FR2868605A1 - Cooling device for power module, has auxiliary coolant circuit assembled on main coolant circuit, and having duct that traverses lower temperature part of heater to cool coolant to temperature lower than that of main circuit`s coolant - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif et procédé de refroidissement d'un module de puissanceDevice and method for cooling a power module
d'une pile à combustible.a fuel cell.
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de refroidissement d'un module de puissance d'une pile à combustible, équipant notamment un véhicule automobile. The present invention relates to a device and a cooling method of a power module of a fuel cell, including equipping a motor vehicle.
Les piles à combustible permettent la génération d'électricité par une réaction électrochimique entre un élément anodique et un élément cathodique, et sont connues pour alimenter en énergie des moteurs électriques de véhicules à propulsion électrique. Fuel cells allow the generation of electricity by an electrochemical reaction between an anode element and a cathode element, and are known to supply energy to electric motors of electrically propelled vehicles.
Les piles à combustible nécessitent une alimentation en carburant constitué d'un gaz riche en hydrogène. L'alimentation peut être assurée, dans le cas d'une application à un véhicule de transport, par stockage d'hydrogène dans un réservoir embarqué. Le stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule présente cependant des dangers et requiert des réservoirs de masse élevée. Une solution intéressante consiste à fabriquer l'hydrogène in situ à partir d'un carburant facilement stockable dans le véhicule, tel que le méthanol ou l'essence, au moyen d'un reformeur. Lors de la procédure de reformage, la quantité d'eau nécessaire pour permettre de transformer le carburant et de produire de l'hydrogène est non négligeable. Dans ces conditions, pour qu'une pile à combustible soit utilisable dans le cas d'une application à un véhicule de transport, il est indispensable que le volume d'eau consommé par la pile à combustible soit inférieur ou égal au volume d'eau produit. En d'autres termes, il est indispensable que le bilan d'eau de la pile à combustible soit positif. Fuel cells require a fuel supply consisting of a hydrogen-rich gas. The supply can be ensured, in the case of an application to a transport vehicle, by storing hydrogen in an on-board tank. The storage of hydrogen in a vehicle, however, presents dangers and requires high mass tanks. An interesting solution is to make the hydrogen in situ from an easily storable fuel in the vehicle, such as methanol or gasoline, by means of a reformer. During the reforming procedure, the amount of water needed to convert the fuel and produce hydrogen is not negligible. Under these conditions, for a fuel cell to be usable in the case of an application to a transport vehicle, it is essential that the volume of water consumed by the fuel cell is less than or equal to the volume of water. product. In other words, it is essential that the water balance of the fuel cell is positive.
Les piles à combustibles nécessitent une alimentation en hydrogène et en air comprimé. Avant l'introduction de ces gaz à l'intérieur de la pile, il est nécessaire de les refroidir à la température de fonctionnement de la pile afin d'éviter une condensation pouvant provoquer un disfonctionnement, et d'éviter un assèchement de la membrane de la pile. Fuel cells require a supply of hydrogen and compressed air. Before the introduction of these gases into the cell, it is necessary to cool them to the operating temperature of the cell in order to avoid condensation which can cause a malfunction, and to prevent drying of the cell membrane. the battery.
On connaît, par la demande de brevet US 2002/000 4152, un dispositif permettant de refroidir une pile à combustible ainsi que l'hydrogène et l'air alimentant respectivement la cathode et l'anode de ladite pile. Cependant, un tel dispositif ne prévoit pas de moyens permettant de refroidir les gaz d'échappement de la pile à combustible afin que la pile puisse être autonome et applicable à un véhicule de transport. Patent application US 2002/000 4152 discloses a device for cooling a fuel cell as well as hydrogen and air respectively supplying the cathode and the anode of said battery. However, such a device does not provide means for cooling the exhaust gas of the fuel cell so that the battery can be autonomous and applicable to a transport vehicle.
