FR2866476A1 - Dispositif de refroidissement des composants electroniques sous capot moteur pour pile a combustible - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de refroidissement des composants électroniques d'un système pile à combustible équipé d'un condenseur (6), d'une turbine (4) entraînant un compresseur (3) alimentant en air comprimé une pile à combustible (1 ) et d'un refroidisseur (2) d'air comprimé en entrée de pile, caractérisé en ce que le dispositif comprend en plus des moyens de répartition d'air comprimé situés entre le condenseur (6) et la turbine (4) apte à répartir au moins une partie de l'air comprimé entre la turbine (4) et les composants électroniques de puissances (7) pilotant le système pile à combustible.
Description
Dispositif de refroidissement des composants
électroniques sous capot moteur pour pile à combustible La présente invention est relative à un dispositif destiné à refroidir des composants électroniques sous capot moteur pour pile à combustible et en particulier à de tels dispositifs io comprenant une turbine entraînant un compresseur qui alimente en air un système pile à combustible.
Les piles à combustible permettent d'obtenir de l'énergie électrique sous forme d'un courant continu à partir d'un combustible, notamment l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène. La particularité de ces piles par rapport aux autres générateurs électrochimiques est l'alimentation continue en combustible, et donc en hydrogène. Les matières actives ne sont donc pas stockées dans les électrodes mais fournies continûment pendant toute la durée du fonctionnement de la pile.
Les composants électroniques de puissance embarqués dans un véhicule tels que des onduleurs, des convertisseurs haute tension / basse tension ou encore des convertisseurs basse tension / haute tension sont destinés à piloter le moteur électrique de traction du véhicule. Ce moteur électrique qui est alimenté par un système pile à combustible embarqué dans le véhicule, nécessite un refroidissement plus performant de ses composants électroniques que celui utilisé pour refroidir les calculateurs des moteurs à combustion interne conventionnels. Ces calculateurs sont habituellement placés sous le capot avant du véhicule de façon à ce qu'il soient refroidis par convection avec de l'air frais. Cependant le refroidissement thermique de ces composants électroniques de puissance ne bénéficie généralement d'aucune étude spécifique, ce qui ne peut pas être envisagé pour des composants pilotant le moteur électrique d'un véhicule.
En effet, l'implantation des composants électroniques de puissance d'un véhicule équipé d'un système pile à combustible doit tenir compte de leurs pertes thermiques plus importantes qui sont de l'ordre de 1 à 5 kW. Un des problèmes de ces composants spécifiques est que leur température de jonction en silicium doit être inférieure à leur valeur critique. Cette valeur critique dépend de la technologie des composants électroniques employée et est comprise dans une plage de températures allant zo de 125 C à 175 C. Le refroidissement de ces composants doit en outre prendre en compte le fait que plus leur température de jonction en silicium est élevée, plus leur refroidissement est aisé.
Afin de remédier ä ce problème, les solutions actuelles de refroidissement utilisent des plaques à eau brasées positionnées sous l'assemblage des composants. Ces systèmes utilisent du liquide de refroidissement conventionnel destiné à refroidir les moteurs à combustion interne. Un des inconvénients de cette solution est l'implantation d'un circuit de refroidissement secondaire dans le véhicule, ce qui entraîne un surcoût à la conception du système. De plus, dans le cas des composants électroniques intégrés à une chaîne de traction à pile à combustible, ce système de refroidissement oblige un fonctionnement permanent de la pompe électrique servant au refroidissement de la pile à combustible. Ce système nécessite en outre une pompe électrique spécifique supplémentaire pour les composants électroniques. Cette alternative entraîne une augmentation de la consommation électrique du véhicule et du coût du système de refroidissement.
Une autre solution consiste à refroidir les composants par convection forcée d'air à l'aide d'un ventilateur électrique. Un des inconvénients d'un tel système est qu'il fait augmenter la consommation électrique du système et qu'il est une source de bruit non négligeable. Des solutions proposent d'utiliser l'air compris dans le collecteur d'admission du moteur thermique comme le propose le document US-5713322, ou l'air pris à l'avant du véhicule comme dans le document US-5671802 ou encore l'air habituellement utilisé pour la ventilation de l'habitacle comme le présentent les documents US-566981 et s G B-2343164.
L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de refroidissement des composants électroniques sous capot moteur pour pile à combustible amélioré.
