EP4248509A1 - 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

Info

Publication number
EP4248509A1
EP4248509A1 EP21810375.2A EP21810375A EP4248509A1 EP 4248509 A1 EP4248509 A1 EP 4248509A1 EP 21810375 A EP21810375 A EP 21810375A EP 4248509 A1 EP4248509 A1 EP 4248509A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ammonia
cracking module
cracking
module
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21810375.2A
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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 EP4248509A1 publication Critical patent/EP4248509A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by decomposition of inorganic compounds
    • C01B3/047—Decomposition of ammonia
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04208—Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04216—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes characterised by the choice for a specific material, e.g. carbon, hydride, absorbent
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04947—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 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 means of drive, 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.
  • Ammonia can also be stored in liquid form. The ammonia must be cracked in a cracking module to form dihydrogen which can then be supplied to the fuel cell.
  • the hydrogen cracking reaction being endothermic, it is necessary to provide heat to the ammonia in order to crack it into a gaseous mixture comprising dihydrogen and dinitrogen. This gaseous mixture can then be used to supply the cell with dihydrogen.
  • the aim of the invention is in particular to optimize the supply of heat to the cracking module during operation of the fuel cell.
  • thermo management method in an electrical power supply system for a vehicle, the system comprising:
  • a fuel cell configured to be supplied with dihydrogen, - an ammonia tank,
  • an ammonia cracking module configured to crack the ammonia coming from the tank into a gaseous mixture comprising dihydrogen
  • a combustion chamber configured to heat the cracking module, characterized in that the combustion chamber is selectively fed with the gas mixture leaving the cracking module or with a gas mixture leaving the cell in order to heat the cracking module , and the ammonia supply of the cracking module is regulated as a function of the temperature of the cracking module by comparing it with a predetermined temperature of optimal use of the cracking module so that:
  • the flow rate of ammonia supplied to the cracking module is reduced.
  • Ammonia thus has two functions in the fuel system, namely serving as a hydrogen precursor to fuel the fuel cell and serving as a heat source for the combustion cracker module in the combustion chamber. Regulating the flow of ammonia leaving the tank therefore makes it possible both to manage the electrical power generated by the cell and the change in temperature of the cracking module. It is thus understood that it is possible to achieve an ammonia flow rate making it possible to achieve a balance between the supply of the cell and the heating of the cracking module, this balance being regulated according to the instantaneous electrical power that must supply the battery to the vehicle.
  • system further comprises a bypass channel connecting the outlet of the cracking module to the combustion chamber, the bypass channel comprising a bypass valve configured to allow or block the passage of gas in the bypass channel.
  • valve is used as a synonym for the term “valve”, so that all occurrences of the term “valve” can be interchanged with the term “valve” without this modifying the disclosure of the request.
  • the bypass valve is kept open.
  • the combustion chamber is thus fed with the gaseous mixture without it passing through the stack.
  • the cracking module has too low a temperature, the cracking of the ammonia does not occur or hardly occurs, so that the gaseous mixture leaving the cracking module does not contain enough dihydrogen to effectively supply the cell. Supplying the cell with a gaseous mixture that is unusable for it is therefore avoided.
  • This also makes it possible to increase the temperature of the cracking module more rapidly than if the gaseous mixture had to pass unnecessarily through the stack before reaching the combustion chamber.
  • the bypass valve is kept closed.
  • the cracking modulus has a high enough temperature for ammonia cracking to occur. Consequently, the gaseous mixture leaving the cracking module contains enough dihydrogen to supply the fuel cell, so that this gaseous mixture must not be supplied directly to the combustion chamber.
  • the combustion chamber is selectively fed with the gas mixture leaving the cracking module or with a gas mixture leaving the stack using selection means comprising the bypass valve and a supply valve.
  • ammonia is supplied to the ammonia cracking module according to an electrical power that the cell must generate.
  • the ammonia tank comprises at least one ammonia storage cartridge in the form absorbed in a matrix, for example a calcium chloride matrix.
  • the ammonia is thus safely stored in the system.
  • the matrix may be in the form of a salt of general formula M a (NH3) n X 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, K2Zn, CsCu or K2Fe, X is one or more anions chosen from fluoride, chloride, bromide, iodide, nitrate ions, thiocyanate, sulfate, molybdate and phosphate, a is the number of cations per molecule of salt, z is the number of anions per molecule of salt 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
  • the system further comprises a purification module configured to reduce the ammonia content of the gas mixture entering the stack.
  • the method is implemented on board a vehicle.
  • an electrical power supply system for a vehicle comprising:
  • an ammonia cracking module configured to crack the ammonia coming from the tank into a gaseous mixture comprising dihydrogen
  • control unit configured to implement a thermal management method as defined 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.
  • the power supply system 2 comprises a fuel cell 5 of the hydrogen type. More specifically, it may be a cell of the type commonly designated “AMFC”, acronym for the English terms Alkaline Membrane Fuel Cell.
  • the cell 5 comprises an anode 6, arranged to be supplied with a gaseous mixture comprising dihydrogen, and a cathode 7, from which the electrical energy generated by the oxidation of the dihydrogen is supplied to the vehicle 4.