La demande de brevet EP-A-O 741 428 prévoit un dispositif de refroidissement d'une pile à combustible comprenant un circuit principal d'eau pure déionisée, traversant la pile à combustible, et équipé d'un échangeur thermique traversé par le premier fluide du circuit principal et par un second fluide d'un circuit secondaire apte à refroidir le premier fluide. Le circuit secondaire comprend également un moyen apte à chauffer le second fluide lors du démarrage à froid de la pile à combustible afin qu'elle atteigne rapidement sa température de fonctionnement optimal. Un tel dispositif possède l'inconvénient de ne pas prévoir de refroidissement d'élément autre que la pile à combustible et nécessite un moyen spécifique afin d'assurer une mise en température rapide de la pile à combustible lors d'une phase de démarrage à froid. The patent application EP-A-0 741 428 provides a device for cooling a fuel cell comprising a main circuit of pure deionized water, passing through the fuel cell, and equipped with a heat exchanger through which the first fluid of the circuit passes. main and a second fluid of a secondary circuit adapted to cool the first fluid. The secondary circuit also includes a means for heating the second fluid during cold start of the fuel cell so that it quickly reaches its optimum operating temperature. Such a device has the disadvantage of not providing cooling element other than the fuel cell and requires specific means to ensure a rapid warm-up of the fuel cell during a cold start phase .
La présente invention a pour objet de prévoir un dispositif de refroidissement d'un module de puissance d'une pile à combustible permettant d'assurer de façon simplifiée et particulièrement efficace le refroidissement des composants du module de puissance de la pile à combustible. The object of the present invention is to provide a cooling device for a power module of a fuel cell making it possible to simplify and particularly efficiently cool the components of the power module of the fuel cell.
La présente invention a également pour objet de prévoir un dispositif de refroidissement d'un module de puissance d'une pile à combustible permettant notamment de valoriser la chaleur générée par le module de puissance, lorsque le module de puissance sert d'auxiliaire à l'unité principale d'un véhicule à moteur thermique classique, pour préchauffer le moteur thermique et chauffer l'habitacle du véhicule automobile. Another object of the present invention is to provide a device for cooling a power module of a fuel cell, in particular enabling the heat generated by the power module to be valorised, when the power module serves as an auxiliary to the power module. main unit of a conventional thermal engine vehicle, for preheating the engine and heating the passenger compartment of the motor vehicle.
A cet effet, le dispositif de refroidissement d'un module de puissance, comprenant une pile à combustible avec une partie anodique et une partie cathodique, pour véhicule automobile muni d'un groupe moto-propulseur équipé d'un circuit principal de fluide caloporteur comprend un circuit auxiliaire de fluide caloporteur, en dérivation sur le circuit principal. Le circuit auxiliaire traverse des composants du module de puissance. For this purpose, the cooling device of a power module, comprising a fuel cell with an anode portion and a cathode portion, for a motor vehicle equipped with a power unit equipped with a main heat transfer fluid circuit comprises an auxiliary coolant circuit, in branch on the main circuit. The auxiliary circuit passes through components of the power module.
Avec un tel dispositif, il est possible d'utiliser la chaleur générée dans le module de puissance, notamment lorsque le module de puissance sert d'auxiliaire à l'unité principale d'un véhicule à moteur thermique classique, pour préchauffer ou maintenir le moteur thermique à chaud dans le but de réduire la surconsommation et Ies émissions du moteur lors du démarrage à froid. With such a device, it is possible to use the heat generated in the power module, especially when the power module serves as an auxiliary to the main unit of a conventional thermal engine vehicle, to preheat or maintain the engine thermal heating in order to reduce overconsumption and engine emissions during cold start.
Le circuit principal de fluide caloporteur traverse un échangeur de chaleur apte à permettre un réchauffement de l'habitacle du véhicule automobile. The main heat transfer fluid circuit passes through a heat exchanger adapted to allow a warming of the passenger compartment of the motor vehicle.
Il devient ainsi possible avec un tel dispositif d'utiliser la chaleur engendrée dans le module de puissance pour chauffer l'habitacle du véhicule, notamment lorsque le moteur thermique est arrêté. It thus becomes possible with such a device to use the heat generated in the power module to heat the passenger compartment of the vehicle, especially when the engine is stopped.
