EP1328991A1 - Dispositif de maintien en temperature du reformeur du systeme de traction a pile a combustible d'un vehicle - Google Patents

Dispositif de maintien en temperature du reformeur du systeme de traction a pile a combustible d'un vehicle

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EP1328991A1
EP1328991A1 EP01974437A EP01974437A EP1328991A1 EP 1328991 A1 EP1328991 A1 EP 1328991A1 EP 01974437 A EP01974437 A EP 01974437A EP 01974437 A EP01974437 A EP 01974437A EP 1328991 A1 EP1328991 A1 EP 1328991A1
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EP
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auxiliary
reformer
fuel cell
fuel
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01974437A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Pierre Buchel
David Gerard
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Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to fuel cell traction systems for vehicles, in particular motor vehicles, using a reformer.
  • a generally adopted solution is therefore to manufacture hydrogen on the spot from a fuel that can easily be stored in the vehicle, such as methanol or petrol.
  • the fuel is transformed in a reformer which produces the hydrogen usable in the fuel cell.
  • One of the problems with this system is the time required to heat the reformer to allow it to transform the fuel under good conditions and produce hydrogen. During this heating period, the production of hydrogen for the fuel cell is not ensured and therefore the fuel cell traction system cannot operate.
  • a hydrogen buffer tank is provided to supply the cell during heating of the reformer, but this solution provided for in document WO 0039873 is bulky and does not fit well in a fuel cell vehicle.
  • An auxiliary power source is used to maintain the reformer in temperature. But taking into account the relatively high energy demand (for example 1.2 kWh for a temperature maintenance of 12 hours), conventional sources, such as a battery or a supercapacitor, are ill-suited. A sufficiently powerful battery will be bulky and expensive. On the other hand, it must be recharged regularly and must be ready, from the start of the vehicle, to respond to any acceleration, which requires a sizing of the battery accordingly.
  • the object of the invention is to find a solution to these problems and allow the immediate starting of the fuel cell in a simple manner and in most operating occasions.
  • the invention achieves its object thanks to a device for maintaining the temperature of the reformer supplying hydrogen to a fuel cell supplying the electric motor of a vehicle, characterized in that it consists of an auxiliary fuel cell connected to electrical heating means of the reformer to maintain its temperature.
  • Auxiliary fuel cells are already known for example to take advantage of gases still rich in hydrogen obtained at the outlet of the main fuel cell.
  • the secondary battery is arranged downstream of the main battery and can only operate at the same time as the latter, which in no way solves the problem of starting.
  • the auxiliary battery of the invention is of low power.
  • This power can therefore be delivered by a small low power battery developed, for example, for portable applications.
  • timing means are provided for operating the auxiliary battery for a predetermined time after the operation of the main battery has stopped.
  • the auxiliary battery must be able to be used to maintain the temperature of the reformer for a predetermined period of for example at least 12 hours; after this time, the user must wait for the reformer to heat up before he can use his vehicle.
  • This 12 hour period corresponds to a daily use of the vehicle, with a trip in the morning and a trip in the evening. For occasional trips, it may be considered acceptable for the user to have to wait for the reformer to heat up before being able to use his vehicle.
  • the battery can also be provided with a power slightly higher than the power necessary to maintain the temperature of the reformer and be used to power organs with low electric consumption of the vehicle not requiring the starting and the use of the main battery given the levels energy demanded quite low.
  • the vehicle battery can be replaced by the auxiliary battery, in whole or in part.
  • the auxiliary battery can be used to power navigation, communication (Internet, telephony, etc.) applications that do not require enough energy to need to start the traction system battery.
  • the hydrogen supplied to the auxiliary cell can come from an auxiliary hydrogen tank or preferably be supplied using a conventional fuel such as methanol or petrol through an auxiliary reformer.
  • the fuel can come, through a solenoid valve, from an auxiliary fuel tank or from the tank used for the main battery.
  • the estimated fuel consumption for maintaining the temperature of the main reformer for 12 hours is approximately 0.27 liters, which is very reasonable.
  • the hydrogen required for the main battery 1 is supplied by a main reformer 4 intended to crack the fuel which it receives from a main fuel tank 5.
  • the reformer 4 is heated by an electrical resistance 6 supplied with current by the battery auxiliary fuel 7.
  • the latter receives the necessary hydrogen from an auxiliary reformer 8 which receives the fuel from a fuel tank auxiliary via the supply electrova 9.
  • the fuel can come from the main (and then single) tank 5 by means of a bypass 10.
  • the auxiliary battery 7 can, as shown, serve auxiliary supply 11 of the low-consumption equipment of the vehicle.
  • the operation of the auxiliary battery is controlled by control means 12 including timer means for operating the battery for a predetermined time, for example 12 hours, after the main battery 1 has stopped.