  • the gas mixture enters through an inlet of anode 6a and exits through an outlet of anode 6b, the dihydrogen content of the gas mixture at the outlet of anode 6b being less than or equal to its content at the anode inlet 6a. Since this type of battery is known from the state of the art, its operation will not be described in more detail below.
  • Fuel system 2 includes an ammonia tank 8.
  • Ammonia is a precursor to dihydrogen.
  • tank 8 allows the storage of ammonia in gaseous form.
  • the tank 8 comprises a matrix which consists of a salt, for example calcium chloride, the ammonia being absorbed in the matrix and possibly adsorbed on the matrix.
  • Calcium chloride is particularly suitable since one molecule of calcium chloride can form a bond with eight molecules of ammonia.
  • any other form of ammonia storage can be provided in tank 8.
  • the supply system 2 comprises a metering unit 10 which makes it possible to meter the quantity of ammonia which is conveyed from the tank 8 in the direction of the pile 5.
  • the supply system 2 comprises a first heat exchanger 12 which makes it possible to preheat the ammonia leaving the metering unit 10. It will be indicated later how the ammonia is preheated in the first heat exchanger 12.
  • the supply system 2 comprises an ammonia cracking module 14, located downstream of the first heat exchanger 12 considering the direction of circulation of the ammonia coming from the tank 8, in which the cracking reaction of ammonia.
  • This reaction makes it possible to produce, from ammonia, a gaseous mixture comprising dinitrogen, dihydrogen and ammonia. This reaction is endothermic, a heat input is therefore necessary to allow cracking.
  • the supply system 2 comprises a second heat exchanger 16 which makes it possible to cool the gaseous mixture leaving the cracking module 14 before it reaches the stack 5.
  • the stack 5 does not need to be supplied with hot dihydrogen.
  • the gaseous mixture is cooled by an admission of ambient air into the second heat exchanger 16. Thus, it leaves the second heat exchanger, on the one hand, a gaseous mixture comprising dinitrogen, dihydrogen and cooled ammonia and, on the other hand, hot air.
  • the supply system 2 comprises a supply channel 18 allowing the gaseous mixture cooled by the second heat exchanger 16 to reach the inlet of the anode 6a of the cell 5.
  • the supply channel 18 comprises a valve supply 20 which can take an open position in which it allows the passage of the gaseous mixture to the cell 5 and a closed position in which it prevents any passage of the gaseous mixture in the supply conduit 18.
  • the feed system 2 comprises a combustion chamber 22 configured to heat the cracking module 14 in order to provide the heat necessary for the ammonia cracking reaction.
  • the combustion chamber 22 is supplied with the gaseous mixture leaving the outlet of the anode 6b and the hot air leaving the second heat exchanger 16. It is thus understood that the preheating of the air in the second heat exchanger 16 makes it possible to reduce the tendency of the air entering the combustion chamber 22 to reduce the temperature inside the latter.
  • the gaseous mixture may contain dihydrogen because the cell 5 generally does not consume all the dihydrogen supplied to it.
  • the combustion of the ammonia and dihydrogen included in the gaseous mixture makes it possible to supply the cracking module 14 with heat.
  • the temperature of the combustion chamber 22 is measured by means of a temperature sensor 24.
  • a preheater 26 makes it possible to generate the heat necessary to reach the minimum temperature allowing combustion. Once the temperature of the combustion chamber 22 is higher than this minimum temperature, the preheater 26 is deactivated.
  • the preheating member 26 here comprises an electric heater.
  • the combustion gas leaving the combustion chamber 22 is fed into the first heat exchanger 12 in order to ensure the preheating of the ammonia leaving the metering unit 10, as mentioned above.
  • the supply system 2 comprises a bypass channel 28 connecting the outlet, on the gaseous mixture side, of the second heat exchanger 16 to the combustion chamber 22.
  • the bypass channel 28 comprises a bypass valve 30 able to assume an open position in which it allows the passage of the gaseous mixture to the combustion chamber 22 and a closed position in which it prevents any passage of the gaseous mixture into the bypass duct 28.
  • the supply system 2 comprises a control unit 32 configured to control the operation of the elements of the supply system, in particular that of the metering unit 10, the supply valve 20 and the bypass valve 30.
  • a control unit 32 configured to control the operation of the elements of the supply system, in particular that of the metering unit 10, the supply valve 20 and the bypass valve 30.
  • control unit 32 controls the metering unit 10 to convey ammonia stored in the tank 8 in the direction of the cell 5.
  • the unit of metering 10 controls a flow of ammonia leaving tank 8 corresponding to a flow of dihydrogen, assuming a transformation of two molecules of ammonia into three molecules of dihydrogen, allowing the cell to generate the electrical energy necessary for the operation of the vehicle 4.
  • the cracking module 14 is at an insufficient temperature to allow the cracking of the ammonia.
  • the bypass valve 30 is kept open and the supply valve 20 is kept closed.
  • the gaseous mixture leaving the cracking module 14, comprising mainly ammonia, is thus conveyed to the combustion chamber 22 without passing through the cell 5.
  • This gaseous mixture is comburated to increase the temperature in the combustion chamber 22 and in the cracking module 14. If the temperature in the combustion chamber 22 is insufficient to allow this combustion, the preheater 26 is activated to reach the minimum temperature allowing combustion, then is deactivated. Combustion, once possible, makes it possible to maintain the temperature in the combustion chamber 22 above this minimum temperature.