De préférence, le circuit principal traverse une partie haute température d'un radiateur apte à refroidir le fluide caloporteur, le circuit auxiliaire traversant une partie basse température du radiateur apte à refroidir le fluide caloporteur à une température inférieure à la température du fluide caloporteur dans le circuit principal. Preferably, the main circuit passes through a high temperature portion of a radiator adapted to cool the heat transfer fluid, the auxiliary circuit passing through a low temperature portion of the radiator adapted to cool the heat transfer fluid to a temperature below the temperature of the heat transfer fluid in the main circuit.
Avec un tel dispositif, il devient ainsi possible de refroidir les éléments de l'ensemble du module de puissance et le groupe motopropulseur à différents niveaux de température, avec un même fluide caloporteur. Ceci est réalisable notamment grâce au radiateur comprenant une entrée et deux sorties. Il est toutefois envisageable de prévoir deux radiateurs distincts. With such a device, it thus becomes possible to cool the elements of the entire power module and the powertrain at different temperature levels, with the same heat transfer fluid. This is achievable in particular thanks to the radiator comprising an inlet and two outlets. However, it is conceivable to provide two separate radiators.
Un tel dispositif permet également d'engendrer un coût restreint de fabrication. II nécessite uniquement de prévoir un circuit auxiliaire de fluide caloporteur, en dérivation sur le circuit principal, comprenant la partie basse température du radiateur. Il n'est pas nécessaire de prévoir la circulation d'un autre fluide, par exemple un fluide frigorigène, engendrant un surcoût énergétique particulièrement important afin d'obtenir une température de refroidissement relativement basse. Such a device also makes it possible to generate a limited cost of manufacture. It only requires to provide an auxiliary heat transfer fluid circuit, in branch on the main circuit, including the low temperature part of the radiator. It is not necessary to provide for the circulation of another fluid, for example a refrigerant, generating a particularly high additional energy cost in order to obtain a relatively low cooling temperature.
Le dispositif de refroidissement présente l'avantage d'être particulièrement économique en permettant une circulation par une seule pompe du fluide caloporteur dans le circuit principal et dans le circuit auxiliaire, à des niveaux de température différents. The cooling device has the advantage of being particularly economical by allowing a circulation by a single pump of the heat transfer fluid in the main circuit and in the auxiliary circuit, at different temperature levels.
Dans un mode de réalisation, le circuit auxiliaire comprend une conduite d'entrée située en aval de la partie basse température du radiateur et une conduite de retour située en amont du groupe moto- propulseur. In one embodiment, the auxiliary circuit comprises an inlet pipe located downstream of the low temperature portion of the radiator and a return pipe located upstream of the power unit.
Dans un autre mode de réalisation, le circuit auxiliaire comprend une conduite d'entrée située en aval de la partie basse température du radiateur et une conduite de retour située en aval du groupe motopropulseur Le circuit auxiliaire de fluide caloporteur comprend avantageusement un échangeur de chaleur traversé par le fluide caloporteur et par un fluide de refroidissement d'une boucle de refroidissement spécifique à la pile à combustible. In another embodiment, the auxiliary circuit comprises an inlet pipe located downstream of the low temperature portion of the radiator and a return pipe located downstream of the power unit. The heat transfer fluid auxiliary circuit advantageously comprises a heat exchanger which is crossed. by the coolant and by a cooling fluid of a cooling loop specific to the fuel cell.
Le dispositif présente l'avantage de comprendre une boucle de refroidissement spécifiquement conçue pour accueillir de l'eau déionisée. Il est ainsi possible d'utiliser un fluide de refroidissement présentant une faible conductivité électrique, par exemple inférieure à 4 micro siemens par cm, pour réaliser un refroidissement efficace de la pile. L'utilisation d'un fluide présentant une faible conductivité électrique permet, en outre, d'assurer une bonne isolation électrique des pôles de la pile à combustible. The device has the advantage of including a cooling loop specifically designed to accommodate deionized water. It is thus possible to use a cooling fluid having a low electrical conductivity, for example less than 4 micrometers per cm, to achieve efficient cooling of the cell. The use of a fluid having a low electrical conductivity also makes it possible to ensure good electrical insulation of the poles of the fuel cell.