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Abstract

Ce dispositif de maintien en température du reformeur (4) fournissant l'hydrogène à une pile à combustible (1) alimentant le moteur électrique (2) d'un véhicule, est constitué par une pile à combustible auxiliaire (7) connectée à des moyens de chauffage électrique (6) du reformeur (4) pour son maintien en température, de manière à permettre le redémarrage instantané de la pile principal. L'hydrogène alimentant la pile auxiliaire (7) provient d'un reformeur auxiliaire (8) alimenté en carburant par un réservoir secondaire (8) ou par le réservoir (5) de la pile principale (1).

Description

Dispositif de maintien en température du reformeur du système de traction à pile à combustible d'un véhicule
La présente invention concerne les systèmes de traction à pile à combustible des véhicules, notamment automobiles, utilisant un reformeur.
Il est connu d'utiliser pour la propulsion des véhicules des moteurs électriques dont l'énergie électrique est fournie par une pile à combustible ; une telle pile est alimentée en hydrogène et en oxygène qui se recombinent en eau en produisant de la chaleur et une tension électrique entre les électrodes. L'avantage de cette source d'énergie par rapport aux batteries électriques est une autonomie supérieure pour un encombrement et un poids moindres. Par rapport aux moteurs à explosion classiques, l'avantage est l'absence de rejets polluants. En revanche, les piles à combustible exigent de l'hydrogène. Son stockage à bord sous une pression de l'ordre de 700 bars est assez dangereux, et de plus nécessite des réservoirs relativement pesants.
Aussi une solution généralement adoptée est-elle de fabriquer l'hydrogène sur place à partir d'un carburant facilement stockable dans le véhicule, tel que le méthanol ou l'essence. Le carburant est transformé dans un reformeur qui produit l'hydrogène utilisable dans la pile à combustible.
Un des problèmes de ce système est la durée du chauffage du reformeur nécessaire pour lui permettre de transformer le carburant dans de bonnes conditions et de produire de l'hydrogène. Durant cette période de chauffage, la production d'hydrogène pour la pile à combustible n'est pas assurée et de ce fait le système de traction à pile à combustible ne peut pas fonctionner.
Plusieurs voies sont alors possibles face à ce problème.
.On se contente d'attendre la fin du chauffage du reformeur avant toute utilisation du véhicule, ce qui paraît inacceptable aux utilisateurs surtout dans le cadre d'une utilisation quotidienne.
.On prévoit un réservoir tampon d'hydrogène pour alimenter la pile durant le chauffage du reformeur, mais cette solution prévue dans le document WO 0039873 est volumineuse et s'intègre mal dans un véhicule à pile à combustible. On utilise une source auxiliaire de puissance pour maintenir en température le reformeur. Mais compte tenu de la demande en énergie relativement élevée (par exemple 1,2 kWh pour un maintien en température de 12 heures), les sources classiques, telle qu'une batterie ou une supercapacité, sont mal adaptées. Une batterie suffisamment puissante sera volumineuse et chère. D'autre part, elle doit être rechargée régulièrement et doit être prête, dès le démarrage du véhicule, à répondre à une accélération quelconque, ce qui impose un dimensionnement de la batterie en conséquence. Le but de l'invention est de trouver une solution à ces problèmes et permettre le démarrage immédiat de la pile à combustible de manière simple et dans la plupart des occasions de fonctionnement.
L'invention atteint son but grâce à un dispositif de maintien en température du reformeur fournissant l'hydrogène à une pile à combustible alimentant le moteur électrique d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il est constitué par une pile à combustible auxiliaire connectée à des moyens de chauffage électrique du reformeur pour son maintien en température.
Des piles à combustibles auxiliaires sont déjà connues par exemple pour tirer parti des gaz encore riches en hydrogène obtenus en sortie de la pile à combustible principale. Dans ce cas, la pile secondaire est disposée en aval de la pile principale et ne peut fonctionner qu'en même temps que celle-ci, ce qui ne résout en rien le problème du démarrage.
Avantageusement, la pile auxiliaire de l'invention est de faible puissance. En pratique, pour maintenir en température un reformeur permettant d'alimenter une pile de traction de véhicule d'environ 70kW, il faut environ 100 W de puissance. Cette puissance peut donc être délivrée par une petite pile de faible puissance développée, par exemple, pour des applications portables.
