EP4222799A1 - Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule - Google Patents

Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule

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EP4222799A1
EP4222799A1 EP21786130.1A EP21786130A EP4222799A1 EP 4222799 A1 EP4222799 A1 EP 4222799A1 EP 21786130 A EP21786130 A EP 21786130A EP 4222799 A1 EP4222799 A1 EP 4222799A1
Authority
EP
European Patent Office
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cartridges
ammonia
occupying
transfer fluid
heat transfer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21786130.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jurgen Dedeurwaerder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA
Original Assignee
Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA filed Critical Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA
Publication of EP4222799A1 publication Critical patent/EP4222799A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
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    • 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 invention relates to thermal management on board a vehicle. More particularly, the invention relates to a fuel cell power supply system for a vehicle and to a method for thermal management of such a system.
  • a motor vehicle comprises drive means, powered by a source of energy, which make it possible to set the vehicle in motion.
  • a source of energy which make it possible to set the vehicle in motion.
  • One of the most common power sources includes an internal combustion engine that runs on fuel. However, the combustion of fuel produces carbon dioxide which pollutes the atmosphere, so it may be preferable to use less polluting energy sources.
  • a fuel cell to replace the internal combustion engine, for example a hydrogen cell.
  • the hydrogen in the form of dihydrogen, is oxidized by the fuel cell which then produces electricity, to supply the drive means, and heat.
  • Hydrogen can be stored as ammonia gas absorbed in or adsorbed on a salt in storage cartridges. This is a safe method of storing hydrogen. The ammonia must therefore be desorbed from the salt and then be cracked in order to form dihydrogen which can then be supplied to the fuel cell.
  • absorb and desorb will be used to designate respectively the storage and the release of gaseous ammonia on or from a salt, whether this storage takes place by absorption or adsorption.
  • a so-called “low temperature” battery works best when it is at a temperature generally between 60°C and 80°C. It is therefore necessary to evacuate the heat generated by the oxidation of dihydrogen so that the temperature of the cell does not exceed this value too much.
  • Document WO2011107279 proposes using part of the heat generated by the fuel cell to supply the desorption of ammonia in the storage cartridges, this desorption reaction being endothermic. This makes it possible to have, in addition to the radiator, another source of evacuation of the heat generated by the battery. However, this may still not be enough to keep the battery temperature at optimum operating temperature.
  • the aim of the invention is in particular to remedy this problem by making it possible to evacuate even more heat from the battery, in particular during a phase of intense use of the latter.
  • thermo management method in an electrical power supply system for a vehicle, the system comprising:
  • a cell cooling circuit in which a heat transfer fluid circulates, comprising branches supplying each of the cartridges, and
  • a radiator capable of cooling the heat transfer fluid, in which, at least one of the cartridges occupying an active state in which it releases gaseous ammonia into the injection circuit and at least one of the cartridges occupying a passive state in which it does not release gaseous ammonia into the injection circuit, at least one of the following steps is implemented: a) the ammonia pressure is increased inside at least one of the cartridges occupying the state active, b) circulating the heat transfer fluid leaving the stack in at least one of the cartridges occupying the passive state, c) increasing the ammonia desorption rate in one of the cartridges occupying the active state, part of the desorbed ammonia being stored in one of the other cartridges, preferably in one of the cartridges occupying the passive state.
  • Step a) makes it possible to shift the thermodynamic equilibrium in the cartridge.
  • the temperature in the cartridge is increased by causing it to absorb more heat, which has the effect of increasing, indirectly therefore, the ammonia pressure in the cartridge.
  • Step b) makes it possible to store heat in at least one of the cartridges occupying the passive state without thereby switching it to the active state.
  • Step c) makes it possible to create an excess of ammonia in at least one of the cartridges occupying the active state, relative to the instantaneous consumption of the stack, and therefore an excess of heat consumption for the cartridge concerned.
  • steps a), b) and c) are implemented.
  • step d) consisting in decreasing the power of the battery is implemented.
  • step a) the pressure is increased in at least one of the cartridges occupying the active state to a value greater than 3 bar, preferably greater than 4 bar, preferably greater than 5 bar.
  • thermodynamic equilibrium temperature in the cartridge makes it possible to significantly increase the thermodynamic equilibrium temperature in the cartridge.
  • an increase in pressure from 2 bar to 5 bar shifts the equilibrium temperature from about 45°C to 65°C.
  • the cartridges each comprise a calcium chloride matrix capable of absorbing and desorbing ammonia.
  • This salt effectively stores ammonia.