De plus, cette boucle de refroidissement spécifique à la pile à combustible permet l'établissement d'un débit important assurant une régulation précise de la température de la pile. Le dispositif permet d'éviter ainsi de concevoir un circuit principal et un circuit auxiliaire apte à recevoir de l'eau déionisée. In addition, this cooling loop specific to the fuel cell allows the establishment of a high flow rate ensuring accurate control of the battery temperature. The device thus avoids designing a main circuit and an auxiliary circuit capable of receiving deionized water.
Le dispositif peut avantageusement comprendre un reformeur et un compresseur alimentant respectivement en hydrogène et en air la pile à combustible. Le circuit auxiliaire comprend un échangeur de chaleur préanodique traversé par le fluide caloporteur et par l'hydrogène, et un échangeur de chaleur pré-cathodique traversé par le fluide caloporteur et par l'air. The device may advantageously comprise a reformer and a compressor respectively supplying hydrogen and air to the fuel cell. The auxiliary circuit comprises a pre-heat exchanger through which the heat transfer fluid and hydrogen pass, and a pre-cathode heat exchanger through which the heat transfer fluid and the air pass.
Les échangeurs de chaleur pré-cathodique et pré-anodique peuvent avantageusement être montés en parallèle entre eux afin de minimiser les pertes de charge du circuit auxiliaire de refroidissement. The pre-cathode and pre-anode heat exchangers can advantageously be connected in parallel with one another in order to minimize the pressure drop of the auxiliary cooling circuit.
Le circuit auxiliaire peut également comprendre un échangeur de chaleur post-anodique traversé par le fluide caloporteur et par les gaz issus de la partie anodique de la pile, et un échangeur de chaleur 2868605 6 postcathodique traversé par le fluide caloporteur et par les gaz issus de la partie cathodique de la pile. The auxiliary circuit may also comprise a post-anodic heat exchanger traversed by the heat transfer fluid and by the gases coming from the anode part of the cell, and a post-cathodic heat exchanger 288605 6 through which the heat transfer fluid and the gases coming from the cathode part of the battery.
Les échangeurs de chaleur post-anodique et post-cathodique peuvent avantageusement être montés en parallèle entre eux afin de minimiser les pertes de charge du circuit auxiliaire de refroidissement. The post-anodic and post-cathodic heat exchangers can advantageously be connected in parallel with one another in order to minimize the pressure drops of the auxiliary cooling circuit.
Le dispositif de refroidissement permet ainsi de refroidir les gaz d'échappement de la pile à combustible à une température relativement basse, sensiblement inférieure à la température de refroidissement de la pile, afin de récupérer la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement et de permettre l'obtention d'un bilan d'eau du module de puissance positif. The cooling device thus makes it possible to cool the exhaust gases of the fuel cell to a relatively low temperature, substantially lower than the cooling temperature of the cell, in order to recover the water vapor contained in the exhaust gases. and to obtain a water balance of the positive power module.
Le dispositif de refroidissement permet également de refroidir l'ensemble des échangeurs de chaleur du module de puissance de la pile à combustible avec un seul fluide caloporteur. The cooling device also makes it possible to cool all the heat exchangers of the power module of the fuel cell with a single heat transfer fluid.
Dans un mode de réalisation, l'échangeur de chaleur est disposé en aval des échangeurs de chaleur post-anodique et post-cathodique, et en amont des échangeurs de chaleur pré-anodique et pré-cathodique. In one embodiment, the heat exchanger is disposed downstream of the post-anode and post-cathode heat exchangers, and upstream of the pre-anode and pre-cathode heat exchangers.
Le dispositif peut avantageusement comprendre une conduite de dérivation apte à isoler les parties haute et basse température du radiateur. The device may advantageously comprise a branch line capable of isolating the high and low temperature parts of the radiator.