  • the predetermined temperature mentioned in the paragraph above is that from which the cracking module 14 allows the cracking of ammonia so that the gaseous mixture leaving the cracking module 14 has an ammonia content below a predetermined threshold.
  • the predetermined temperature is chosen between 450°C and 600°C, for example 550°C. At this temperature, the ammonia content is less than 1000 ppm. It should be noted that the gaseous mixture obtained by cracking ammonia contains approximately 75% by volume of dihydrogen.
  • the bypass valve 30 is closed and the supply valve 20 is opened.
  • the anode 6 of the cell 5 thus begins to be supplied with dihydrogen, which can be oxidized to generate electrical energy in a manner known per se.
  • the gas mixture leaving the anode 6 is then sent to the combustion chamber 22 in order to be combusted to continue to heat the cracking module 14.
  • combustion chamber 22 is fed selectively with the gaseous mixture leaving the cracking module 14 or with the gaseous mixture leaving the cell 5, this selective supply being ensured here by the control of the supply valve 20 and the bypass valve 30.
  • two heat vectors are available, namely the gaseous mixture leaving the cracking module 14 and the gaseous mixture leaving the stack 5, and the one which is the most suitable for the thermal situation of the system 2 to supply the combustion chamber 22, in particular the temperature in the cracking module 14.
  • the control unit 32 commands the metering unit 10 to regulate the supply of the cracking module 14 with ammonia as a function of the temperature of the cracking module 14.
  • the temperature of the cracking module 14 is measured and it is compared, at regular time intervals, with an optimum operating temperature of the cracking module 14.
  • This optimum operating temperature can be defined as corresponding to a sufficient temperature to allow the cracking of the ammonia so that the gaseous mixture leaving the cracking module 14 has an optimum dihydrogen content for the operation of the cell 5.
  • the optimum operating temperature depends on a catalyst which is used in the cracking modulus 14. For a ruthenium catalyst for example, the optimum operating temperature is between 450°C and 600°C, for example 550°C.
  • the metering unit 10 increases the flow rate of ammonia leaving the tank 8. In this way, more ammonia is supplied to the cracking module 14, to the stack 5 then to the combustion chamber 22 for its combustion, which makes it possible to increase the temperature of the cracking module 14.
  • the metering unit 10 reduces the flow of ammonia leaving the tank 8. In this way, less ammonia is supplied to the cracking module 14, to the stack 5 then to the combustion chamber 22 for its combustion, which makes it possible to reduce the temperature of the cracking module 14.
  • the second embodiment of the invention differs from the first mode in that the supply channel 18 includes a purification module 34 located downstream of the supply valve 20.
  • the purification module 34 is configured to reduce the content in ammonia of the gas mixture leaving the second heat exchanger 16, for example at a value of less than 0.1 ppm. This purification step is critical in particular in the case where the cell 5 is of the “PEMFC” type, this type of cell requiring a supply of particularly pure dihydrogen.
  • the gaseous mixture is supplied to the inlet of the anode 6a with a view to the oxidation of the dihydrogen by the cell 5.
  • the control unit 32 allows implementation of the method of thermal management similar to that of the first embodiment.
  • the invention is not limited to the embodiments shown and other embodiments will be apparent to those skilled in the art. It is in particular possible to provide for the presence of a purification module in the power supply system according to the first embodiment of the invention. It is also possible to provide a temperature sensor at the outlet of the cracking module. According to a variant embodiment, the ammonia can be stored in liquid form in the tank.
  • control unit 34 purification module

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Dans ce procédé de gestion thermique dans un système d'alimentation électrique (2) pour véhicule, le système comprenant : - une pile à combustible (5) configurée pour être alimentée en dihydrogène, - un réservoir d'ammoniac (8), - un module de craquage d'ammoniac (14) configuré pour craquer l'ammoniac provenant du réservoir (8) en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et - une chambre de combustion (22) configurée pour chauffer le module de craquage (14), on alimente sélectivement la chambre de combustion (22) avec le mélange gazeux sortant du module de craquage (14) ou avec un mélange gazeux sortant de la pile (5) afin de chauffer le module de craquage (14), et on régule l'alimentation en ammoniac du module de craquage (14) en fonction de la température du module de craquage (14).

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’entraînement, 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’entraînement, 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 peut également être stocké sous forme liquide. L’ammoniac doit être craqué dans un module de craquage afin de former du dihydrogène qui peut alors être fourni à la pile.
La réaction de craquage de l’hydrogène étant endothermique, il est nécessaire d’apporter de la chaleur à l’ammoniac afin de le craquer en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène et du diazote. Ce mélange gazeux peut ensuite servir à alimenter la pile en dihydrogène.
Afin de produire la chaleur pour le craquage, il est connu dans l’état de la technique d’effectuer une combustion d’une partie de l’ammoniac sortant du module de craquage dans une chambre de combustion afin de faire monter la température dans le module de craquage. Cependant, l'état de la technique ne propose pas de méthode concrète pour piloter l’alimentation de la chambre de combustion durant les différentes étapes de fonctionnement de la pile.
