FR2860924A1 - Power module for motor vehicle, has control system controlling valve for supplying fuel cell by hydro carbonated fuel reformer or hydrogen storage tank based on external temperature and electrical power required by vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif de pile à combustible autonome en eauSelf-contained fuel cell device
La présente invention concerne un module de puissance pour véhicule automobile comprenant un dispositif de pile à combustible et un procédé de gestion de l'eau circulant dans un tel module de puissance. The present invention relates to a power module for a motor vehicle comprising a fuel cell device and a method for managing the water flowing in such a power module.
Les piles à combustible permettent la conversion directe de l'énergie libre d'une réaction chimique d'oxydo-réduction en énergie électrique et apparaissent comme l'une des technologies les plus prometteuses du moment dans le domaine de l'automobile, pour répondre aux exigences de réduction de la pollution et de la consommation. Fuel cells allow the direct conversion of the free energy of a redox chemical reaction into electrical energy and appear as one of the most promising technologies of the moment in the automotive field, to meet requirements for pollution reduction and consumption.
Cependant, un inconvénient des piles à combustible réside dans là gestion de l'eau. En effet, dans un système de pile à combustible, il existe deux consommateurs d'eau pure: la pile et le réformeur, et un seul producteur d'eau: la pile. Dans le cas d'une architecture de système de traction de véhicule automobile à pile à combustible, fonctionnant par exemple avec de l'essence, le réformeur est un grand consommateur d'eau. Il convient donc de récupérer suffisamment d'eau liquide à la sortie de la pile, afin que le véhicule soit autonome en eau et ne nécessite pas, par exemple un réservoir d'eau à remplir régulièrement. However, a disadvantage of fuel cells lies in the management of water. Indeed, in a fuel cell system, there are two consumers of pure water: the battery and the reformer, and a single producer of water: the battery. In the case of a motor vehicle fuel cell traction system architecture, operating for example with gasoline, the reformer is a large consumer of water. It is therefore necessary to recover enough liquid water at the outlet of the battery, so that the vehicle is self-sufficient in water and does not require, for example a water tank to be filled regularly.
Diverses possibilités existent pour contrôler la gestion de l'eau au sein d'un véhicule automobile. Various possibilities exist to control the management of water within a motor vehicle.
La seule source d'eau est constituée par la pile qui, de par son fonctionnement, transforme en particulier l'hydrogène et l'oxygène en eau pure. Cette eau produite se trouve sous forme de deux phases, une phase liquide et une phase vapeur. Afin de pouvoir récupérer suffisamment d'eau pour les besoins de la pile, comme par exemple pour l'humidification des gaz en entrée de la pile, et, pour le fonctionnement du réformeur, les solutions suivantes ont été proposées. The only source of water is the battery which, by its operation, transforms in particular hydrogen and oxygen into pure water. This produced water is in the form of two phases, a liquid phase and a vapor phase. In order to be able to recover enough water for the needs of the battery, for example for the humidification of the gases entering the cell, and, for the operation of the reformer, the following solutions have been proposed.
L'eau peut être condensée grâce à l'utilisation d'une source froide, de l'ordre de 30 C par exemple. Toutefois, un véhicule doit pouvoir fonctionner sur une plage de température large, par exemple entre -20 C à +45 C. Il est donc difficile de conserver au sein d'un véhicule une source froide de l'ordre de 30 C, sauf si un système de climatisation est utilisé. Water can be condensed through the use of a cold source, of the order of 30 C for example. However, a vehicle must be able to operate over a wide temperature range, for example between -20 C to +45 C. It is therefore difficult to keep within a vehicle a cold source of the order of 30 C, unless an air conditioning system is used.
Une autre solution consiste en une augmentation de la pression du système jusqu'à 4 bars par exemple, afin de faciliter la récupération d'eau liquide en diminuant la quantité d'eau présente sous forme vapeur. Another solution is an increase in the system pressure up to 4 bars, for example, to facilitate the recovery of liquid water by reducing the amount of water present in vapor form.
Une autre solution est décrite dans la demande de brevet WO 00 42671, et consiste en un contrôle de la température de l'empilement des cellules de la pile à combustible par la boucle de refroidissement du moteur. Cela nécessite un circuit du type climatisation permettant une chute de température importante pour la condensation des gaz de la pile et la récupération de l'eau nécessaire au fonctionnement du système. Another solution is described in patent application WO 00 42671, and consists of controlling the temperature of the stack of cells of the fuel cell by the engine cooling loop. This requires a circuit of the air conditioning type allowing a significant drop in temperature for the condensation of the gases of the battery and the recovery of the water necessary for the operation of the system.