Un tel dispositif de refroidissement permet, lors de la phase de démarrage, de faire atteindre rapidement à la pile sa température de fonctionnement optimal, généralement autour de 80 C à 90 C, en retardant le refroidissement du fluide caloporteur. Le dispositif permet ainsi de réduire le temps mis par la pile pour atteindre sa température de fonctionnement optimal sans avoir recours à un moyen spécifique supplémentaire pour réaliser un apport d'énergie thermique. Such a cooling device makes it possible, during the start-up phase, to quickly reach the battery its optimum operating temperature, generally around 80 C to 90 C, by delaying the cooling of the coolant. The device thus makes it possible to reduce the time taken by the battery to reach its optimum operating temperature without resorting to an additional specific means for providing a thermal energy supply.
L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un module de puissance d'une pile à combustible au moyen d'une circulation d'un fluide caloporteur, comprenant les étapes au cours desquelles: - on sépare le fluide caloporteur en un circuit principal et un circuit auxiliaire, on fait circuler le fluide caloporteur dans les deux circuits à une température inférieure à la température de fonctionnement de la pile à combustible, - on prélève les calories du fluide caloporteur du circuit principal et du circuit auxiliaire lorsque la température du fluide caloporteur atteint la température de fonctionnement optimal de la pile à combustible, et - on prélève les calories du fluide caloporteur du circuit auxiliaire de façon que la température dudit fluide soit inférieure à la température du fluide caloporteur du circuit principal. The invention also relates to a method for cooling a power module of a fuel cell by means of a circulation of a heat transfer fluid, comprising the steps in which: the heat transfer fluid is separated into a main circuit; and an auxiliary circuit, the heat transfer fluid is circulated in the two circuits at a temperature below the operating temperature of the fuel cell, the heat transfer fluid of the main circuit and of the auxiliary circuit are taken when the temperature of the fluid coolant reaches the optimum operating temperature of the fuel cell, and - the heat of the heat transfer fluid of the auxiliary circuit is taken so that the temperature of said fluid is lower than the temperature of the heat transfer fluid of the main circuit.
Dans un mode de mise en oeuvre du procédé, on effectue un échange un échange thermique entre le fluide caloporteur du circuit et l'air présent à l'intérieur de l'habitacle du véhicule automobile. In one embodiment of the method, a heat exchange is performed between the heat transfer fluid of the circuit and the air present inside the passenger compartment of the motor vehicle.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une architecture d'un module de puissance d'une pile à combustible, - la figure 2 montre schématiquement un dispositif de refroidissement d'un module de puissance d'une pile à combustible couplé hydrauliquement avec une boucle de refroidissement d'un groupe moto-propulseur d'un véhicule automobile selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 montre schématiquement un dispositif de refroidissement d'un module de puissance d'une pile à combustible couplé hydrauliquement avec une boucle de refroidissement d'un groupe moto-propulseur d'un véhicule automobile selon un second mode de réalisation. The invention will be better understood on studying the detailed description of embodiments described by way of non-limiting examples, and illustrated by the appended drawings in which: FIG. 1 schematically represents an architecture of a power module of a fuel cell, - Figure 2 shows schematically a cooling device of a power module of a fuel cell hydraulically coupled with a cooling loop of a power unit of a motor vehicle according to a first embodiment, - Figure 3 shows schematically a cooling device of a power module of a fuel cell hydraulically coupled with a cooling loop of a powertrain of a motor vehicle in a second mode of realization.
Les flèches en traits forts correspondent à des conduites qui sont traversées par un liquide, et les flèches en traits interrompus correspondent à des conduites traversées par des gaz. Sur la figure 1, une pile à combustible 1 comprend une anode 2 et une cathode 3 séparées par une membrane électrolytique 4 (représentée schématiquement). La pile à combustible 1 peut être avantageusement du type à membrane échangeuse de protons à électrolyte solide (PEMFC). Une telle pile à combustible est constituée en réalité d'un empilement de cellules élémentaires branchées électriquement en séries et séparées par des plaques bipolaires (non représentées sur la figure). The arrows in strong lines correspond to pipes which are traversed by a liquid, and the arrows in broken lines correspond to conduits traversed by gases. In FIG. 1, a fuel cell 1 comprises an anode 2 and a cathode 3 separated by an electrolytic membrane 4 (shown schematically). The fuel cell 1 may advantageously be of the solid electrolyte proton exchange membrane (PEMFC) type. Such a fuel cell consists in fact of a stack of elementary cells electrically connected in series and separated by bipolar plates (not shown in the figure).