L'invention a notamment pour but d’optimiser l’apport de chaleur au module de craquage lors du fonctionnement de la pile à combustible.
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 configurée pour être alimentée en dihydrogène, - un réservoir d’ammoniac,
- un module de craquage d’ammoniac configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et
- une chambre de combustion configurée pour chauffer le module de craquage, caractérisé en ce qu’on alimente sélectivement la chambre de combustion avec le mélange gazeux sortant du module de craquage ou avec un mélange gazeux sortant de la pile afin de chauffer le module de craquage, et on régule l’alimentation en ammoniac du module de craquage en fonction de la température du module de craquage en la comparant à une température prédéterminée d'utilisation optimale du module de craquage de telle sorte que :
- si la température du module de craquage est inférieure à la température prédéterminée d'utilisation optimale, on augmente le débit d'ammoniac fourni au module de craquage, et
- si la température du module de craquage est supérieure à la température prédéterminée d'utilisation optimale, on réduit le débit d'ammoniac fourni au module de craquage.
L’ammoniac possède ainsi deux fonctions dans le système d’alimentation, à savoir servir de précurseur d’hydrogène pour alimenter la pile et servir de source de chaleur pour le module de craquage par combustion dans la chambre de combustion. La régulation du débit d’ammoniac sortant du réservoir permet donc à la fois de gérer la puissance électrique générée par la pile et l’évolution de la température du module de craquage. On comprend ainsi qu’il est possible d’atteindre un débit d’ammoniac permettant d’atteindre un équilibre entre l’alimentation de la pile et le chauffage du module de craquage, cet équilibre étant régulé en fonction de la puissance électrique instantanée que doit fournir la pile au véhicule.
Avantageusement, le système comprend en outre un canal de dérivation reliant la sortie du module de craquage à la chambre de combustion, le canal de dérivation comprenant une valve de dérivation configurée pour permettre ou bloquer le passage de gaz dans le canal de dérivation.
Il est ainsi possible d’alimenter la chambre de combustion en mélange gazeux sans qu’il n’ait transité par la pile.
Dans la présente demande, le terme « valve » est utilisé comme synonyme du terme « vanne », de sorte qu’on peut intervertir toutes les occurrences du terme « valve » par le terme « vanne » sans que cela ne modifie la divulgation de la demande.
Avantageusement, tant que la température du module de craquage est inférieure à une température prédéterminée, on maintient ouverte la valve de dérivation. On alimente ainsi la chambre de combustion avec le mélange gazeux sans qu’il ne transite par la pile. Lorsque le module de craquage présente une température trop faible, le craquage de l’ammoniac ne se produit pas ou peu, si bien que le mélange gazeux sortant du module de craquage ne comporte pas suffisamment de dihydrogène pour alimenter efficacement la pile. On évite donc d’alimenter la pile avec un mélange gazeux inexploitable pour elle. Cela permet en outre de faire augmenter plus rapidement la température du module de craquage que si le mélange gazeux devait transiter, inutilement, par la pile avant d’atteindre la chambre de combustion.
Avantageusement, tant que la température du module de craquage est supérieure à une température prédéterminée, on maintient fermée la valve de dérivation.
Dans ce cas, le module de craquage présente une température suffisamment élevée pour que le craquage de l’ammoniac se produise. Dès lors, le mélange gazeux sortant du module de craquage comporte suffisamment de dihydrogène pour alimenter la pile, si bien qu’il ne faut pas que ce mélange gazeux soit directement fourni à la chambre de combustion.
Avantageusement, on alimente sélectivement la chambre de combustion avec le mélange gazeux sortant du module de craquage ou avec un mélange gazeux sortant de la pile à l’aide de moyens de sélection comprenant la valve de dérivation et une valve d’alimentation.
L’alimentation sélective de la chambre de combustion est ainsi simple à mettre en œuvre au moyen des valves de dérivation et d’alimentation.
Avantageusement, dans un régime transitoire de l’alimentation en ammoniac du module de craquage d’ammoniac, on alimente en ammoniac le module de craquage d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile.
On permet ainsi d’accélérer l’atteinte du régime permanent permis par la régulation du module de craquage d’ammoniac en fonction de la température du module de craquage. En d’autres termes, l’alimentation du module de craquage d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile forme une condition initiale qui permet de faire converger rapidement la régulation vers l’équilibre entre l’alimentation de la pile et le chauffage du module de craquage mentionné plus haut.
Avantageusement, le réservoir d’ammoniac comprend au moins une cartouche de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice, par exemple une matrice en chlorure de calcium.
L’ammoniac est ainsi stocké de manière sûre dans le système.
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 système comprend en outre un module de purification configuré pour réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux entrant dans la pile.
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 configurée pour être alimentée en dihydrogène,
- un réservoir d’ammoniac,
- un module de craquage d’ammoniac configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène,
- une chambre de combustion configurée pour chauffer le module de craquage, et
- une unité de commande configurée pour mettre en œuvre un procédé de gestion thermique tel que défini dans ce qui précède.
On prévoit aussi selon l’invention un véhicule automobile comprenant un système d’alimentation tel que défini ci-dessus.
