FR2863105A1 - Dispositif de degel d'un reservoir d'eau unite auxiliaire de puissance apu - Google Patents

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Abstract

L'invention s'applique à un dispositif de dégel d'un réservoir d'eau (4) d'une unité auxiliaire de puissance APU d'un système pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène (3) à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie électrique (1) à partir d'hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible étant prévue pour fournir une puissance électrique au véhicule, des moyens (2) permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système, un moyen de stockage de l'eau (4) produite par l'installation, un échangeur thermique (8), un clapet (9), une ligne d'échappement (7), une pompe (5), un capteur de température (17) compris dans le réservoir (4) et une unité de commande électronique (24), caractérisée en ce que l'installation comporte en plus un système de commande (24) de la température dans le moyen de stockage de l'eau (4).

Description

Dispositif de dégel d'un réservoir d'eau d'une unité
auxiliaire de puissance APU L'invention concerne un dispositif de dégel d'un réservoir d'eau d'une unité auxiliaire de puissance APU.
Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles. La pile à combustible est alors lo embarquée à bord du véhicule.
Une pile à combustible est constituée principalement de deux électrodes, une anode et une cathode, qui sont séparées par un électrolyte. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydo-réduction suivantes: - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, qui alimente l'anode en continu; et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la cathode en continu.
Les piles à combustible utilisées pour fournir de l'énergie électrique à bord de véhicules automobiles sont généralement du type à électrolyte solide, notamment à électrolyte formé par une membrane en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) en guise de combustible et de comburant respectivement.
Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec les gaz d'échappement une quantité non négligeable de substances polluantes, la pile à combustible offre notamment l'avantage de rejeter principalement de l'eau qui est produite par la réaction de réduction à la cathode.
La pile rejette aussi une partie du comburant qui n'a pas réagi sous forme de gaz d'évacuation cathodique et elle rejette éventuellement une partie du carburant qui n'a pas réagi sous forme de gaz d'évacuation anodique. Dans ce dernier cas, le carburant est généralement brûlé avant d'être rejeté dans l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau.
De plus, le comburant d'une pile du type décrit 5 précédemment peut être de l'air ambiant dont l'oxygène (02) est réduit.
Le comburant est généralement humidifié avant d'être injecté à la cathode de façon que la membrane en matériau polymère ne soit pas endommagée, par exemple par io assèchement. Cette opération d'humidification est également appliquée au carburant lorsque ce dernier ressort de l'anode via un orifice d'évacuation anodique.
L'eau nécessaire à l'humidification de la membrane est généralement récupérée en sortie de pile, et plus is particulièrement dans les gaz d'évacuation cathodique qui comportent de l'eau, sous forme liquide ou vapeur, qui est produite par la réaction de réduction du comburant à la cathode.
La récupération d'eau à la sortie de la cathode présente en effet l'avantage de ne pas avoir à renouveler fréquemment les réserves d'eau du véhicule. Le générateur d'électricité pile à combustible essence permet l'utilisation d'un carburant classique du type essence qui est facilement stockable dans le véhicule et largement disponible grâce au réseau de distribution existant.
En phase de fonctionnement normal, le système reformeur reforme le carburant et produit un débit de reformât riche en hydrogène. Cet hydrogène alimente la pile à combustible qui délivre un courant électrique permettant d'assurer avec la batterie la propulsion du véhicule par l'intermédiaire d'un moteur électrique.
Mais, un des inconvénients de la présence d'un tel système reformeur est la consommation en eau du reformeur. Afin d'avoir un système compatible avec une application automobile, il est nécessaire d'assurer l'autonomie en eau du système, c'est-à-dire un système où la récupération permet de compenser la consommation d'eau du reformeur et donc ne demandant pas le remplissage d'un réservoir d'eau par le conducteur.
Les paramètres influents sur l'autonomie en eau, c'est-à-dire dans le cas d'une récupération permettant de compenser la consommation du reformeur, sont la pression de fonctionnement et la température du circuit de refroidissement.
Pour assurer cette autonomie en eau, il est nécessaire de lo récupérer de l'eau sous forme liquide. Cette récupération nécessite une source suffisamment froide en température. Par exemple, dans le cas d'une application automobile, la température la plus froide atteignable en un point du système est d'une dizaine de degrés Celsius supérieure à la température extérieure. Par forte chaleur, lorsque le système fonctionne à faible pression, ce niveau de température ne permet pas de récupérer suffisamment d'eau liquide et demande donc une augmentation de la pression de fonctionnement afin de faciliter la récupération d'eau liquide.