Ces solutions connues sont très consommatrices d'énergies, à cause de la source froide de type circuit de climatisation, nécessitant de l'énergie ou à cause de l'augmentation de la pression des réactifs de la pile et donc de la pression de fonctionnement du système, ce qui nécessite également de l'énergie pour le groupe de compression. These known solutions are very energy consuming, because of the cold source type air conditioning circuit, requiring energy or because of the increase in the pressure of the reagents of the battery and therefore the operating pressure of the system, which also requires energy for the compression group.
Dans tous les cas, le rendement du système diminue à cause de la consommation d'énergie nécessaire pour obtenir une pile à combustible autonome en eau pure. In all cases, the efficiency of the system decreases because of the energy consumption necessary to obtain a self-contained fuel cell in pure water.
Il est donc intéressant de disposer de moyens permettant d'obtenir un module de puissance constitué d'un réformeur, d'une pile à combustible et de différents auxiliaires, permettant de récupérer l'eau produite par la pile pour alimenter le réformeur et cette même pile. L'invention a pour objet l'obtention d'un système de gestion de l'eau autonome, c'est-à-dire dont la production d'eau est supérieure ou égale à la consommation d'eau sur une large gamme de puissance et de températures extérieures afin d'obtenir un véhicule automobile autonome dans son besoin en eau pure. It is therefore advantageous to have means for obtaining a power module consisting of a reformer, a fuel cell and various auxiliaries, for recovering the water produced by the battery to power the reformer and this same battery. The object of the invention is to obtain an autonomous water management system, that is to say one whose water production is greater than or equal to the consumption of water over a wide range of power. and outside temperatures in order to obtain an autonomous motor vehicle in its need for pure water.
L'invention a pour objet un module de puissance pour véhicule automobile comprenant un dispositif de pile à combustible alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif réformeur de carburant hydrocarboné autonome en eau, limitant ainsi les pertes de rendement, 'ainsi qu'un procédé de gestion de l'eau circulant au sein de ce module de puissance. The subject of the invention is a power module for a motor vehicle comprising a fuel cell device fed with hydrogen-rich gas by a hydrocarbon fuel reformer device which is autonomous in water, thus limiting yield losses, and a process management of the water circulating within this power module.
Le module de puissance pour véhicule automobile, selon l'invention comprend un dispositif de pile à combustible alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif réformeur de carburant hydrocarboné fonctionnant à la pression atmosphérique. Ce module comprend un réservoir de stockage d'hydrogène embarqué à bord du véhicule, une vanne d'alimentation en hydrogène montée sur l'alimentation en hydrogène de la pile à combustible et un moyen de commande capable de piloter la vanne d'alimentation afin d'alimenter la pile à combustible soit par le dispositif réformeur, soit par le réservoir de stockage, ledit moyen de commande recevant des signaux de commande en provenance d'un capteur de la température extérieure et d'un moyen de mesure de la puissance électrique demandée. The power module for a motor vehicle according to the invention comprises a fuel cell device fed with hydrogen-rich gas by a hydrocarbon fuel reformer device operating at atmospheric pressure. This module comprises a hydrogen storage tank on board the vehicle, a hydrogen supply valve mounted on the hydrogen supply of the fuel cell and a control means capable of driving the supply valve in order to supplying the fuel cell either by the reformer device or by the storage tank, said control means receiving control signals from an outdoor temperature sensor and a means for measuring the requested electrical power .
Dans un mode de réalisation préféré, le module de puissance comporte un circuit de recirculation de l'eau produite par le dispositif de pile à combustible vers la partie cathodique de ladite pile à combustible et vers le réformeur, une vanne d'obturation pilotée par ledit moyen de commande étant montée dans le circuit de recirculation de façon à pouvoir interdire le retour de l'eau vers le réformeur. In a preferred embodiment, the power module comprises a recirculation circuit of the water produced by the fuel cell device to the cathode portion of said fuel cell and to the reformer, a shutter valve controlled by said control means being mounted in the recirculation circuit so as to prevent the return of water to the reformer.