  • the matrix may be in the form of a salt of general formula M a (NH 3 ) nX z , in which M is one or more cations chosen from alkali metals such as Li, Na, K or Cs, alkaline earth metals such as Mg, Ca or Sr, and/or transition metals such as V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu or Zn or their combinations such as NaAl, KAI, K 2 Zn, CsCu or K 2 Fe, X is one or more anions chosen from fluoride, chloride, bromide, iodide, nitrate ions, thiocyanate, sulphate, molybdate and phosphate, a is the number of cations per molecule of salt, z is the number of anions per salt molecule and n is the coordination number, ranging from 2 to 12.
  • M is one or more cations chosen from alkali metals such as Li, Na, K or Cs, alkaline earth metals such as
  • the injection circuit comprises an ammonia cracking module, capable of transforming the ammonia into a gaseous mixture comprising dinitrogen, dihydrogen and ammonia, and, if necessary, a purification module, capable of reduce the ammonia content of the gas mixture.
  • an ammonia cracking module capable of transforming the ammonia into a gaseous mixture comprising dinitrogen, dihydrogen and ammonia
  • a purification module capable of reduce the ammonia content of the gas mixture.
  • the method is implemented on board a vehicle.
  • a cell cooling circuit in which a heat transfer fluid circulates, comprising branches supplying each of the cartridges,
  • control unit capable of implementing a thermal management method as described above.
  • Figure 1 is a diagram illustrating a vehicle power supply system according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a vehicle power supply system according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 an electrical power supply system 2 for a vehicle 4 according to a first embodiment of the invention.
  • the power system 2 includes a fuel cell 6 of the hydrogen type. More specifically, it may be a cell of the type commonly designated "AMFC", acronym for the Anglo-Saxon terms Alkaline Membrane Fuel Cell, or “PEMFC”, acronym for the Anglo-Saxon terms “Proton Exchange Membrane Fuel Cell”. Since these types of battery are known from the state of the art, their operation will not be described in detail in what follows.
  • AMFC Anglo-Saxon terms Alkaline Membrane Fuel Cell
  • PEMFC acronym for the Anglo-Saxon terms “Proton Exchange Membrane Fuel Cell
  • the cell 6 is arranged to be supplied with dihydrogen with a view to oxidizing it in order to produce electrical energy, which is transmitted to drive means (not shown) of the vehicle 4.
  • This oxidation reaction being exothermic, it also generates heat which raises the temperature of the battery 6 when it operates.
  • the power supply system 2 comprises a cooling circuit 8 of the stack.
  • This cooling circuit 8 comprises a conduit, in which a heat transfer fluid flows, which passes into contact with the battery 6 so that the heat transfer fluid can exchange heat with the battery 6.
  • the latter has an optimum temperature of use, here of the order of 70° C., at which it reaches maximum efficiency.
  • the cooling circuit 8 comprises temperature sensors 10 located upstream and downstream of the cell 6 by considering the direction of circulation of the heat transfer fluid in the cooling circuit 8.
  • the circulation of the heat transfer fluid in the cooling circuit 8 is allowed by means of a pump 12 located at the outlet of the cell 6.
  • the direction of circulation of the heat transfer fluid in the cooling circuit 8 is represented by arrows in FIG.
  • the supply system 2 comprises a radiator 14 through which the cooling circuit 8 passes.
  • the radiator 14 is exposed to the ambient air, so that the heat transfer fluid passing through the radiator 14 can exchange heat with the air. ambient to cool the heat transfer fluid.
  • the supply system 2 comprises several storage cartridges 16 each comprising a matrix 18 allowing the storage of gaseous ammonia, which is a precursor of dihydrogen.
  • the ammonia is absorbed in the matrix 18 and can also be adsorbed on the matrix 18.
  • the matrix 18 can consist of a salt, for example calcium chloride. This salt is particularly suitable since one molecule of calcium chloride can form a bond with eight molecules of ammonia.
  • the power supply system 2 comprises an injection circuit 20 connecting an output of each of the cartridges 16 to an input of the battery 6.
  • the injection circuit 20 has the function of passing the ammonia from the cartridges 16 to the stack 6.
  • the injection circuit 20 comprises a temperature sensor 10 capable of measuring the temperature of the ammonia and a non-return valve 21.
  • the non-return valves 21 allow the cartridges 16 having an ammonia pressure greater than the ammonia pressure at the inlet of the injection circuit 20 to desorb ammonia and inject it into the injection circuit 20 .
  • the injection circuit 20 comprises a metering unit 22 which makes it possible to meter the quantity of ammonia which is conveyed in the direction of the cell 6.
  • a pressure sensor 24 is placed at an inlet of the metering unit 22 in order to measure the pressure of the ammonia entering the dosing unit 22.
  • the injection circuit 20 comprises a cracking module 26, located downstream of the metering unit 22 considering the direction of circulation of the ammonia in the injection circuit 20, in which the cracking reaction of ammonia. This reaction makes it possible to produce, from ammonia, a gaseous mixture comprising dinitrogen, dihydrogen and ammonia.