L'unité auxiliaire de puissance d'électricité (APU) est une application de la pile à combustible destinée à générer de la puissance électrique pour les équipements électriques d'un véhicule conventionnel. L'APU peut soit remplacer l'alternateur, soit être exclusivement destiné à de nouveaux équipements électriques (par exemple: climatisation électrique en remplacement de la climatisation mécanique). De plus, la pile du système est de type PEM (Proton Exchange Membrane), puisque cette technologie de pile semble actuellement la plus adaptée pour l'application automobile. L'APU peut soit intégrer un reformeur permettant de produire un gaz riche en hydrogène, le reformât, à partir du carburant du véhicule, soit fonctionner par de l'hydrogène embarqué dans un réservoir sous pression.
Le reformage du carburant est une opération qui consomme de l'eau pure c'est à dire de l'eau déionisée. Les systèmes déjà connus dans l'état de l'art incluent des dispositifs de récupération de l'eau pure produite par la pile lors de son fonctionnement, afin d'être autonomes en eau. L'eau ainsi récupérée est stockée dans un réservoir tampon qui alimente le reformeur.
Dans le cas d'une température ambiante négative, il faut au préalable procéder au dégel de la glace contenue dans le réservoir tampon afin de pouvoir alimenter le reformeur en eau. La quantité d'eau à dégeler peut être relativement importante io étant donné les volumes à remplir dans le circuit d'eau pure (conduits, pompe, filtres, injecteurs) avant d'atteindre le reformeur. Si le dégel est obtenu en brûlant du carburant ceci est pénalisant pour la consommation. Par exemple, le dégel de l kg de glace avec une résistance électrique nécessite la combustion de 23g d'essence, en supposant un rendement de conversion du carburant vers l'électricité de 1/3. Un des objets de la présente invention consiste donc à obtenir le dégel du réservoir tampon en consommant le moins de carburant possible.
Le document US-6103410 propose d'injecter une faible quantité d'hydrogène dans l'air qui alimente la cathode d'une pile à combustible afin d'accélérer la montée en température de la pile et de dégeler la glace formée dans la pile. Un des inconvénients de ce type de système est qu'il dégèle la pile elle-même et ne dégèle pas l'eau envoyée dans la pile pour l'humidification de la membrane, et que ce procédé a un coût énergétique en raison de la consommation d'hydrogène.
Le document US-20030072984 propose de chauffer rapidement la pile par de l'air comprimé envoyé à la pile en bypassant l'échangeur thermique qui refroidit l'air en amont de la pile en fonctionnement normal. Lors d'un démarrage à température négative ceci permet de dégeler la glace contenue dans la pile, mais ne dégèle pas l'eau envoyée dans la pile pour l'humidification de la membrane. De même, un des inconvénients de ce système est qu'il a un coût énergétique en raison de la consommation du compresseur.
Le document EP-1205992 propose l'isolation thermique du liquide de refroidissement de la pile après l'arrêt de cette dernière. Lors du redémarrage, le liquide ainsi maintenu chaud permet de chauffer et éventuellement de dégeler divers composants du système pile à combustible. L'inconvénient de cette solution est d'être inefficace si la durée d'arrêt du système io est importante, la chaleur stockée étant progressivement perdue par des échanges thermiques inévitables.
Le document JP-2003086214 propose de chauffer le conduit d'eau pure alimentant la pile afin de dégeler la glace formée en cas de températures négatives. L'objectif de ce brevet est de réduire autant que possible l'énergie consommée par l'opération de dégel ce qui implique que la source thermique entraîne une consommation d'énergie importante.
L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de dégel d'un réservoir d'eau d'une unité auxiliaire de puissance 20 APU amélioré.
La présente invention fournit un dispositif de dégel d'un réservoir d'eau d'une unité auxiliaire de puissance APU d'un système pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, des moyens permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système, un moyen de stockage de l'eau produite par ladite installation, un échangeur thermique, un clapet, une ligne d'échappement, une pompe, un capteur de température compris dans ledit réservoir et une unité de commande électronique, caractérisée en ce que l'installation comporte en plus un système de commande de la température dans ledit moyen de stockage de l'eau.
Un des avantages de la solution proposée est qu'elle permet de liquéfier la glace contenue dans le réservoir d'eau pure d'un système APU en cas de températures négatives. Cette liquéfaction, réalisée grâce aux calories récupérées sur les gaz d'échappement du moteur thermique, n'entraîne pas de consommation supplémentaire de carburant. La solution proposée favorise en outre le rendement énergétique du système APU en cas de températures ambiantes proches de la température à laquelle l'eau gèle.
io Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - un moyen permettant de faire évoluer la température de l'eau comprise dans le moyen de stockage de l'eau; - le moyen permettant de faire évoluer la température de l'eau contenue dans le moyen de stockage de l'eau comporte un ls échangeur thermique; - le système de commande de la température dans le moyen de stockage de l'eau dévie les gaz d'échappement issus du moteur thermique en aval d'un catalyseur principal via une conduite, à travers l'échangeur thermique; - le système de commande de la température dans le moyen de stockage de l'eau pilote un moyen permettant de faire passer les gaz d'échappement du moteur du véhicule soit à travers l'échangeur, soit vers l'échappement; - la conduite amenant les gaz d'échappement vers l'échangeur entre dans le réservoir dans sa partie supérieure; et - une pompe destinée à alimenter en eau la pile à combustible est immergée dans le réservoir d'eau.