Le procédé de l'invention de gestion de l'eau circulant dans un module de puissance comprenant un dispositif de pile à combustible alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif réformeur de carburant hydrocarboné fonctionnant à pression atmosphérique consiste à arrêter le fonctionnement du dispositif réformeur, à alimenter le dispositif de pile à combustible par de l'hydrogène stocké dans le réservoir embarqué à bord du véhicule en fonction de la température extérieure et de la puissance électrique nécessaire, de façon à maintenir un bilan de consommation d'eau positif ou nul dans le module de puissance. The method of the invention for managing water flowing in a power module comprising a fuel cell device fed with hydrogen-rich gas by a hydrocarbon fuel reformer device operating at atmospheric pressure consists in stopping the operation of the reformer device supplying the fuel cell device with hydrogen stored in the tank on board the vehicle as a function of the outside temperature and the necessary electric power, so as to maintain a positive or zero water consumption balance in the power module.
Avantageusement, lorsque la température extérieure est inférieure à une valeur seuil, le système de commande est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène, afin d'autoriser le passage du flux d'hydrogène produit par le réformeur et le réservoir de carburant vers l'anode de la pile à combustible, et afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réservoir d'hydrogène. Advantageously, when the outside temperature is below a threshold value, the control system is able to control the hydrogen supply valve, to allow the passage of the hydrogen flow produced by the reformer and the fuel tank to the anode of the fuel cell, and to prohibit the exit of the hydrogen stream from the hydrogen tank.
Lorsque la température extérieure est supérieure à la valeur seuil précédemment mentionnée, le système de commande analyse la demande de puissance électrique requise par le véhicule. When the outside temperature is above the previously mentioned threshold value, the control system analyzes the demand for electrical power required by the vehicle.
Si cette demande est inférieure à une certaine valeur de puissance, le système de commande est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène, afin d'autoriser le passage du flux d'hydrogène produit par le réformeur et le réservoir de carburant vers l'anode de la pile à combustible, et afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réservoir d'hydrogène. If this request is lower than a certain power value, the control system is able to control the hydrogen supply valve, to allow the passage of the hydrogen flow produced by the reformer and the fuel tank to the anode of the fuel cell, and to prohibit the exit of the hydrogen stream from the hydrogen tank.
Si cette demande est supérieure à la valeur de puissance précédemment mentionnée, le système de commande est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène, afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réformeur et d'interdire l'alimentation en eau de réformeur, et afin d'autoriser le passage du flux l'hydrogène du réservoir vers l'anode de la pile à combustible. If this request is greater than the previously mentioned power value, the control system is able to control the hydrogen supply valve, in order to prevent the exit of the reformer's hydrogen stream and to prohibit the supply of hydrogen. reformer water, and in order to allow the flow of hydrogen flow from the tank to the anode of the fuel cell.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un exemple de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure 1 représentant très schématiquement un module de puissance selon l'invention. The invention will be better understood from the study of the detailed description of an exemplary embodiment taken by way of non-limiting example and illustrated by Figure 1 very schematically showing a power module according to the invention.
Sur la figure 1, est représenté un réservoir à hydrogène 1, muni d'une conduite 2 amenant l'hydrogène à une vanne trois voies 3 d'alimentation en hydrogène. La conduite 2 est munie d'une vanne 4, montée à la sortie du réservoir d'hydrogène 1. Un réservoir de carburant 5 alimente en carburant un réformeur 6, via une conduite 7. Une entrée d'air 8 permet d'alimenter en oxygène le réformeur 6, via une conduite 9. L'hydrogène produit dans le réformeur 6 est amené à la vanne d'alimentation en hydrogène 3, via une conduite 10. La vanne d'alimentation en hydrogène 3 est commandée, via la connexion 1la par un système de commande 11, recevant des signaux d'un capteur de température extérieure 12 et d'un moyen de mesure de la puissance électrique demandée 13. L'hydrogène fourni par le réservoir à hydrogène 1 ou par le réformeur 6 et, dont le flux est commandé par la vanne d'alimentation en hydrogène 3 est amené via la conduite 14 à la partie anodique 15 d'une pile à combustible 16. La pile à combustible 16 est constituée d'une partie anodique 15, d'une cellule de refroidissement 17 et d'une partie cathodique 18. L'entrée d'air 8, via une conduite 19 permet d'alimenter la partie cathodique 18 de la pile à combustible 16 en oxygène. Le liquide de refroidissement, refroidissant la pile à combustible 16 circule dans la pile à combustible par la cellule 17, sort de cette cellule 17 et donc de la pile 16 via la conduite 20, traverse un condenseur cathodique 21, puis. une pompe 22, un vase d'expansion 23, et un radiateur 24, pour être enfin réinjecté dans la pile à combustible 16. In Figure 1, there is shown a hydrogen reservoir 1, provided with a pipe 2 bringing the hydrogen to a three-way valve 3 for supplying hydrogen. The pipe 2 is provided with a valve 4, mounted at the outlet of the hydrogen tank 1. A fuel tank 5 supplies fuel to a reformer 6, via a pipe 7. An air inlet 8 supplies fuel The reformer 6 is fed to the hydrogen supply valve 3 via a pipe 10. The hydrogen supply valve 3 is controlled via the connection by a control system 11, receiving signals from an external temperature sensor 12 and a means for measuring the electrical power demanded 13. The hydrogen supplied by the hydrogen reservoir 1 or by the reformer 6 and, of which the flow is controlled by the hydrogen supply valve 3 is fed via the pipe 14 to the anode portion 15 of a fuel cell 16. The fuel cell 16 consists of an anode portion 15, a cell 17 and a cathode portion 18. air tren 8, via a pipe 19 to supply the cathode portion 18 of the fuel cell 16 with oxygen. The coolant, cooling the fuel cell 16 circulates in the fuel cell through the cell 17, out of this cell 17 and thus the cell 16 via the pipe 20 passes through a cathode condenser 21, then. a pump 22, an expansion tank 23, and a radiator 24, to be finally reinjected into the fuel cell 16.
