeur d'eau. Comme on, le voit, les boucles des circuits 1 et 2 sont chacune pourvues d'une pompe, respectivement PBP et PBS. Enfin, l'échangeur EC et, en particulier, la portion de la boucle du circuit secondaire 2 traversant l'échangeur est pourvue de moyens réglables pour court-circuiter l'échangeur. Ces moyens sont constitués par une vague réglable 7 montée sur une conduite de dérivation 7'. Des vannes similaires sont également disposées en parallèle sur les radiateurs RHT et RBT pour les court-circuiter. Comme cela sera décrit en détail par la suite, la vanne de court-circuit 7 et la conduite 7' sur laquelle elle est montée sont utilisés afin de permettre le découplage du contrôle du circuit principal de celui du circuit secondaire afin de permettre de réguler la température de la pile sans être perturbé par le circuit secondaire de refroidissement. Par ailleurs, les vannes de court-circuit 8 et 9, ainsi que les conduites de dérivation 8' et 9' sur lesquelles elles sont montées sont utilisées pour asservir la température des gaz de sortie de la pile à combustible et pour améliorer le bilan d'eau. L'ensemble du dispositif de refroidissement, et en particulier les vannes 7, 8 et 9, sont contrôlées par un calculateur embarqué 10, dont la structure générale est illustrée à la figure 2. Le calculateur 10 reçoit, en entrée, des signaux de mesure des principaux éléments du dispositif de refroidissement 1, à savoir un signal Tl de mesure de la température de la pile à combustible ; un signal T2 de mesure de la température du premier ensemble d'échangeurs 3, 4 ; et un signal T3 de mesure de la température du deuxième ensemble d'échangeurs 5, 6, délivré par un ensemble d'estimateurs et de capteurs appropriés 11. Ces signaux de mesure sont délivrés à une unité centrale 12 qui reçoit, en entrée, une première valeur de consigne Tic par ailleurs élaborée ou extraite d'une cartographie, par exemple en fonction du point de fonctionnement du moteur pour élaborer des signaux al, a2 et a3 destinés aux actionneurs des vannes 7, 8 et 9, respectivement, pour commander la fraction de débit qui doit circuler à travers l'échangeur EC, la fraction de débit qui doit passer par le radiateur RHT, et la fraction de débit qui doit passer par le radiateur RBT, respectivement. En d'autres termes, le signal al est destiné à contrôler la quantité de fluide caloporteur qui doit circuler à travers l'échangeur 7, tandis que les signaux a2 et a3 sont destinés à contrôler la quantité de fluide caloporteur qui doit circuler à travers les radiateurs RHT et RBT, respectivement. Comme on le voit sur la figure 2, l'unité centrale 12 comporte deux étages, à savoir un premier étage 13, qui constitue un premier moyen de contrôle du circuit de refroidissement primaire 1, et un deuxième étage 14 qui constitue un deuxième moyen de contrôle du circuit secondaire 2. Ainsi, le contrôle du dispositif de refroidissement est un contrôle modulaire, ce qui permet de transférer le dispositif de régulation à un système de refroidissement présentant une architecture différente. En d'autres termes, si une modification est apportée sur l'un des circuits 1 ou 2, il suffit de modifier l'étage correspondant. On va maintenant décrire en référence à la figure 3, l'architecture du premier étage 13 de contrôle du circuit principal de refroidissement. Comme on le voit sur cette figure 3, le premier étage 13 de contrôle comprend deux contrôleurs 13a et 13b disposés en cascade. Le premier contrôleur 13-a est utilisé pour élaborer une température de consigne T2c à partir de la première valeur de consigne T 1. Le premier contrôleur 13-a comporte à cet égard un comparateur 15 qui assure une comparaison entre la première valeur de consigne T i c et la température T l mesurée de la pile à combustible et un correcteur 16 qui, délivre, en sortie, la valeur de consigne T2c à laquelle doit être asservi le liquide de refroidissement en entrée de la pile pour que la température de cette dernière atteigne et soit régulée autour de la première valeur de consigne Tic. Le deuxième contrôleur 13-b comporte un comparateur 17 qui assure une comparaison entre la valeur de consigne T2c et une valeur de température T4 en entrée de la pile à combustible. L'erreur est délivrée à un correcteur 18 qui incorpore une modélisation de l'échangeur EC et qui est adapté pour délivrer une valeur du débit QEc de liquide de refroidissement à l'entrée de l'échangeur EC, du côté du circuit secondaire. Ce débit QEc permet de réguler la température T4 en entrée de la pile à combustible autour de la valeur de consigne T2c calculée par le premier contrôleur 13-a. Comme on le conçoit, cette valeur de débit QEc est utilisée pour agir sur l'actionneur de la vanne de court-circuit 