Un moteur 5 entraîne un compresseur 6, par l'intermédiaire d'un arbre 7, lors de la mise en fonctionnement du module de puissance de la pile à combustible 1. Le compresseur 6 est alimenté en air par une conduite d'amené 8. L'air comprimé issu du compresseur 6 traverse au moyen d'une conduite 9 un échangeur pré-cathodique 10 et alimente la cathode 3 de la pile à combustible 1. L'air comprimé issu du compresseur 6 alimente également un reformeur 11 et un brûleur 12, respectivement par l'intermédiaire des conduites 13 et 14, lesdites conduites 13 et 14 étant reliées à la conduite 9. A motor 5 drives a compressor 6, via a shaft 7, when the power module of the fuel cell 1 is put into operation. The compressor 6 is supplied with air via a supply line 8. Compressed air from the compressor 6 passes through a pipe 9 a pre-cathode exchanger 10 and feeds the cathode 3 of the fuel cell 1. The compressed air from the compressor 6 also feeds a reformer 11 and a burner 12, respectively via lines 13 and 14, said lines 13 and 14 being connected to line 9.
Le reformeur 11, de conception classique, comprend également une conduite d'entrée de carburant 15, une conduite d'entrée d'eau 16 et une conduite de sortie d'hydrogène 17 traversant un échangeur pré-anodique 18 et alimentant l'anode 2 de la pile à combustible 1. The reformer 11, of conventional design, also comprises a fuel inlet pipe 15, a water inlet pipe 16 and a hydrogen outlet pipe 17 passing through a pre-anode exchanger 18 and supplying the anode 2 of the fuel cell 1.
Les échangeurs pré-anodique et pré-cathodique 18, 10, par exemple des condenseurs, sont traversés par un liquide caloporteur (figure 2) de façon à permettre un refroidissement de l'hydrogène et de l'air comprimé pour adapter leurs températures respectives à la température de fonctionnement de la pile à combustible 1 et pour récupérer la vapeur d'eau contenue dans lesdits gaz afin d'alimenter la conduite d'entrée 16 du reformeur 11 (non représenté). En effet, lors de la procédure de reformage la quantité d'eau nécessaire pour la transformation du carburant en hydrogène est relativement importante. The pre-anodic and pre-cathodic exchangers 18, 10, for example condensers, are traversed by a heat-transfer liquid (FIG. 2) so as to allow hydrogen and compressed air to be cooled in order to adapt their respective temperatures to the operating temperature of the fuel cell 1 and for recovering the water vapor contained in said gas to supply the inlet line 16 of the reformer 11 (not shown). Indeed, during the reforming procedure the amount of water required for the conversion of fuel to hydrogen is relatively large.
Les gaz d'échappement issus de l'anode et de la cathode 3 de la pile à combustible 1, lors de la production d'électricité, sont dirigés respectivement vers un échangeur post-anodique 19 par l'intermédiaire d'une conduite de sortie anodique 20 et vers un échangeur post-cathodique 21 par l'intermédiaire d'une conduite de sortie cathodique 22. Les échangeurs post-anodique et post-cathodique 19, 21 par exemple des condenseurs, sont traversés par le liquide caloporteur (figure 2) de façon à récupérer la vapeur d'eau contenue dans lesdits gaz pour alimenter la conduite d'entrée 16 (non représenté). The exhaust gases from the anode and the cathode 3 of the fuel cell 1, during the production of electricity, are respectively directed to a post-anodic exchanger 19 via an outlet pipe anodic 20 and to a post-cathodic exchanger 21 via a cathodic outlet conduit 22. The post-anodic and post-cathodic exchangers 19, 21 for example condensers, are traversed by the coolant (Figure 2) so as to recover the water vapor contained in said gases to feed the inlet pipe 16 (not shown).