  • the injection circuit 20 comprises a purification module 28, located downstream of the cracking module 26 considering the direction of circulation of the ammonia in the injection circuit 20, capable of reducing the ammonia content of the gaseous mixture.
  • This purification step is critical in particular in the case where the cell is of the “PEMFC” type, this type of cell requiring a supply of particularly pure dihydrogen.
  • the gaseous mixture is supplied to the cell 6 for the oxidation of the dihydrogen.
  • the cooling circuit 8 comprises a three-way valve 30 fed by the outlet of the pump 12.
  • the heat transfer fluid leaving the pump 12 is partly directed towards the radiator 14.
  • the other part of the heat transfer fluid is directed towards branches 32 supplying each of the cartridges 16.
  • the branches 32 are arranged so that the cartridges 16 are mounted in parallel.
  • An all-or-nothing valve 34 is provided in each of the branches 32 supplying the cartridges 16, so as to be able to control at any time the cartridges 16 through which the heat transfer fluid must pass.
  • the heat transfer fluid leaving the cartridges 16 is directed by the cooling circuit 8 towards the radiator 14.
  • the power supply system 2 comprises a control unit 36 capable of controlling the operation of the elements of the power supply system.
  • the battery 6 allows the production of approximately 100 kW of electrical power. It has a yield of around 50%, so that it consumes 200 kW of chemical power and additionally produces 100 kW of thermal power in the form of heat. In order to achieve this chemical power, it is necessary to feed the cell with a mass flow of 10.75 g/s of ammonia (which corresponds to a molar flow of 0.63 mol/s). To this end, some of the cartridges 16 occupy an active state in which they release gaseous ammonia into the injection circuit 20, while the remaining cartridges 16 occupy a passive state in which they do not release gaseous ammonia into the injection circuit 16.
  • the radiator 14 may not be able to dissipate all of the thermal power to be evacuated.
  • the vehicle 4 may be required to request greater electrical power from the battery 6, which is accompanied by greater thermal power to be dissipated.
  • the control unit 36 implements at least one of the following operations: a) The ammonia pressure inside at least one is increased. least one of the cartridges 16 occupying the active state. This makes it possible to shift the thermodynamic equilibrium in the cartridge or cartridges concerned. By doing so, the temperature necessary to reach equilibrium is increased, and therefore the heat requirements of this cartridge. In the present case, an increase in pressure from 2 bar to 5 bar (in absolute value) shifts the equilibrium temperature from about 45°C to 65°C. It is thus understood that the cartridge or cartridges concerned need to absorb more heat, emitted by the battery, to maintain this balance.
  • FIG. 2 a power supply system 2 'for a vehicle 4 according to a second embodiment of the invention. Elements similar to those of the first embodiment bear identical reference numerals.
  • the second embodiment of the invention differs from that of the first embodiment in that the injection circuit 20 comprises, in the direction opposite to the metering unit 22, a recycling circuit 38 whose opening and closing is ensured by an all-or-nothing valve 34 arranged in parallel with the cartridges 16 and controlled by the control unit 36. Downstream of this valve, the recycling circuit 38 comprises a reinsertion branch 40 in each of the cartridges 16, each reinsertion branch 40 comprising a non-return valve 21 arranged to prevent ammonia from leaving the cartridges 16 through the reinsertion branches 40.
  • System 2' operates in the same way as the system according to the first embodiment. In addition, it allows the implementation of another operation in order to increase the thermal power consumed by the system: c) the ammonia desorption rate is increased in one of the cartridges 16 occupying the active state, a part desorbed ammonia being stored in one of the cartridges 16 occupying the passive state. The excess ammonia thus desorbed passes into the recycling circuit 38 and, by pressure difference, enters the cartridges 16 occupying the passive state through non-return valves 21 of the corresponding reinsertion branches 40.
  • Operations a) and b), and possibly d), can be implemented simultaneously with operation c) to increase the quantity of thermal power used by the system 2′.

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Abstract

Dans ce procédé de gestion thermique dans un système d'alimentation électrique (2) pour véhicule qui comprend : - une pile à hydrogène, - plusieurs cartouches (16) de stockage d'ammoniac, - un circuit d'injection (20) chaque cartouches (16) à la pile (6), - un circuit de refroidissement (8) de la pile contenant un fluide caloporteur, et - un radiateur (14), au moins une des cartouches (16) étant active et au moins une des cartouches (16) étant passive, on met en œuvre au moins l'une des étapes suivantes : a) on augmente la pression en ammoniac à l'intérieur d'au moins une des cartouches actives, b) on fait circuler le fluide caloporteur sortant de la pile (6) dans au moins une des cartouches (16) passives, c) on augmente la vitesse de désorption d'ammoniac dans une des cartouches (16) actives, une partie de l'ammoniac désorbé étant stocké dans une des cartouches (16) passives.