7. On va maintenant décrire en référence à la figure 4 la structure du deuxième étage 14. Comme indiqué précédemment, ce deuxième étage 14 est destiné à délivrer les signaux a2 et a3 de contrôle des vannes 8 et 9. On notera que la température des gaz à l'entrée de la pile à combustible correspond aux températures de sortie du premier ensemble d'échangeurs 3 et 4. On considère que la température de sortie de ce groupe d'échangeurs à haute température est la température moyenne entre les gaz à la sortie de l'échangeur 3 et les gaz à la sortie de l'échangeur 4. Pour contrôler la température des gaz en sortie de ce groupe d'échangeurs, on asservit la température des gaz de ce premier groupe d'échangeurs 3, 4 à une température voisine de la température de consigne de la pile à combustible, à savoir la première valeur de consigne Tic. I1 s'agit, en d'autres termes, de contrôler la température à l'entrée de la pile à combustible de sorte qu'elle atteigne une température intermédiaire entre la température de l'air et celle du reformat à l'entrée de la pile. Comme on le voir sur la figure 4, on utilise à cet effet une boucle de régulation qui comporte un comparateur 18 qui assure une comparaison entre la température T2 des gaz en sortie du premier ensemble d'échangeurs 3, 4 et la première valeur de consigne Tic L'erreur est délivrée à un correcteur 19, par exemple un correcteur de type proportionnel-intégral qui élabore, en sortie, les commandes a2 et a3 de l'actionneur des vannes 8 et 9. En se référant à la figure 5, la fraction massique du débit qui passe par le radiateur RBT, fixée par le signal de commande a2, est élaborée par le régulateur PI à partir de la température cible Tic et de la température T2 de sortie du premier ensemble d'échangeurs 3, 4 (étape 20). La fraction massique du débit qui passe par le radiateur RBT a3 est fixée, quant à elle, par défaut à une valeur par exemple égale à 1% de manière à exploiter au maximum la source froide constituée par l'air ambiant. Dans le cas où le court-circuit du radiateur RHT par la vanne 8 et la conduite 8' associée ne suffisent pas pour que la température des gaz à l'entrée de la pile à combustible soit à une température intermédiaire entre celle de l'air et celle du reformat à l'entrée de la pile, c'est-à-dire dans le cas où la variable de commande de la vanne 8 est supérieure à une valeur de seuil (étape 21) S1, la variable de commande a3 de la vanne 9 est augmentée de manière à augmenter la fraction massique du débit qui passe par le radiateur RBT, selon une fonction g de la première valeur de seuil Tic, et de la valeur T2 de température en sortie du premier ensemble d'échangeurs 3, 4 (étape 22). Dans le cas contraire, cette variable a3 est positionnée à � 1 � (étape 23). Dans ce mode de réalisation, les variables de commande a2 et a3 sont successivement réglées, la variable de commande a3 de la vanne 9 servant sélectivement à court-circuiter le radiateur RBT étant fixée par défaut puis modifiée selon la valeur de la variable a2 de commande de la vanne 8. I1 est également possible, en variante, de calculer au moyen d'un correcteur multivariables un vecteur dont les coordonnées correspondent aux variables de commandes des vannes 8 et 9 afin de réguler la température des gaz en sortie du premier ensemble d'échangeurs à partir d'une matrice de transfert et de ce vecteur. En se référant enfin à la figure 6 le dispositif de régulation qui vient d'être décrit est également utilisé pour contrôler le bilan d'eau consommée par la pile à combustible et récupérée par le dispositif de refroidissement, et en particulier lors du passage des gaz dans les échangeurs 5 et 6. Le bilan d'eau pendant une période T est donné par la relation suivante : T/ B=J EQ1ùQ2 Ji p \,échangeursE dans laquelle Q1 désigne le débit d'eau condensée et Q2 est le débit d'eau consommée par le reformeur. En se référant à la figure 6, lorsque le bilan d'eau devient inférieur à une valeur de seuil SW, on reconfigure la commande du circuit de refroidissement secondaire pour améliorer le bilan d'eau. Pour cela, on profite de la symétrie de l'architecture du circuit secondaire pour réguler les températures des deuxièmes ensembles d'échangeurs 5 et 6 en aval de la pie. Cela permet d'améliorer la récupération de l'eau produite par les réactions chimiques à l'intérieur de la pile. En d'autres termes, on agit sur le premier ensemble d'échangeurs 3, 4 lorsqu'il s'agit de régler la température en entrée de la pile à combustible (étape 24), et l'on agit sur le deuxième ensemble d'échangeurs 5, 6 lorsque l'on souhaite refroidir les gaz en sortie pour condenser l'eau présente en phase vapeur en sortie de la pile à combustible (étape 25). REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement pour pile à combustible de véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement principal (1) apte à réguler la température de la pile autour d'une première valeur de consigne (Tic), un circuit de refroidissement secondaire (2) apte à réguler la température de gaz fournis en entrée de la pile à combustible autour d'une deuxième valeur de consigne et un échangeur de chaleur (EC) disposé entre le circuit de refroidissement principal et le circuit de refroidissement secondaire, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens réglables (7, 7') pour court-circuiter l'échangeur de chaleur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième valeur de consigne est constituée par la température de la pile à combustible. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une unité centrale (12) pour piloter les moyens pour court-circuiter l'échangeur de chaleur, l'unité centrale comprenant des premiers moyens de contrôle (13) du circuit de refroidissement primaire et des deuxièmes moyens de contrôle (14) du circuit de refroidissement secondaire. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de contrôle du circuit de refroidissement primaire comprennent des moyens pour élaborer une troisième valeur de seuil (T2c) pour les gaz fournis en entrée de la pile à combustible et des moyens pour réguler la température des gaz d'entrée de la pile sur ladite troisième valeur de seuil, la troisième valeur de seuil étant élaborée de manière que la température de la pile à combustible soit régulée autour de la première valeur de consigne (Tic). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour réguler la température des gaz d'entrée comprennent des moyens pour actionner lesdits moyens pour court-circuiter l'échangeur de chaleur (7, 7'). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement secondaire comprend un premier ensemble d'échangeurs de chaleur (3, 4) pour réguler la température des gaz en entrée de la pile à combustible sous le contrôle des deuxièmes moyen de contrôle et un deuxième ensemble d'échangeurs de chaleur (5, 6) pour réguler la température de gaz en sortie de la pile à combustible sous le contrôle desdits deuxièmes moyens de contrôle. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement secondaire comporte en outre des premier et deuxième radiateurs (RHT, RBT) associés respectivement aux premier et deuxième ensembles d'échangeurs. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens réglables (8, 9) pour court-circuiter les premier et deuxième radiateurs. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de contrôle du circuit de refroidissement secondaire comprennent des moyens pour asservir la température en sortie du premier ensemble d'échangeurs sur une valeur de température correspondant sensiblement à la première valeur de consigne. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de contrôle comprennent des moyens pour piloter lesdits moyens pour court-circuiter le deuxième radiateur selon le bilan d'eau consommé par la pile à combustible et récupérée par le dispositif de refroidissement. 11. Procédé de refroidissement d'une pile à combustible de véhicule automobile comprenant un circuit de refroidissement principal (1) apte à réguler la température de la pile autour d'une première valeur de consigne (Tic), un circuit de refroidissement secondaire (2) apte à réguler la température de gaz fournis en entrée de la pile à combustible autour d'une deuxième valeur de consigne et un échangeur de chaleur (EC) disposé entre le circuit de refroidissement principal et le circuit de refroidissement secondaire, caractérisé en ce qu'au cours de la régulation de la température desgaz en entrée de la pile à combustible, on court-circuite l'échangeur de chaleur (EC) de manière à asservir la température de la pile à combustible sur ladite première valeur de consigne . 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on pilote des moyens pour court-circuiter un radiateur (RHT) associé à un premier ensemble d'échangeurs prévus dans le circuit de refroidissement secondaire pour réguler la température en entrée de la pile à combustible, de manière à réguler la température en entrée de la pile à combustible autour d'une valeur de température correspondant sensiblement à la température de la pile à combustible. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 et 1l, caractérisé en ce que l'on pilote des moyens pour court-circuiter un radiateur (RBT) associé à un deuxième ensemble d'échangeurs prévus dans le circuit de refroidissement secondaire pour refroidir les gaz en sortie de la pile à combustible selon un bilan d'eau consommée par la pile à combustible et récupérée par le circuit de refroidissement secondaire.