La conduite de sortie anodique 20, après avoir traversé l'échangeur postanodique 19, traverse le brûleur 12. Les gaz anodiques ainsi brûlés et les gaz cathodiques sont ensuite rejetés dans l'air ambiant. Ils peuvent également être utilisés pour être valorisés dans des systèmes de conception connue, par exemple dans une turbine de détente. The anode outlet pipe 20, after having passed through the postanodic exchanger 19, passes through the burner 12. The anode gases thus burned and the cathode gases are then discharged into the ambient air. They can also be used to be valorised in systems of known design, for example in an expansion turbine.
Il peut être également envisageable d'envoyer directement les gaz issus de la pile à combustible 1 vers le brûleur 12 puis de mélanger les gaz anodiques brûlés avec les gaz cathodiques afin de leur faire traverser un unique échangeur de chaleur (non représenté), par exemple un condenseur, afin de récupérer l'eau présente dans les gaz pour alimenter le reformeur 11, avant leur échappement. It may also be possible to directly send the gas from the fuel cell 1 to the burner 12 and then mix the anode gases burned with the cathode gases to pass through a single heat exchanger (not shown), for example a condenser, in order to recover the water present in the gases to feed the reformer 11, before their escape.
Sur la figure 2 est représenté un dispositif de refroidissement la du module de puissance comprenant une pile à combustible 1 comprenant un circuit principal de liquide caloporteur 23a traversant un groupe motopropulseur 23. Le dispositif de refroidissement la comprend également un circuit auxiliaire de liquide caloporteur, monté en dérivation sur le circuit principal. Le liquide caloporteur peut être du type eau déionisée sans additif comprenant 40 % de glycol. FIG. 2 shows a cooling device 1a of the power module comprising a fuel cell 1 comprising a main coolant circuit 23a passing through a power train 23. The cooling device also comprises a heat transfer liquid auxiliary circuit mounted in bypass on the main circuit. The heat transfer liquid may be of the deionized water type without additive comprising 40% glycol.
Le circuit principal de liquide caloporteur 23a comprend une pompe 24, permettant la circulation du liquide caloporteur, reliée à une conduite 25 traversant le groupe moto-propulseur 23. La conduite 25 est reliée à une conduite 26, elle-même reliée à la pompe 24. La conduite 26 traverse un aérotherme 27 apte à permettre le chauffage de l'habitacle du véhicule automobile. The main coolant circuit 23a comprises a pump 24, allowing the circulation of the heat transfer liquid, connected to a pipe 25 passing through the power unit 23. The pipe 25 is connected to a pipe 26, itself connected to the pump 24 The pipe 26 passes through a heater 27 able to allow the heating of the passenger compartment of the motor vehicle.
La conduite 26, entre le groupe moto-propulseur 23 et l'aérotherme 27, est reliée à une conduite 28 traversant une partie haute température 29 d'un radiateur 30. La conduite 28 est également reliée à la pompe 24. La conduite 28, entre la partie haute température 29 du radiateur 30 et la pompe 24, comprend un thermostat 31. Le thermostat 31 est relié à la conduite 28 en amont de la partie haute température 29 du radiateur 30 par une conduite 32. En d'autres termes, la conduite 32 est apte à isoler la partie haute température 29 du radiateur 30. The pipe 26, between the power unit 23 and the heater 27, is connected to a pipe 28 passing through a high temperature portion 29 of a radiator 30. The pipe 28 is also connected to the pump 24. The pipe 28, between the high temperature portion 29 of the radiator 30 and the pump 24, comprises a thermostat 31. The thermostat 31 is connected to the pipe 28 upstream of the high temperature portion 29 of the radiator 30 by a pipe 32. In other words, the pipe 32 is able to isolate the high temperature part 29 of the radiator 30.
Le circuit auxiliaire de liquide caloporteur, monté en dérivation sur le circuit principal, comprend une conduite d'entrée 33 reliée à la conduite 32, entre la partie haute température 29 du radiateur 30 et le thermostat 31. Le circuit auxiliaire comprend une conduite de sortie 34 reliée à la conduite 26, entre l'aérotherme 27 et la pompe 24. The heat transfer liquid auxiliary circuit, shunted on the main circuit, comprises an inlet pipe 33 connected to the pipe 32, between the high temperature portion 29 of the radiator 30 and the thermostat 31. The auxiliary circuit comprises an outlet pipe 34 connected to the pipe 26, between the heater 27 and the pump 24.