Description

Description
Titre de l’invention : Procédé de gestion thermique d’un système à pile à combustible de véhicule
L’invention concerne la gestion thermique à bord d’un véhicule. Plus particulièrement, l’invention concerne un système d’alimentation électrique à pile à combustible pour véhicule et un procédé de gestion thermique d’un tel système.
Un véhicule automobile comprend des moyens d’entrainement, alimentés par une source d’énergie, qui permettent de mettre le véhicule en mouvement. Une des sources d’énergie les plus répandues comprend un moteur à combustion interne fonctionnant avec du carburant. Cependant, la combustion du carburant produit du dioxyde de carbone qui pollue l’atmosphère, si bien qu’il peut être préférable d’employer des sources d’énergie moins polluantes.
Il est connu d’utiliser une pile à combustible pour remplacer le moteur à combustion interne, par exemple une pile à hydrogène. L’hydrogène, sous forme de dihydrogène, est oxydé par la pile qui produit alors de l’électricité, pour alimenter les moyens d’entrainement, et de la chaleur. L’hydrogène peut être stocké sous forme d’ammoniac gazeux absorbé dans ou adsorbé sur un sel dans des cartouches de stockage. Il s’agit d’une méthode sûre de stockage d’hydrogène. L’ammoniac doit donc être désorbé du sel puis être craqué afin de former du dihydrogène qui peut alors être fourni à la pile.
Pour des raisons de concision, dans le contexte de la description de la présente invention, on utilisera les termes absorber et désorber pour désigner respectivement le stockage et la libération de l'ammoniac gazeux sur ou à partir d'un sel, que ce stockage intervienne par absorption ou adsorption.
Une pile dite « à basse température » présente un fonctionnement optimal lorsqu’elle est à une température généralement comprise entre 60°C et 80°C. Il est donc nécessaire d’évacuer la chaleur générée par l’oxydation du dihydrogène afin que la température de la pile n’excède pas trop cette valeur.
A cet effet, il est connu de faire passer un fluide refroidissant au contact de la pile afin d’en absorber de la chaleur, celle-ci étant dissipée par l’air ambient au moyen d’un radiateur. Néanmoins, cette solution peut ne pas suffire pour maintenir la pile à la température de fonctionnement optimal. En effet, si la température de l’air ambient est elle-même élevée, par exemple en été et/ou dans des pays présentant un climat chaud, la différence de température entre l’air ambiant et la pile fait que le radiateur ne peut pas dissiper une quantité suffisamment importante de chaleur pour maintenir la pile à sa température de fonctionnement optimal. En outre, pendant des phases ou la pile doit délivrer une quantité plus importante d’énergie électrique, donc pendant lesquelles elle génère plus de chaleur, le radiateur peut également être insuffisant pour dissiper cet excès de chaleur.
Le document WO2011107279 propose d’utiliser une partie de la chaleur générée par la pile pour alimenter la désorption de l’ammoniac dans les cartouches de stockage, cette réaction de désorption étant endothermique. Cela permet de disposer, en plus du radiateur, d’une autre source d’évacuation de la chaleur générée par la pile. Cependant, cela peut ne toujours pas suffire pour maintenir la température de la pile à la température de fonctionnement optimal.
L'invention a notamment pour but de remédier à ce problème en permettant d’évacuer davantage encore de chaleur de la pile, notamment lors d’une phase d’utilisation intense de celle-ci.
A cet effet, on prévoit selon l’invention un procédé de gestion thermique dans un système d’alimentation électrique pour véhicule, le système comprenant :
- une pile à combustible apte à être alimentée en dihydrogène,
- plusieurs cartouches de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice,
- un circuit d’injection reliant une sortie de chacune des cartouches à une entrée de la pile,
- un circuit de refroidissement de la pile, dans lequel circule un fluide caloporteur, comportant des branches alimentant chacune des cartouches, et
- un radiateur apte à refroidir le fluide caloporteur, dans lequel, au moins une des cartouches occupant un état actif dans lequel elle relâche de l’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection et au moins une des cartouches occupant un état passif dans lequel elle ne relâche pas d’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection, on met en œuvre au moins l’une des étapes suivantes : a) on augmente la pression en ammoniac à l’intérieur d’au moins une des cartouches occupant l’état actif, b) on fait circuler le fluide caloporteur sortant de la pile dans au moins une des cartouches occupant l’état passif, c) on augmente la vitesse de désorption d’ammoniac dans une des cartouches occupant l’état actif, une partie de l’ammoniac désorbé étant stocké dans une des autres cartouches, de préférence dans une des cartouches occupant l’état passif.