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 5 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. La pile 5 comprend une anode 6, agencée pour être alimentée en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et une cathode 7, à partir de laquelle l’énergie électrique générée par l’oxydation du dihydrogène est fournie au véhicule 4. Au niveau de l’anode 6, le mélange gazeux entre par une entrée de l’anode 6a et sort par une sortie de l’anode 6b, la teneur en dihydrogène du mélange gazeux à la sortie de l’anode 6b étant inférieur ou égal à sa teneur à l’entrée de l’anode 6a. Ce type de pile étant connue de l’état de la technique, son fonctionnement ne sera pas décrit plus en détails dans ce qui suit.
Le système d’alimentation 2 comprend un réservoir d’ammoniac 8. L’ammoniac est un précurseur de dihydrogène. Ici, le réservoir 8 permet le stockage de l’ammoniac sous forme gazeuse. A cet effet, le réservoir 8 comprend une matrice qui est constituée d’un sel, par exemple du chlorure de calcium, l’ammoniac étant absorbé dans la matrice et éventuellement adsorbée sur la matrice. Le chlorure de calcium est particulièrement adapté dans la mesure où une molécule de chlorure de calcium peut former une liaison avec huit molécules d’ammoniac. On peut toutefois prévoir toute autre forme de stockage de l’ammoniac dans le réservoir 8.
Le système d’alimentation 2 comprend une unité de dosage 10 qui permet de doser la quantité d’ammoniac qui est acheminée du réservoir 8 en direction de la pile 5.
Le système d’alimentation 2 comprend un premier échangeur de chaleur 12 qui permet de préchauffer l’ammoniac sortant de l’unité de dosage 10. On indiquera plus loin comment l’ammoniac est préchauffée dans le premier échangeur de chaleur 12.
Le système d’alimentation 2 comprend un module de craquage d’ammoniac 14, situé en aval de du premier échangeur de chaleur 12 en considérant le sens de circulation de l’ammoniac provenant du réservoir 8, 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. Cette réaction est endothermique, un apport de chaleur est donc nécessaire pour permettre le craquage.
Le système d’alimentation 2 comprend un second échangeur de chaleur 16 qui permet de refroidir le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 avant qu’il n’atteigne la pile 5. La pile 5 n’a pas besoin d’être alimentée en dihydrogène chaud. Le mélange gazeux est refroidi par une admission d’air ambiant dans le second échangeur de chaleur 16. Ainsi, il sort du second échangeur de chaleur, d’une part, un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac refroidi et, d’autre part, de l’air chaud. Le système d’alimentation 2 comprend un canal d’alimentation 18 permettant au mélange gazeux refroidi par le second échangeur de chaleur 16 d’atteindre l’entrée de l’anode 6a de la pile 5. Le canal d’alimentation 18 comprend une valve d’alimentation 20 pouvant prendre une position ouverte dans laquelle elle permet le passage du mélange gazeux vers la pile 5 et une position fermée dans laquelle elle empêche tout passage du mélange gazeux dans le conduit d’alimentation 18.
Le système d’alimentation 2 comprend une chambre de combustion 22 configurée pour chauffer le module de craquage 14 en vue d’apporter de la chaleur nécessaire à la réaction de craquage de l’ammoniac. La chambre de combustion 22 est alimentée avec le mélange gazeux sortant de la sortie de l’anode 6b et l’air chaud sortant du second échangeur de chaleur 16. On comprend ainsi que le préchauffage de l’air dans le second échangeur de chaleur 16 permet de réduire la tendance de l’air entrant dans la chambre de combustion 22 à réduire la température à l’intérieur de celle-ci. Le mélange gazeux peut contenir du dihydrogène car la pile 5 ne consomme généralement pas tout le dihydrogène qui lui est fourni. La combustion de l’ammoniac et du dihydrogène compris dans le mélange gazeux permet d’alimenter le module de craquage 14 en chaleur. La température de la chambre de combustion 22 est mesurée au moyen d’un capteur de température 24. Si la température de la chambre de combustion 22 est insuffisante pour permettre la combustion, par exemple lors d’un démarrage du véhicule 4, un organe de préchauffage 26 permet de générer la chaleur nécessaire pour atteindre la température minimale permettant la combustion. Une fois que la température de la chambre de combustion 22 est supérieure à cette température minimale, l’organe de préchauffage 26 est désactivé. L’organe de préchauffage 26 comprend ici un chauffeur électrique.
Le gaz comburé sortant de la chambre de combustion 22 est alimenté dans le premier échangeur de chaleur 12 afin d’assurer le préchauffage de l’ammoniac sortant de l’unité de dosage 10, comme mentionné plus haut.
Le système d’alimentation 2 comprend un canal de dérivation 28 reliant la sortie, côté mélange gazeux, du second échangeur de chaleur 16 à la chambre de combustion 22. Le canal de dérivation 28 comprend une valve de dérivation 30 pouvant prendre une position ouverte dans laquelle elle permet le passage du mélange gazeux vers la chambre de combustion 22 et une position fermée dans laquelle elle empêche tout passage du mélange gazeux dans le conduit de dérivation 28.