Avantageusement, des moyens de temporisation sont prévus pour faire fonctionner la pile auxiliaire pendant un temps prédéterminé après l'arrêt du fonctionnement de la pile principale. On peut en effet considérer que la pile auxiliaire doit pouvoir servir au maintien en température du reformeur pendant un délai prédéterminé de par exemple au moins 12 heures ; passé ce délai, l'utilisateur doit attendre le chauffage du reformeur pour pouvoir utiliser son véhicule. Ce délai de 12 heures correspond à une utilisation quotidienne du véhicule, avec un trajet le matin et un trajet le soir. Pour des déplacements occasionnels, il peut être jugé acceptable pour l'utilisateur d'avoir à attendre le chauffage du reformeur pour pouvoir utiliser son véhicule. La pile peut aussi être prévue avec une puissance légèrement supérieure à la puissance nécessaire au maintien en température du reformeur et être utilisée pour alimenter des organes à faible consommation électriques du véhicule ne nécessitant pas le démarrage et l'utilisation de la pile principale vu les niveaux d'énergie demandés assez faibles. De cette manière, on peut remplacer la batterie du véhicule par la pile auxiliaire, totalement ou en partie. Par exemple, la pile auxiliaire peut être utilisée pour alimenter des applications de type navigation, communication (Internet, téléphonie, ...) ne nécessitant pas suffisamment d'énergie pour avoir besoin de démarrer la pile du système de traction. L'hydrogène alimentant la pile auxiliaire peut venir d'un réservoir d'hydrogène auxiliaire ou de préférence être fourni grâce à un carburant classique tel que le méthanol ou l'essence au travers d'un reformeur auxiliaire. Le carburant peut provenir, au travers d'une électrovanne, d'un réservoir de carburant auxiliaire ou du réservoir utilisé pour la pile principale. Dans l'exemple d'une pile de puissance 100 W, la consommation estimée d'essence pour le maintien en température du reformeur principal pendant 12 heures est d'environ 0,27 litre, ce qui est très raisonnable.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et caractéristiques seront mis en évidence à la lecture de la description suivante, se référant à la figure unique représentant un schéma d'installation de la pile auxiliaire conformément à l'invention dans le circuit d'alimentation électrique du moteur électrique d'un véhicule.
La figure montre de manière schématique une pile à combustible principale 1 alimentant en énergie électrique un moteur électrique 2 faisant tourner la ou les roues 3 d'un véhicule. L'hydrogène nécessaire à la pile principale 1 est fourni par un reformeur principal 4 destiné à craquer le carburant qu'il reçoit d'un réservoir de carburant principal 5. Le reformeur 4 est réchauffé par une résistance électrique 6 alimentée en courant par la pile à combustible auxiliaire 7. Celle-ci reçoit l'hydrogène nécessaire d'un reformeur auxiliaire 8 qui reçoit le carburant d'un réservoir de carburant auxiliaire par l'intermédiaire de l'électrova ne d'alimentation 9. En variante, le carburant peut provenir du réservoir principal (et alors unique) 5 au moyen d'une dérivation 10. La pile auxiliaire 7 peut, comme représenté, servir d'alimentation auxiliaire 11 des équipements faiblement consommateurs du véhicule. Le fonctionnement de la pile auxiliaire est commandé par des moyens de commande 12 incluant des moyens de temporisation pour faire fonctionner la pile un temps prédéterminé, par exemple de 12 heures, après l'arrêt de la pile principale 1.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de maintien en température du reformeur (4) fournissant l'hydrogène à une pile à combustible (1) alimentant le moteur électrique (2) d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il est constitué par une pile à combustible auxiliaire (7) connectée à des moyens de chauffage électrique (6) du reformeur (4) pour son maintien en température.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pile à combustible auxiliaire (7) est de faible puissance.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la puissance de la pile à combustible auxiliaire (7) est de l'ordre de 100 W.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pile à combustible auxiliaire (7) alimente aussi des organes à faible consommation électriques du véhicule.
5. Dispositif selon Tune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'hydrogène alimentant la pile auxiliaire (7) provient d'un réservoir d'hydrogène auxiliaire.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'hydrogène alimentant la pile auxiliaire (7) provient d'un reformeur auxiliaire (8) alimenté en carburant.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le carburant alimentant le reformeur auxiliaire (8) provient du réservoir de carburant
(5) de la pile à combustible principale (1).
8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le carburant alimentant le reformeur auxiliaire (8) provient d'un réservoir de carburant (8) auxiliaire. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens de commande (12) à temporisation sont prévus pour faire fonctionner la pile auxiliaire (7) pendant un temps prédéterminé après l'arrêt du fonctionnement de la pile principale (1).
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