Ainsi, on peut créer temporairement des besoins en chaleur au sein des cartouches de stockage de l'ammoniac. L’étape a) permet de déplacer l’équilibre thermodynamique dans la cartouche. En autorisant une augmentation de pression d’ammoniac dans la cartouche, on peut augmenter la température nécessaire pour atteindre l’équilibre, et donc les besoins en chaleur de cette cartouche. En d’autres termes, on augmente la température dans la cartouche en la faisant absorber plus de chaleur, ce qui a pour incidence d’augmenter, indirectement donc, la pression en ammoniac dans la cartouche. L’étape b) permet de stocker de la chaleur dans au moins une des cartouches occupant l’état passif sans pour autant la faire basculer à l’état actif. L’étape c) permet de créer un excédent d’ammoniac dans au moins une des cartouches occupant l’état actif, par rapport à la consommation instantanée de la pile, et donc un excédent de consommation de chaleur pour la cartouche concernée.
Chacune de ces étapes permet de temporairement augmenter la chaleur consommée par les cartouches et donc de diminuer la chaleur générée par la pile qu’il est nécessaire d’éliminer au moyen du radiateur pour que la pile reste à température proche de la température d’utilisation optimale.
Avantageusement, on met en œuvre au moins deux des étapes a), b) et c).
Avantageusement, on met en œuvre les trois étapes a), b) et c).
On peut ainsi augmenter davantage encore la quantité de chaleur émise par la pile qui est consommée par le système. Cela rend en outre possible de moduler agilement la quantité d’énergie thermique qui est consommée par les cartouches.
Dans un mode de réalisation spécifique, on met en œuvre l’étape d) consistant à diminuer la puissance de la pile.
Avantageusement, dans l’étape a), on augmente la pression dans au moins une des cartouches occupant l’état actif à une valeur supérieure à 3 bar, de préférence supérieure à 4 bar, préférentiellement supérieure à 5 bar.
Une telle augmentation de pression permet d’augmenter significativement la température d’équilibre thermodynamique dans la cartouche. Par exemple, dans le cas d’une matrice en chlorure de calcium, une augmentation de la pression de 2 bar à 5 bar déplace la température d’équilibre d’environ 45 °C à 65 °C.
Avantageusement, les cartouches comprennent chacune une matrice en chlorure de calcium apte à absorber et désorber l’ammoniac.
Ce sel permet de stocker efficacement l’ammoniac.
De manière plus générale, la matrice peut se présenter sous la forme d’un sel de formule générale Ma(NH3)nXz, dans laquelle M est un ou plusieurs cations choisis parmi les métaux alcalins tels que Li, Na, K ou Cs, les métaux alcalino-terreux tels que Mg, Ca ou Sr, et/ou des métaux de transition tels que V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu ou Zn ou leurs combinaisons telles que NaAl, KAI, K2Zn, CsCu ou K2Fe, X est un ou plusieurs anions choisis parmi le fluorure, le chlorure, le bromure, l’iodure , les ions nitrate, le thiocyanate, le sulfate, le molybdate et le phosphate, a est le nombre de cations par molécule de sel, z est le nombre d'anions par molécule de sel et n est le nombre de coordination, compris entre 2 et 12.
Avantageusement, le circuit d’injection comprend un module de craquage d’ammoniac, apte à transformer l’ammoniac en un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac, et, si nécessaire, un module de purification, apte à réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux.
Il est ainsi possible d’alimenter la pile avec un mélange gazeux particulièrement pur en dihydrogène. Cela permet notamment de rendre l’invention applicable aux piles du type « PEMFC », sigle pour les termes anglo-saxons « Proton Exchange Membrane Fuel Cell », qui ont besoin d’un niveau élevé de pureté en hydrogène pour fonctionner.
Avantageusement, le procédé est mis en œuvre à bord d’un véhicule.
On prévoit également selon l’invention un système d’alimentation électrique pour véhicule, comprenant :
- une pile à combustible apte à être alimentée en dihydrogène,
- plusieurs cartouches de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice,
- un circuit d’injection reliant une sortie de chacune des cartouches à une entrée de la pile,
- un circuit de refroidissement de la pile, dans lequel circule un fluide caloporteur, comportant des branches alimentant chacune des cartouches,
- un radiateur apte à refroidir le fluide caloporteur, et
- une unité de commande apte à mettre en œuvre un procédé de gestion thermique tel que décrit dans ce qui précède.
On prévoit aussi selon l’invention un véhicule automobile comprenant un système d’alimentation tel que décrit dans ce qui précède.