L'eau produite sur la partie cathodique 18 de la pile à combustible 16 sort de la pile à combustible 16 par la conduite 25, pour traverser le condenseur cathodique 21. A la sortie du condenseur 21, l'eau est sous forme d'eau liquide. La conduite 26 amène cette eau liquide dans un réservoir à eau 27. Le réservoir 27 alimente en eau le réformeur 6, via la conduite 29, la pompe 28, et la conduite 31. Une vanne d'obturation 30 est montée dans la conduite 31 et est pilotée par le système de commande 11, via la connexion 30a. L'eau stockée dans le réservoir 27, sert aussi à humidifier les gaz à l'entrée de la partie cathodique 18 via la conduite 29, la pompe 28, et le branchement 33 munie d'une vanne 32, qui peut également d'être commandée par le système de commande 11, via une connexion 32a. The water produced on the cathode portion 18 of the fuel cell 16 leaves the fuel cell 16 through the pipe 25, to pass through the cathode condenser 21. At the outlet of the condenser 21, the water is in the form of water liquid. Line 26 brings this liquid water into a water tank 27. Tank 27 supplies water to reformer 6 via line 29, pump 28 and line 31. A shut-off valve 30 is mounted in line 31. and is controlled by the control system 11 via the connection 30a. The water stored in the reservoir 27, is also used to humidify the gas at the inlet of the cathode portion 18 via the pipe 29, the pump 28, and the branch 33 provided with a valve 32, which can also be controlled by the control system 11 via a connection 32a.
L'ajout dans le système de pile à combustible, comprenant la pile 16 et le réformeur 6 d'un réservoir de stockage 1 d'hydrogène pur embarqué à bord du véhicule, placé en parallèle du réformeur 6, et apte à faire fonctionner la pile à combustible permet de faire fonctionner l'ensemble du système à la pression atmosphérique tout en assurant au véhicule une autonomie en eau. De plus, cet ajout permet de ne recourir ni à une augmentation de la pression de fonctionnement, ni à une source froide d'une température inférieure à la température extérieure. Le rendement du système pile à combustible est donc maximisé et n'est pas dégradé pour satisfaire le besoin d'eau pure du module de puissance. The addition in the fuel cell system, comprising the battery 16 and the reformer 6 of a pure hydrogen storage tank 1 on board the vehicle, placed in parallel with the reformer 6, and able to operate the battery The fuel system makes it possible to operate the entire system at atmospheric pressure while ensuring the vehicle autonomy in water. In addition, this addition makes it possible to use neither an increase in the operating pressure nor a cold source with a temperature below the outside temperature. The efficiency of the fuel cell system is maximized and is not degraded to meet the pure water requirement of the power module.
La gestion de l'eau circulant dans le module de puissance est faite de la manière suivante. The management of the water circulating in the power module is done in the following manner.
Lorsque la température extérieure est inférieure à une première valeur seuil, par exemple +45 C telle que détectée par le capteur 12, le système de commande 11 pilote la vanne d'alimentation en hydrogène 3, afin d'autoriser le passage du flux d'hydrogène produit par le réformeur 6 vers la partie anodique 15 de la pile à combustible 16. Simultanément la sortie du flux d'hydrogène provenant du réservoir d'hydrogène 1 est interdite. When the outside temperature is below a first threshold value, for example +45 C as detected by the sensor 12, the control system 11 controls the hydrogen supply valve 3, in order to allow the passage of the flow of hydrogen produced by the reformer 6 to the anode portion 15 of the fuel cell 16. Simultaneously the output of the hydrogen stream from the hydrogen reservoir 1 is prohibited.