La présente invention concerne en outre un procédé de dégel d'un réservoir d'eau d'une unité auxiliaire de puissance APU, d'un système pile à combustible comprenant un échangeur thermique, un clapet, une ligne d'échappement, une pompe, un capteur de température compris dans ledit réservoir et une unité de commande électronique, le procédé opérant en mesurant la température dans le réservoir d'eau au démarrage du moteur thermique; en commandant le clapet de façon à diriger les gaz d'échappement du moteur vers l'échangeur, si la température mesurée est proche de la température à laquelle l'eau gèle; en actionnant la pompe pour alimenter en eau le reformeur, dès que la température dans le réservoir atteint un seuil Ts prédéfini; et en pilotant le clapet de façon à diriger les gaz d'échappement du moteur vers le circuit d'échappement habituel, dès que la température dans le réservoir atteint un seuil Ts prédéfini.
La présente invention s'applique en outre à un véhicule comprenant un dispositif de dégel d'un réservoir d'eau d'une io unité auxiliaire de puissance APU à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible ou utilisant un procédé de dégel d'un réservoir d'eau d'une unité auxiliaire de puissance APU.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un 15 mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de production d'électricité qui est embarquée à bord d'un véhicule automobile et comprenant un système de démarrage de l'APU en cas de températures négatives selon l'invention.
La solution proposée à la figure 1 consiste à valoriser la chaleur des gaz d'échappement du moteur thermique dans un dispositif APU intégrant un reformeur. Toutefois, il pourrait être aisément transposé au cas d'un APU intégrant un réservoir d'hydrogène, dans ce dernier cas l'eau pure serait consommée non pas par le reformeur 3 mais par le stack 1 de la pile à combustible pour l'humidification de la membrane. Dans les deux cas l'eau pure est produite à la cathode 10 de la pile.
Le périmètre du dispositif proposé inclut: - un stack 1 de la pile à combustible qui est un assemblage de cellules constituées d'une anode 12 et d'une cathode 10 séparées par un électrolyte 1 1, le stack 1 alimentant des consommateurs électriques 21 embarqués dans le véhicule; - un dispositif 2 de production d'air sous pression, par exemple un compresseur alimentant le reformeur 3 et la cathode 10 de la pile; - un reformeur 3 alimenté en carburant, en air et en eau respectivement par les conduites 13, 14 et 15. Le reformeur 3 produit un gaz riche en hydrogène, le réformât, qui est envoyé à l'anode 12 du stack 1 de la pile à combustible; - un réservoir d'eau 4, une pompe à eau 5 et un ou plusieurs filtres 6. Le réservoir 4 est alimenté par de l'eau produite à la io cathode 10 de la pile par la conduite 16 et condensée grâce à un dispositif de condensation, non représenté. Un capteur de température 17 permet de mesurer la température de l'eau contenue dans le réservoir - une ligne d'échappement 7 du moteur thermique du véhicule 15 comprenant un collecteur d'échappement 18, un catalyseur d'amorçage 19 et un catalyseur principal 20.
Un échangeur thermique 8 est implanté dans le réservoir d'eau 4 et est traversé, le cas échéant, par les gaz d'échappement du moteur en aval du catalyseur principal 20. Un système de clapet 9 permet de diriger la totalité ou seulement une partie des gaz d'échappement du moteur vers l'échangeur 8. Ce clapet est commandé par une unité de commande électronique, l'UCE 24, qui contrôle l'ensemble du système APU.
La logique de fonctionnement du dispositif est la suivante: - au démarrage du moteur thermique, l'UCE 24 mesure la température dans le réservoir d'eau 4. Si cette température est négative, alors l'UCE 24 commande le clapet 9 de façon à diriger les gaz d'échappement du moteur vers l'échangeur 8. La chaleur cédée par les gaz d'échappement permet de liquéfier la glace. Dès que la température dans le réservoir d'eau atteint un seuil Ts prédéfini, l'UCE 24 actionne une pompe 5 pour alimenter en eau le reformeur 3 et le clapet 9 est piloté de façon à diriger les gaz d'échappement du moteur vers le circuit d'échappement habituel; - une fois que la température dans le réservoir 4 a atteint le seuil Ts, il est nécessaire de by-passer l'échangeur 8 afin d'éviter une augmentation trop forte de la température dans le réservoir 4, ce qui aurait entraîné l'évaporation de l'eau. La pompe à eau 5 est positionnée près du réservoir 4 afin de faciliter la liquéfaction de la glace contenue dans le tronçon de conduit 22 entre le réservoir et la pompe. De façon avantageuse la pompe 5 peut également être immergée dans le réservoir 4. Afin de pouvoir fournir le plus rapidement possible de l'eau io liquide à la pompe 5, l'échangeur 8 peut être installée de préférence dans la partie inférieure du réservoir 4.