La présente invention concerne donc un dispositif de io refroidissement des composants électroniques d'un système pile à combustible équipé d'un condenseur, d'une turbine entraînant un compresseur alimentant en air comprimé une pile à combustible et d'un refroidisseur d'air comprimé en entrée de pile, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en plus des moyens de répartition dudit air comprimé situés entre ledit condenseur et ladite turbine apte à répartir au moins une partie dudit air comprimé entre ladite turbine et les composants électroniques de puissances pilotant le système pile à combustible.
La présente invention permet donc d'avoir un système avec de bonnes capacités d'échange grâce à l'utilisation de l'air comprimé humide en sortie de pile à combustible. Ces gaz sous haute pression saturés en vapeur d'eau ont une caractéristique d'échange thermique bien meilleure à celle de l'air sec. De plus, le système selon l'invention exploite le fluide sous pression existant dans le système pile à combustible en faisant l'économie d'un dispositif de pompage supplémentaire. Cette solution permet donc de réduire les coûts relatifs à la consommation énergétique et de diminuer le niveau des nuisances sonores.
De préférence, le dispositif de refroidissement selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes: - le dispositif comprend des moyens de régulation du débit d'air comprimé à travers le moyen de répartition pour refroidir les composants électroniques de puissance; - le moyen de répartition comprend une vanne multi-voies; - les composants électroniques de puissances sont refroidis par l'air comprimé issu d'une sortie du condenseur par 5 une canalisation; - l'air comprimé ayant refroidi les composants électroniques de puissance est ensuite envoyé à la turbine par une canalisation; - les composants électroniques de puissance sont refroidis to par l'air comprimé issu d'une sortie de la turbine par une canalisation; et - l'air comprimé ayant refroidi les composants électroniques de puissance est ensuite envoyé à l'extérieur du véhicule par une canalisation.
L'invention concerne également un véhicule comprenant un tel dispositif de refroidissement des composants électroniques d'un système pile à combustible.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et 20 illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de refroidissement des composants électroniques utilisant une partie de l'air humide sous pression en sortie de condenseur; - la figure 2 représente schématiquement un dispositif de refroidissement des composants électroniques utilisant l'air humide sous pression en sortie de condenseur; et - la figure 3 représente schématiquement un dispositif de refroidissement des composants électroniques utilisant l'air humide sous pression en sortie de turbine.
Bien que pouvant s'appliquer de façon générale à tous types de dispositifs à piles à combustible, l'invention sera plus particulièrement illustrée à titre d'exemple dans le cadre d'un véhicule automobile fonctionnant avec un système de traction à pile à combustible.
Tel qu'il est représenté sur la figure 1, le dispositif à pile à combustible est équipé d'une pile à combustible 1 proprement dite qui est alimentée en hydrogène par une canalisation 15. L'hydrogène utilisé comme combustible peut être embarqué à bord du véhicule dans un réservoir spécifique non représenté, soit être produit par un dispositif de reformage d'un carburant primaire classique tel que du diesel, de l'essence, du naphta, de l'alcool, un ester ou un hydrocarbure en présence d'air et de vapeur d'eau. La pile à combustible 1 est en outre alimentée en air dont la pressurisation est assurée par un compresseur 3 via un refroidisseur 2 à travers les canalisations 13 et 14. Le type de compresseur employé dépend de la technologie de la pile à combustible et peut fournir jusqu'à 5 bar de pression d'air. En sortie de pile à combustible 1, un courant électrique est destiné à alimenter le moteur électrique de traction par la canalisation 16.
L'air utilisé pour refroidir les composants électroniques de puissance est issu de la pile à combustible 1. Cet air comprimé comprend un taux d'humidité important acquis lors de la réaction chimique dans la pile à combustible 1. Ce taux d'humidité confert à ce fluide de refroidissement des qualités d'échange thermique plus performantes que de l'air comportant un faible taux d'humidité et à pression atmosphérique. En sortie de pile à combustible 1, l'air comprimé arrive dans un condenseur 6 par une canalisation 17. Après avoir recueilli l'eau en excès dans le condenseur 6, l'air toujours sous pression arrive par une canalisation 18 dans une vanne multi-voies 5 où une partie de l'air humide est utilisé pour refroidir les composants électroniques 7 via un radiateur brasé non représenté placé sous les composants 7. Ce radiateur peut être fabriqué dans un matériau poreux ou usiné avec des ailettes, dont les performances sont augmentées grâce au taux d'humidité très important de l'air. La vanne multi-voies 5 peut être commandée par un organe de régulation 23 en fonction des besoins de refroidissement des composants électroniques 7 et de la turbine 4.