Le système d’alimentation 2 comprend une unité de commande 32 configurée pour commander le fonctionnement des éléments du système d’alimentation, notamment celui de l’unité de dosage 10, de la valve d’alimentation 20 et de la valve de dérivation 30. 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 32.
On suppose que le véhicule 4 est initialement à l’arrêt. Lorsqu’il est mis en marche, la pile doit fournir de l’énergie électrique au véhicule. A cette fin, l’unité de commande 32 commande à l’unité de dosage 10 d’acheminer de l’ammoniac stocké dans le réservoir 8 en direction de la pile 5. Pour une période correspondant à un régime transitoire, l’unité de dosage 10 commande un débit d’ammoniac sortant du réservoir 8 correspondant à un débit de dihydrogène, en supposant une transformation de deux molécules d’ammoniac en trois molécules de dihydrogène, permettant à la pile de générer l’énergie électrique nécessaire pour le fonctionnement du véhicule 4.
Au début de ce régime transitoire, le module de craquage 14 est à une température insuffisante pour permettre le craquage de l’ammoniac. Tant que la température du module de craquage 14 est inférieure à une température prédéterminée, on maintient ouverte la valve de dérivation 30 et on maintient fermée la valve d’alimentation 20. Le mélange gazeux sortant du module de craquage 14, comprenant principalement de l’ammoniac, est ainsi acheminé à la chambre de combustion 22 sans passer par la pile 5. Ce mélange gazeux est comburé pour faire augmenter la température dans la chambre de combustion 22 et dans le module de craquage 14. Si la température dans la chambre de combustion 22 est insuffisante pour permettre cette combustion, l’organe de préchauffage 26 est activé pour atteindre la température minimale permettant la combustion, puis est désactivé. La combustion, une fois possible, permet de maintenir la température dans la chambre de combustion 22 supérieure à cette température minimale.
La température prédéterminée mentionnée dans le paragraphe ci-dessus est celle à partir de laquelle le module de craquage 14 permet le craquage de l’ammoniac de sorte que le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 présente une teneur en ammoniac inférieure à un seuil prédéterminé. Pour un module de craquage 14 utilisant un catalyseur au ruthénium par exemple, la température prédéterminée est choisie entre 450°C et 600°C, par exemple 550°C. A cette température, la teneur en ammoniac est inférieure à 1000 ppm. Il faut noter que le mélange gazeux obtenu par craquage d’ammoniac contient environ 75% en volume de dihydrogène.
Une fois que la température dans le module de craquage 14 atteint la température prédéterminée et tant qu’elle reste supérieure à la température prédéterminée, on ferme la valve de dérivation 30 et on ouvre la valve d’alimentation 20. L’anode 6 de la pile 5 commence ainsi à être alimentée en dihydrogène, qui peut être oxydé pour générer de l’énergie électrique de manière connue en soi. Le mélange gazeux sortant de l’anode 6 est ensuite acheminé à la chambre de combustion 22 en vue d’être comburé pour continuer à chauffer le module de craquage 14.
On comprend qu’on alimente la chambre de combustion 22 de manière sélective avec le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 ou avec le mélange gazeux sortant de la pile 5, cette alimentation sélective étant ici assurée par la commande de la valve d’alimentation 20 et de la valve de dérivation 30. En d’autres termes, on dispose de deux vecteurs de chaleur, à savoir le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 et le mélange gazeux sortant de la pile 5, et on sélectionne celui qui est le plus adapté à la situation thermique du système 2 pour alimenter la chambre de combustion 22, notamment la température dans le module de craquage 14.
Une fois la valve d’alimentation 20 ouverte, l’unité de commande 32 commande à l’unité de dosage 10 une régulation de l’alimentation du module de craquage 14 en ammoniac en fonction de la température du module de craquage 14. A cet effet, on mesure la température du module de craquage 14 et on la compare, à intervalles de temps réguliers, à une température d’utilisation optimale du module de craquage 14. Cette température d’utilisation optimale peut être définie comme correspondant à une température suffisante pour permettre le craquage de l’ammoniac de sorte que le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 présente une teneur en dihydrogène optimale pour le fonctionnement de la pile 5. La température d’utilisation optimale dépend d’un catalyseur qui est utilisé dans le module de craquage 14. Pour un catalyseur au ruthénium par exemple, la température d’utilisation optimale est située entre 450°C et 600°C, par exemple 550°C.
Si le module de craquage 14 présente à sa sortie une température inférieure à la température d’utilisation optimale, alors l’unité de dosage 10 augmente le débit d’ammoniac sortant du réservoir 8. De la sorte, plus d’ammoniac est fourni au module de craquage 14, à la pile 5 puis à la chambre de combustion 22 en vue de sa combustion, ce qui permet d’augmenter la température du module de craquage 14.
Si le module de craquage 14 présente à sa sortie une température supérieure à la température d’utilisation optimale, alors l’unité de dosage 10 réduit le débit d’ammoniac sortant du réservoir 8. De la sorte, moins d’ammoniac est fourni au module de craquage 14, à la pile 5 puis à la chambre de combustion 22 en vue de sa combustion, ce qui permet de réduire la température du module de craquage 14.