- dès que le stack 1 de la pile commence à fonctionner elle produit de l'eau à la cathode 10 qui est récupérée à travers un dispositif de condensation, non représenté, et envoyée au réservoir 4 par la conduite 16.
Afin d'établir le plus rapidement possible la circulation de l'eau ainsi récupérée vers la pompe 5, la conduite 23 qui amène les gaz d'échappement vers l'échangeur 8 peut entrer dans le réservoir 4 dans sa partie supérieure. La glace à proximité immédiate de conduite 23 étant rapidement liquéfiée, ceci permet d'établir un chenal d'eau liquide entre la partie inférieure du réservoir 4 contenant de l'eau liquide et la partie supérieure contenant de la glace. Ceci permet à l'eau produite par le stack 1 de la pile et envoyée dans la partie supérieure du réservoir 4 d'être remise en circulation par la pompe 5 sans attendre la fonte de la partie supérieure de la glace contenue dans le réservoir 4.
Avec une telle invention le dégel de l'eau pure n'entraîne pas de consommation de carburant et un tel système ne prélève pas de chaleur au brûleur intégré à l'APU. Il permet soit de sous- dimensionner le brûleur, soit de monter plus rapidement en température les composants de l'APU lors d'un démarrage à température ambiante négative.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de dégel d'un réservoir d'eau (4) d'une unité auxiliaire de puissance APU d'un système pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène (3) à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie lo électrique (1) à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, des moyens (2) permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système, un moyen de stockage de l'eau (4) produite par ladite installation, un échangeur thermique (8), un clapet (9), une ligne d'échappement (7), une pompe (5), un capteur de température (17) compris dans ledit réservoir (4) et une unité de commande électronique (24), caractérisée en ce que l'installation comporte en plus un 20 système de commande (24) de la température dans ledit moyen de stockage de l'eau (4).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen (8) permettant de faire évoluer la 25 température de l'eau comprise dans le moyen de stockage de l'eau (4).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen (8) permettant de faire évoluer la température de 30 l'eau contenue dans le moyen de stockage de l'eau (4) comporte un échangeur thermique.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de commande (24) de la température dans le moyen de stockage de l'eau (4) dévie les gaz d'échappement issus du moteur thermique en aval d'un catalyseur principal (20) via une conduite (23), à travers l'échangeur thermique (8).
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisée en ce que le système de commande (24) de la température dans le moyen de stockage de l'eau (4) pilote un moyen (9) permettant de faire passer les gaz d'échappement du moteur du véhicule soit à travers l'échangeur (9), soit vers l'échappement.
6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que la conduite amenant les gaz d'échappement vers l'échangeur (8) entre dans le réservoir (4) dans sa partie supérieure.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une pompe (5) destinée à alimenter en eau la pile à combustible est immergée dans le réservoir d'eau (4).
8. Procédé de dégel d'un réservoir d'eau (4) d'une unité auxiliaire de puissance APU, d'un système pile à combustible comprenant un échangeur thermique (8), un clapet (9), une ligne d'échappement (7), une pompe (5), un capteur de température (17) compris dans ledit réservoir (4) et une unité de commande électronique (24), le procédé opérant - en mesurant la température dans le réservoir d'eau au démarrage du moteur thermique; - en commandant le clapet (9) de façon à diriger les gaz d'échappement du moteur vers l'échangeur (8), si la température mesurée est proche de la température à laquelle l'eau gèle; - en actionnant la pompe (5) pour alimenter en eau le reformeur (3), dès que la température dans le réservoir atteint un seuil Ts prédéfini; et - en pilotant le clapet (9) de façon à diriger les gaz d'échappement du moteur vers le circuit d'échappement habituel, dès que la température dans le réservoir atteint un seuil Ts prédéfini.
9. Véhicule comprenant un dispositif de dégel d'un réservoir d'eau (4) d'une unité auxiliaire de puissance APU (1) à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible, selon l'une des revendications 1 à 7 ou utilisant un lo procédé de dégel d'un réservoir d'eau (4) d'une unité auxiliaire de puissance APU (1) selon la revendication 8.
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