Lorsque la température extérieure est supérieure à cette première valeur seuil, le système de commande 11 analyse la demande de puissance électrique requise par le véhicule, qui lui est fournie par le moyen 13. Lorsque cette demande de puissance est inférieure à une valeur de puissance prédéterminée, par exemple 70kW, le système de commande 11 pilote la vanne d'alimentation en hydrogène 3, afin d'autoriser le passage du flux d'hydrogène produit par le réformeur 6 vers la partie anodique 15 de la pile à combustible 16. Simultanément la sortie du flux d'hydrogène provenant du réservoir d'hydrogène 1 est interdite. When the outside temperature is higher than this first threshold value, the control system 11 analyzes the demand for electrical power required by the vehicle, which is supplied to it by means 13. When this power demand is lower than a predetermined power value for example 70kW, the control system 11 controls the hydrogen supply valve 3 to allow the flow of hydrogen produced by the reformer 6 to pass to the anode portion 15 of the fuel cell 16. Simultaneously the Exiting the hydrogen stream from the hydrogen tank 1 is prohibited.
Lorsque la température extérieure est supérieure à la valeur seuil mentionnée ci-dessus, le système de commande analyse la demande de puissance électrique requise par le véhicule, qui lui est fournie par le moyen 13. Si cette demande est supérieure à la valeur de puissance mentionnée ci-dessus, le système de commande 11 pilote la vanne d'alimentation 3 en hydrogène, afin d'autoriser le passage du flux l'hydrogène du réservoir 1 vers la partie anodique 15 de la pile à combustible 16. Simultanément, la sortie du flux d'hydrogène du réformeur 6 et l'alimentation en eau de réformeur 6, via la vanne d'obturation 30 sont interdites. When the outside temperature is above the threshold value mentioned above, the control system analyzes the demand for electric power required by the vehicle, which is supplied by the means 13. If this request is greater than the power value mentioned above, the control system 11 drives the supply valve 3 in hydrogen, in order to allow the passage of the flow of hydrogen from the tank 1 to the anode portion 15 of the fuel cell 16. At the same time, the outlet of the Hydrogen stream of the reformer 6 and the reformer water supply 6 via the shut-off valve 30 are prohibited.
Lorsque la puissance électrique demandée est forte, et lorsque la température extérieure est élevée, par exemple supérieure à +50 C, le fonctionnement du réformeur 6 est alors arrété. Ainsi son besoin en eau annulé. Le véhicule fonctionne, alors avec l'hydrogène stocké dans le réservoir à hydrogène 1 embarqué. Seuls les besoins en eau de l'humidification des gaz en entrée de la pile à combustible 16 demeurent. Ces besoins étant minimes, la récupération d'eau liquide produite par la pile à combustible 16 à la pression atmosphérique est suffisante pour satisfaire les besoins de fonctionnement de ladite pile à combustible 16. When the electrical power required is high, and when the outside temperature is high, for example greater than +50 C, the operation of the reformer 6 is then stopped. So his need for water canceled. The vehicle operates, then with the hydrogen stored in the onboard 1 hydrogen tank. Only the water requirements for the humidification of the gases entering the fuel cell 16 remain. These needs being minimal, the recovery of liquid water produced by the fuel cell 16 at atmospheric pressure is sufficient to meet the operating needs of said fuel cell 16.
Le dispositif de stockage d'hydrogène 1 muni du système de commande 11 permet ainsi pour tous les couples: puissance demandée / température extérieure, l'obtention d'un bilan d'eau pure positif, afin d'assurer l'autonomie en eau du véhicule automobile. La pile à combustible présente donc un rendement maximisé. The hydrogen storage device 1 provided with the control system 11 thus makes it possible for all the couples: requested power / external temperature, to obtain a positive pure water balance, in order to ensure the autonomy in water of the motor vehicle. The fuel cell thus has a maximized yield.
Ce dispositif fonctionne donc sur une large plage de température extérieure tout en utilisant un réformeur de carburant et une pression de fonctionnement atmosphérique. De même, le besoin d'une source froide de type climatisation afin de refroidir les flux gazeux pour condenser l'eau pure n'est plus nécessaire, pour obtenir un bilan d'eau pure positif. This device therefore operates over a wide range of outdoor temperatures while using a fuel reformer and an atmospheric operating pressure. Similarly, the need for an air conditioning type cold source to cool the gas flow to condense the pure water is no longer necessary, to obtain a positive pure water balance.
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