Brève description des figures
L'invention va maintenant être présentée à l’appui de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 est un schéma illustrant un système d’alimentation électrique pour véhicule selon un premier mode de réalisation de l’invention, et
[Fig. 2] la figure 2 est un schéma illustrant un système d’alimentation électrique pour véhicule selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée On a représenté en figure 1 un système d’alimentation électrique 2 pour un véhicule 4 selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le système d’alimentation 2 comprend une pile à combustible 6 du type à hydrogène. Plus spécifiquement, il peut s’agir d’une pile du type communément désigné « AMFC », sigle pour les termes anglo-saxons Alkaline Membrane Fuel Cell, ou « PEMFC », sigle pour les termes anglo-saxons « Proton Exchange Membrane Fuel Cell ». Ces types de pile étant connues de l’état de la technique, leur fonctionnement ne sera pas décrit en détails dans ce qui suit.
La pile 6 est agencée pour être alimentée en dihydrogène en vue de l’oxyder afin de produire de l’énergie électrique, qui est transmise à des moyens d’entrainement (non représentés) du véhicule 4. Cette réaction d’oxydation étant exothermique, elle génère également de la chaleur qui fait monter la température de la pile 6 lorsqu’elle fonctionne.
Afin de refroidir la pile 6, le système d’alimentation 2 comprend un circuit de refroidissement 8 de la pile. Ce circuit de refroidissement 8 comprend un conduit, dans lequel s’écoule un fluide caloporteur, qui passe au contact de la pile 6 de sorte que le fluide caloporteur peut échanger de la chaleur avec la pile 6. Cette dernière présente une température optimale d’utilisation, ici de l’ordre de 70°C, à laquelle elle atteint un rendement maximal. Afin de surveiller la température de la pile 6, le circuit de refroidissement 8 comprend des capteurs de température 10 situés en amont et en aval de la pile 6 en considérant le sens de circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 8. La circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 8 est permise au moyen d’une pompe 12 située à la sortie de la pile 6. Le sens de circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 8 est représenté par des flèches sur la figure 1 .
Le système d’alimentation 2 comprend un radiateur 14 à travers lequel passe le circuit de refroidissement 8. Le radiateur 14 est exposé à l’air ambiant, si bien que le fluide caloporteur traversant le radiateur 14 peut échanger de la chaleur avec l’air ambiant afin de refroidir le fluide caloporteur.
Le système d’alimentation 2 comprend plusieurs cartouches de stockage 16 comprenant chacune une matrice 18 permettant le stockage d’ammoniac gazeux, qui est un précurseur de dihydrogène. L’ammoniac est absorbé dans la matrice 18 et peut également être adsorbée sur la matrice 18. A cet effet, la matrice 18 peut être constituée d’un sel, par exemple du chlorure de calcium. Ce sel est particulièrement adapté dans la mesure où une molécule de chlorure de calcium peut former une liaison avec huit molécules d’ammoniac.
Le système d’alimentation 2 comprend un circuit d’injection 20 reliant une sortie de chacune des cartouches 16 à une entrée de la pile 6. Le circuit d’injection 20 a pour fonction de faire transiter l’ammoniac des cartouches 16 vers la pile 6. A la sortie de chaque cartouche 16, le circuit d’injection 20 comprend un capteur de température 10 apte à mesurer la température de l’ammoniac et une valve anti-retour 21. Les valves anti-retour 21 permettent aux cartouches 16 présentant une pression en ammoniac supérieure la pression en ammoniac à l’entrée du circuit d’injection 20 de désorber de l’ammoniac et de l’injecter dans le circuit d’injection 20.
Le circuit d’injection 20 comprend une unité de dosage 22 qui permet de doser la quantité d’ammoniac qui est acheminée en direction de la pile 6. Un capteur de pression 24 est placé à une entrée de l’unité de dosage 22 afin de mesurer la pression de l’ammoniac entrant dans l’unité de dosage 22.
Le circuit d’injection 20 comprend un module de craquage 26, situé en aval de l’unité de dosage 22 en considérant le sens de circulation de l’ammoniac dans le circuit d’injection 20, dans laquelle se déroule la réaction de craquage de l’ammoniac. Cette réaction permet de produire, à partir de l’ammoniac, un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac.
Le circuit d’injection 20 comprend un module de purification 28, situé en aval du module de craquage 26 en considérant le sens de circulation de l’ammoniac dans le circuit d’injection 20, apte à réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux. Cette étape de purification est critique notamment dans le cas où la pile est du type « PEMFC », ce type de pile nécessitant une alimentation en dihydrogène particulièrement pur. A la sortie du module de purification 28, le mélange gazeux est fourni à la pile 6 en vue de l’oxydation du dihydrogène.