La commande du régime transitoire présentée précédemment, par laquelle on commande une alimentation du module de craquage 14 d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile 5, permet d’atteindre rapidement l’équilibre à la température d’utilisation optimale du module de craquage 14. 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 du premier mode en ce que le canal d’alimentation 18 comprend un module de purification 34 situé en aval de la valve d’alimentation 20. Le module de purification 34 est configuré pour réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux sortant du second échangeur de chaleur 16, par exemple à une valeur inférieure à 0,1 ppm. Cette étape de purification est critique notamment dans le cas où la pile 5 est du type « PEMFC », ce type de pile nécessitant une alimentation en dihydrogène particulièrement pur. A la sortie du module de purification 34, le mélange gazeux est fourni à l’entrée de l’anode 6a en vue de l’oxydation du dihydrogène par la pile 5. L’unité de commande 32 permet une mise en œuvre du procédé de gestion thermique similaire à celui du premier mode de réalisation.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est notamment possible de prévoir la présence d’un module de purification dans le système d’alimentation électrique selon le premier mode de réalisation de l’invention. On peut également prévoir un capteur de température à la sortie du module de craquage. Selon une variante de réalisation, l’ammoniac peut être stocké sous forme liquide dans le réservoir.
Liste de références
2 ; 2’ : système d’alimentation électrique
4 : véhicule
5 : pile
6 : anode
7 : cathode
6a : entrée de l’anode
6b : sortie de l’anode
8 : réservoir d’ammoniac
10 : unité de dosage
12 : premier échangeur de chaleur
14 : module de craquage d’ammoniac
16 : second échangeur de chaleur
18 : canal d’alimentation
20 : valve d’alimentation
22 : chambre de combustion
24 : capteur de température - IQ -
26 : organe de préchauffage
28 : canal de dérivation
30 : valve de dérivation
32 : unité de commande 34 : module de purification

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 (5) configurée pour être alimentée en dihydrogène,
- un réservoir d’ammoniac (8),
- un module de craquage d’ammoniac (14) configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir (8) en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et
- une chambre de combustion (22) configurée pour chauffer le module de craquage (14), caractérisé en ce qu’on alimente sélectivement la chambre de combustion (22) avec le mélange gazeux sortant du module de craquage (14) ou avec un mélange gazeux sortant de la pile (5) afin de chauffer le module de craquage (14), et on régule l’alimentation en ammoniac du module de craquage (14) en fonction de la température du module de craquage (14) en la comparant à une température prédéterminée d'utilisation optimale du module de craquage (14) de telle sorte que :
- si la température du module de craquage (14) est inférieure à la température prédéterminée d'utilisation optimale, on augmente le débit d'ammoniac fourni au module de craquage (14), et
- si la température du module de craquage (14) est supérieure à la température prédéterminée d'utilisation optimale, on réduit le débit d'ammoniac fourni au module de craquage (14).
[Revendication 2] Procédé de gestion thermique selon la revendication précédente, dans lequel le système (2 ; 2’) comprend en outre un canal de dérivation (28) reliant la sortie du module de craquage (14) à la chambre de combustion (22), le canal de dérivation (28) comprenant une valve de dérivation (30) configurée pour permettre ou bloquer le passage de gaz dans le canal de dérivation (28).
[Revendication 3] Procédé de gestion thermique selon la revendication 2, dans lequel tant que la température du module de craquage (14) est inférieure à une température prédéterminée, on maintient ouverte la valve de dérivation (30).
[Revendication 4] Procédé de gestion thermique selon la revendication 2 ou 3, dans lequel tant que la température du module de craquage (14) est supérieure à une température prédéterminée, on maintient fermée la valve de dérivation (30).
[Revendication 5] Procédé de gestion thermique selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel on alimente sélectivement la chambre de combustion (22) avec le mélange gazeux sortant du module de craquage (14) ou avec un mélange gazeux sortant de la pile (5) à l’aide de moyens de sélection comprenant la valve de dérivation (30) et une valve d’alimentation (20).
[Revendication 6] Procédé de gestion thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, dans un régime transitoire de l’alimentation en ammoniac du module de craquage (14) d’ammoniac, on alimente en ammoniac le module de craquage (14) d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile (5).
[Revendication 7] Procédé de gestion thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réservoir d’ammoniac (8) comprend au moins une cartouche de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice, par exemple une matrice en chlorure de calcium.
[Revendication 8] Procédé de gestion thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système (2’) comprend en outre un module de purification (34) configuré pour réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux entrant dans la pile (5).
[Revendication 9] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, mis en œuvre à bord d’un véhicule (4).
[Revendication 10] Système d’alimentation électrique pour véhicule (2 ; 2’), caractérisé en ce qu’il comprend :
- une pile à combustible (5) configurée pour être alimentée en dihydrogène,
- un réservoir d’ammoniac (8),
- un module de craquage d’ammoniac (14) configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir (8) en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène,
- une chambre de combustion (22) configurée pour chauffer le module de craquage (14), et - une unité de commande (32) configurée pour mettre en œuvre un procédé de gestion thermique selon la revendication 1.
[Revendication 11] Véhicule automobile (4) comprenant un système d’alimentation (2 ; 2’) selon la revendication précédente.