La vanne multi-voies 5 peut alimenter la turbine 4 par la canalisation 10 et l'air est ensuite évacué de la turbine 4 par la canalisation 11. La turbine 4 entraîne mécaniquement le compresseur 3 qui assure une compression de l'air de l'ordre de 2 à 5 bar via une canalisation 13. Dans la pile à combustible, l'oxygène est introduit sous pression par de l'air comprimé grâce à un système de compression 3. L'air y est appauvri en oxygène et se charge en humidité en atteignant sensiblement un taux de 100%. L'eau, sous forme vapeur ou liquide, est ensuite récupérée thermiquement par des moyens utilisant un condenseur 6. Les gaz sortant du condenseur sont amenés à une température assez basse de l'ordre de 60 C mais restent à un is taux d'humidité de l'ordre de 100% et à une pression élevée comprise entre 0,2 et 0,3 bar en dessous de la pression de fonctionnement de la pile. De ce fait, ces gaz sous pression saturés de vapeur d'eau obtiennent une caractéristique d'échange thermique supérieure à celle de l'air sec.
Selon l'invention, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, sur laquelle les organes identiques portent les mêmes références, le dispositif de refroidissement des composants électroniques 7 utilise la totalité de l'air humide sous pression en sortie de condenseur 6 ou une partie de l'air sous pression si une canalisation, non représentée, reliant la canalisation 20 à la canalisation 21 comprend un moyen permettant de réguler le débit d'air entrant dans les composants électroniques 7. Ce moyen de régulation, non représenté, permet de réduire la perte de charge crée par les composants électroniques 7 si le débit d'air humide est très important. Les gaz en sortie de condenseur 6 sont à une pression élevée et leur température d'environ 60 C est suffisante pour refroidir de tels composants.
Selon l'invention, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, sur laquelle les organes identiques portent les mêmes références, les composants électroniques 7 sont refroidis par la totalité des gaz sortant de la turbine 4 dont la température et la pression sont sensiblement inférieurs à ceux des modes de réalisation précédents. En effet, il se produit une détente des gaz dans la turbine 4 qui provoque une diminution du niveau de pression et de température en sortie de turbine 4, ce qui permet d'obtenir un fluide de refroidissement plus froid que les gaz récupérés en sortie de condenseur 6. De même que dans le mode de réalisation représenté en figure 2, une partie des gaz lo sous pression sortant de la turbine 4 peut être utilisée pour refroidir les composants électroniques 7 en ajoutant un moyen de régulation sur une canalisation dérivée, non représentés, reliée à la canalisation 1 1 de façon à diminuer la perte de charge crée par les composants électroniques 7. Cette canalisation dérivée permet de réduire la contre pression à la sortie de la turbine si le débit des gaz est important.
La présente invention permet donc d'utiliser un fluide thermique qui refroidit les composants électroniques de puissance d'un système équipé d'une pile à combustible sans ajouter de moyens de pressurisation de ce fluide. Le refroidissement de tels composants est fait de façon économique en utilisant le circuit global du comburant déjà embarqué dans le véhicule et fournit un fluide de refroidissement apte à les refroidir efficacement en limitant les nuisances sonores liées à l'ajout d'un système supplémentaire de pompage.
Claims (8)
1. Dispositif de refroidissement des composants électroniques d'un système pile à combustible équipé d'un condenseur (6), d'une turbine (4) entraînant un compresseur (3) alimentant en air comprimé une pile à combustible (1) et d'un zo refroidisseur (2) d'air comprimé en entrée de pile, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en plus des moyens de répartition dudit air comprimé situés entre ledit condenseur (6) et ladite turbine (4) apte à répartir au moins une partie dudit air comprimé entre ladite turbine (4) et les is composants électroniques de puissances (7) pilotant le système pile à combustible.
2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation (23) du débit d'air comprimé à travers le moyen de répartition (5) pour refroidir les composants électroniques de puissance (7).
3. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de 25 répartition comprend une vanne multivoies (5).
4. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants électroniques de puissances (7) sont refroidis par l'air comprimé issu d'une sortie du condenseur (6) par une canalisation (20).
5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'air comprimé ayant refroidi les composants électroniques de puissance (7) est ensuite envoyé à la turbine (4) par une canalisation (21).
6. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants électroniques de puissance (7) sont refroidis par l'air comprimé issu d'une sortie de la turbine (4) par une canalisation (Il).
io
7. Dispositif de refroidissement selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'air comprimé ayant refroidi les composants électroniques de puissance (7) est ensuite envoyé à l'extérieur du véhicule par une canalisation (9).
8. Véhicule comprenant un dispositif de refroidissement des composants électroniques d'un système pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 7.
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