Le circuit de refroidissement 8 comprend une vanne à trois voies 30 alimentée par la sortie de la pompe 12. Le fluide caloporteur sortant de la pompe 12 est en partie dirigée en direction du radiateur 14. L’autre partie du fluide caloporteur est dirigée en direction de branches 32 alimentant chacune des cartouches 16. Les branches 32 sont agencées de sorte que les cartouches 16 sont montées en parallèle. Une valve tout-ou-rien 34 est ménagée dans chacune des branches 32 alimentant les cartouches 16, de manière à pouvoir contrôler à tout instant les cartouches 16 par lesquelles le fluide caloporteur doit transiter. Le fluide caloporteur sortant des cartouches 16 est dirigé par le circuit de refroidissement 8 en direction du radiateur 14.
Le système d’alimentation 2 comprend une unité de commande 36 apte à commander le fonctionnement des éléments du système d’alimentation.
On va maintenant décrire un procédé de gestion thermique du système d’alimentation 2 qui est mis en œuvre à bord du véhicule par l’unité de commande 36.
Dans une phase de fonctionnement nominal, la pile 6 permet la production d’environ 100 kW de puissance électrique. Elle présente un rendement qui est de l’ordre de 50%, si bien qu’elle consomme 200 kW de puissance chimique et produit en outre 100 kW de puissance thermique sous la forme de chaleur. Afin d’atteindre cette puissance chimique, il est nécessaire d’alimenter la pile avec un débit massique de 10,75 g/s d’ammoniac (ce qui correspond à un débit molaire de 0,63 mol/s). A cette fin, certaines des cartouches 16 occupent un état actif dans lequel elles relâchent de l’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection 20, tandis que les cartouches 16 restantes occupent un état passif dans lequel elles ne relâchent pas d’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection 16. La désorption de cette quantité d’ammoniac par seconde nécessite la consommation de 26 kW de puissance thermique par la ou les cartouches 16. Il reste donc 74 kW de puissance thermique à évacuer, notamment par le radiateur 14, afin d’éviter une hausse de température de la pile 6, qui pourrait alors dépasser sa température d’utilisation optimale.
En fonction de la température de l’air ambiant, le radiateur 14 peut ne pas être en mesure de dissiper l’intégralité de la puissance thermique à évacuer. En outre, le véhicule 4 peut être amené à demander à la pile 6 une plus grande puissance électrique, ce qui s’accompagne d’une plus grande puissance thermique à dissiper.
Afin d’augmenter temporairement la puissance thermique dissipée par le système d’alimentation 2, l’unité de commande 36 met en œuvre au moins l’une des opérations suivantes : a) On augmente la pression en ammoniac à l’intérieur d’au moins une des cartouches 16 occupant l’état actif. Cela permet de déplacer l’équilibre thermodynamique dans la ou les cartouches concernées. Ce faisant, on augmente la température nécessaire pour atteindre l’équilibre, et donc les besoins en chaleur de cette cartouche. Dans le cas présent, une augmentation de la pression de 2 bar à 5 bar (en valeur absolue) déplace la température d’équilibre d’environ 45 °C à 65 °C. On comprend ainsi que la ou les cartouches concernées ont besoin d’absorber plus de chaleur, émise par la pile, pour maintenir cet équilibre. b) On fait circuler le fluide caloporteur sortant de la pile 6 dans au moins une des cartouches 16 occupant l’état passif. La température dans la ou les cartouches concernées doit alors être surveillées car elle ne doit pas dépasser une température de seuil qui rendrait la ou les cartouches actives, c’est-à-dire que de l’ammoniac commencerait à se désorber dans ces cartouches pour alimenter le circuit d’injection 20. Néanmoins, avant d’atteindre cette température de seuil, la cartouche peut absorber une certaine quantité d’énergie thermique. d) Quand cela est possible, on peut diminuer la puissance électrique produite par la pile 6. Cela a pour conséquence de diminuer la puissance thermique produite par la pile 6, et donc également la puissance thermique que doit dissiper le radiateur 14, et le reste de puissance thermique à dissiper qui ne peut pas être dissipé par le radiateur 14.
En fonction de la puissance thermique qui ne peut pas être dissipée par le radiateur 14, on peut choisir de mettre en œuvre une ou deux des opérations parmi les opérations a) et b), et éventuellement d) si elle est permise. En outre, ces opérations peuvent être mises en œuvre pendant des périodes différentes. On comprend ainsi que l’invention permet une gestion agile de la dissipation de la puissance thermique générée par la pile 6.
On a représenté en figure 2 un système d’alimentation électrique 2’ pour un véhicule 4 selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Les éléments similaires à ceux du premier mode de réalisation portent des références numériques identiques.
Le deuxième mode de réalisation de l’invention diffère de celui du premier mode en ce que le circuit d’injection 20 comprend, en direction opposée à l’unité de dosage 22, un circuit de recyclage 38 dont l’ouverture et la fermeture est assurée par une valve tout- ou-rien 34 agencée en parallèle des cartouches 16 et commandée par l’unité de commande 36. En aval de cette valve, le circuit de recyclage 38 comprend une branche de réinsertion 40 dans chacune des cartouches 16, chaque branche de réinsertion 40 comprenant une valve anti-retour 21 agencée pour empêcher l’ammoniac de sortir des cartouches 16 par les branches de réinsertion 40.