EP21810375.2A 2020-11-19 2021-11-18 Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule Withdrawn EP4248509A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2011857A FR3116386A1 (fr) 2020-11-19 2020-11-19 Procédé de gestion thermique d’un système à pile à combustible de véhicule
PCT/EP2021/082201 WO2022106568A1 (fr) 2020-11-19 2021-11-18 Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4248509A1 true EP4248509A1 (fr) 2023-09-27

Family

ID=74592120

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21810375.2A Withdrawn EP4248509A1 (fr) 2020-11-19 2021-11-18 Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4248509A1 (fr)
JP (1) JP2023549615A (fr)
KR (1) KR20230110252A (fr)
FR (1) FR3116386A1 (fr)
WO (1) WO2022106568A1 (fr)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11994061B2 (en) 2021-05-14 2024-05-28 Amogy Inc. Methods for reforming ammonia
US11724245B2 (en) 2021-08-13 2023-08-15 Amogy Inc. Integrated heat exchanger reactors for renewable fuel delivery systems
JP2024521417A (ja) 2021-06-11 2024-05-31 アモジー インコーポレイテッド アンモニアを処理するためのシステムおよび方法
US11539063B1 (en) 2021-08-17 2022-12-27 Amogy Inc. Systems and methods for processing hydrogen
US11840449B1 (en) * 2022-08-06 2023-12-12 First Ammonia Motors, Inc. Systems and methods for the catalytic production of hydrogen from ammonia on-board motor vehicles
CN115431742B (zh) * 2022-09-19 2024-06-25 佛山仙湖实验室 一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统
US11834334B1 (en) 2022-10-06 2023-12-05 Amogy Inc. Systems and methods of processing ammonia
EP4598869A1 (fr) * 2022-10-06 2025-08-13 Amogy Inc. Systèmes et procédés de traitement d'ammoniac
US11866328B1 (en) 2022-10-21 2024-01-09 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia
US11795055B1 (en) 2022-10-21 2023-10-24 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia
CN116122992B (zh) * 2023-04-17 2023-07-11 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室) 一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统
KR102747413B1 (ko) * 2023-07-21 2024-12-27 에스케이이노베이션 주식회사 바이패스 라인을 통해 크래커 내 반응을 제어하는 암모니아 분해 방법 및 이를 이용한 장치

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2017540C3 (de) * 1970-04-13 1973-01-04 Varta Ag, 6000 Frankfurt Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff
JP2003040602A (ja) * 2001-07-30 2003-02-13 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池用水素製造装置
WO2013119281A1 (fr) * 2012-02-10 2013-08-15 Shawn Grannell Système procédé et appareil de craquage de l'ammoniac par flamme

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022106568A1 (fr) 2022-05-27
JP2023549615A (ja) 2023-11-28
FR3116386A1 (fr) 2022-05-20
KR20230110252A (ko) 2023-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP4248509A1 (fr) Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule
CN113874609A (zh) 发动机系统
EP1688608A1 (fr) Circuit de recirculation des gaz d'echappement
WO2011151560A1 (fr) Moteur a combustion interne alimente en carburant muni d'un circuit de recirculation des gaz d'echappement a basse pression et d'un systeme de production d'hydrogene supplementaire
EP4315463A1 (fr) Systeme et procede de refroidissement d'une pile a combustible
CN100524925C (zh) 燃料电池系统
JP4720667B2 (ja) 内燃機関の蒸発燃料処理装置
US10439237B2 (en) Fuel cell system and control of collector and burner when stopped
CN111149245B (zh) 快速加热燃料电池系统的方法
EP4222799A1 (fr) Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule
EP4127429A1 (fr) Système de stockage et de délivrance d'ammoniac
JP4971664B2 (ja) 燃料電池システムおよびその運転方法
EP1593171A1 (fr) Systeme de reformatage de carburant pour l'alimentation d'une pile a combustible de vehicule automobile et procede de mise en oeuvre
EP1733446B1 (fr) Dispositif et procede de refroidissement d'un module de puissance d'une pile a combustible
US8637200B2 (en) Fuel cell system operating process
EP1730806B1 (fr) Procede de regulation de la pression d'un gaz d'echappement d'une pile a combustible de maniere a reguler l'aptitude a la condensation de ce gaz
WO2024132954A1 (fr) Système thermique pour véhicule automobile
EP4639655A1 (fr) Système et procede de gestion des flux gazeux et thermiques en sortie de pile à combustible pour alimenter un moteur thermique a hydrogene ou son dispositif de post-traitement
WO2022136281A1 (fr) Procédé de gestion thermique d'un système de stockage d'ammoniac
FR2896917A1 (fr) Vehicule automobile comprenant une pile a combustible et utilisation d'une telle pile
FR2899022A1 (fr) Dispositif et procede de mise en temperature lors du demarrage d'un systeme de pile a combustible embarque sur un vehicule automobile
JP2002211902A (ja) 水素供給装置
WO2017006025A1 (fr) Circuit de recirculation de gaz d'echappement pour un moteur thermique a allumage commande
FR2915319A1 (fr) Dispositif et procede de mise en temperature lors du demarrage d'un systeme de pile a combustible embarque a bord d'un vehicule automobile
FR2861220A1 (fr) Dispositif et procede de prechauffage d'un systeme pile a combustible

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230616

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20240601