Le système 2’ fonctionne de la même manière que le système selon le premier mode de réalisation. En outre, il permet la mise en œuvre d’une autre opération afin d’augmenter la puissance thermique consommée par le système : c) On augmente la vitesse de désorption d’ammoniac dans une des cartouches 16 occupant l’état actif, une partie de l’ammoniac désorbé étant stocké dans une des cartouches 16 occupant l’état passif. L’excès d’ammoniac ainsi désorbé passe dans le circuit de recyclage 38 et, par différence de pression, rentre dans les cartouches 16 occupant l’état passif à travers des valves anti-retours 21 des branches de réinsertion 40 correspondantes.
Les opérations a) et b), et éventuellement d), peuvent être mises en œuvre simultanément à l’opération c) pour augmenter la quantité de puissance thermique utilisée par le système 2’.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.
Liste de références
2 ; 2’ : système d’alimentation en énergie
4 : véhicule 6 : pile
8 : circuit de refroidissement
10 : capteur de température
12 : pompe
14 : radiateur
16 : cartouche de stockage
18 : matrice
20 : circuit d’injection
21 : valve anti-retour
22 : unité de dosage
24 : capteur de pression
26 : module de craquage
28 : module de purification
30 : vanne à trois voies
32 : branche
34 : valve tout-ou-rien
36 : unité de commande
38 : circuit de recyclage
40 : branche de réinsertion

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de gestion thermique dans un système d’alimentation électrique (2 ; 2’) pour véhicule, le système comprenant :
- une pile à combustible (6) apte à être alimentée en dihydrogène,
- plusieurs cartouches (16) de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice (18),
- un circuit d’injection (20) reliant une sortie de chacune des cartouches (16) à une entrée de la pile (6),
- un circuit de refroidissement (8) de la pile, dans lequel circule un fluide caloporteur, comportant des branches (32) alimentant chacune des cartouches (16), et
- un radiateur (14) apte à refroidir le fluide caloporteur, caractérisé en ce que, au moins une des cartouches (16) occupant un état actif dans lequel elle relâche de l’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection (20) et au moins une des cartouches (16) occupant un état passif dans lequel elle ne relâche pas d’ammoniac gazeux dans le circuit d’injection (20), on met en œuvre au moins l’une des étapes suivantes : a) on augmente la pression en ammoniac à l’intérieur d’au moins une des cartouches (16) occupant l’état actif, b) on fait circuler le fluide caloporteur sortant de la pile (6) dans au moins une des cartouches (16) occupant l’état passif, c) on augmente la vitesse de désorption d’ammoniac dans une des cartouches (16) occupant l’état actif, une partie de l’ammoniac désorbé étant stocké dans une des autres cartouches (16), de préférence dans une des cartouches (16) occupant l’état passif.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on met en œuvre au moins deux des étapes a), b) et c).
[Revendication 3] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on met en œuvre les trois étapes a), b) et c).
[Revendication 4] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on met également en œuvre l’étape d) consistant à diminuer la puissance de la pile (6).
[Revendication 5] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel dans l’étape a), on augmente la pression dans au moins une des cartouches (16) occupant l’état actif à une valeur supérieure à 3 bar, de préférence supérieure à 4 bar, préférentiellement supérieure à 5 bar.
[Revendication 6] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les cartouches (16) comprennent chacune une matrice (18) en chlorure de calcium apte à absorber et désorber l’ammoniac.
[Revendication 7] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit d’injection (20) comprend un module de craquage d’ammoniac (26), apte à transformer l’ammoniac en un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac, et un module de purification (28), apte à réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux.
[Revendication 8] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, mis en œuvre à bord d’un véhicule (4).
[Revendication 9] Système d’alimentation électrique (2 ; 2’) pour véhicule, caractérisé en ce qu’il comprend :
- une pile à combustible (6) apte à être alimentée en dihydrogène,
- plusieurs cartouches (16) de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice (18),
- un circuit d’injection (20) reliant une sortie de chacune des cartouches (16) à une entrée de la pile (6),
- un circuit de refroidissement (8) de la pile, dans lequel circule un fluide caloporteur, comportant des branches (32) alimentant chacune des cartouches (16),
- un radiateur (14) apte à refroidir le fluide caloporteur, et
- une unité de commande (36) apte à mettre en œuvre un procédé de gestion thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes.
[Revendication 10] Véhicule automobile (4) comprenant un système d’alimentation (2 ; 2’) selon la revendication précédente.
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