2868605 11 La conduite 33 traverse une partie basse température 35 du radiateur 30 et est reliée à une conduite 36. La conduite 36 comprend un thermostat 37. Le thermostat 37 est relié à la conduite 28 en amont de la partie haute température 29 du radiateur 30 par une conduite 38. The pipe 33 passes through a low temperature portion 35 of the radiator 30 and is connected to a pipe 36. The pipe 36 comprises a thermostat 37. The thermostat 37 is connected to the pipe 28 upstream of the high temperature portion 29 of the radiator 30. by a pipe 38.
En d'autres termes, la conduite 38 est apte à isoler les parties haute et basse température 29, 35 du radiateur 30. In other words, the pipe 38 is able to isolate the high and low temperature parts 29, 35 of the radiator 30.
La conduite 36 comprend trois conduites dérivées, référencées respectivement 36a à 36c. Les conduites 36a et 36b traversent respectivement les échangeurs de chaleur post-anodique et post- cathodique 19, 21, réalisant ainsi le refroidissement des gaz d'échappement issus de l'anode 2 et de la cathode 3 de la pile 1 (figure 1). Les échangeurs de chaleur post-anodique et post-cathodique 19, 21 sont ainsi branchés hydrauliquement en parallèle, et sont situés en aval de la partie basse température 35 du radiateur 30. The pipe 36 comprises three derived pipes, respectively referenced 36a to 36c. The ducts 36a and 36b pass respectively through the post-anodic and post-cathode heat exchangers 19, 21, thereby cooling the exhaust gases issuing from the anode 2 and the cathode 3 of the cell 1 (FIG. 1). . The post-anodic and post-cathodic heat exchangers 19, 21 are thus hydraulically connected in parallel, and are situated downstream of the low temperature portion of the radiator 30.
La conduite 36c comprend un élément d'ajustage de débit 41. Les conduites 36a à 36c sont reliées à une conduite 39. La conduite 39 est reliée à une pompe 40. La pompe 40 est reliée à une conduite 41.Toutefois, il est possible de supprimer une telle pompe 40 dans le circuit auxiliaire, le fluide caloporteur étant alors entraîné uniquement par la pompe 24. The pipe 36c comprises a flow control element 41. The pipes 36a to 36c are connected to a pipe 39. The pipe 39 is connected to a pump 40. The pump 40 is connected to a pipe 41.However, it is possible to remove such a pump 40 in the auxiliary circuit, the coolant being then driven only by the pump 24.
La conduite 41 traverse un échangeur de chaleur 43. L'échangeur de chaleur 43 est également traversé par une conduite 44 à l'intérieur de laquelle circule un liquide de refroidissement, par exemple du type eau glycolée. La conduite 44 traverse la pile à combustible 1 et comprend une pompe 45 apte à permettre la circulation dudit liquide de refroidissement. La conduite 44 forme ainsi une boucle de refroidissement dédiée uniquement au refroidissement de la pile à combustible 1. The pipe 41 passes through a heat exchanger 43. The heat exchanger 43 is also traversed by a pipe 44 inside which circulates a cooling liquid, for example of the brine type. The pipe 44 passes through the fuel cell 1 and comprises a pump 45 adapted to allow the circulation of said coolant. The pipe 44 thus forms a cooling loop dedicated solely to the cooling of the fuel cell 1.
2868605 12 La conduite 41 comprend deux conduites dérivées, référencées respectivement 41a et 41b, montées en aval de l'échangeur 43 en considérant le sens de circulation du liquide caloporteur. La conduite 41a traverse l'échangeur pré-anodique 18 pour réaliser le refroidissement de l'hydrogène issu du reformeur 11 (figure 1), la conduite 41b traversant l'échangeur pré-cathodique 10 pour réaliser le refroidissement de l'air comprimé issu du compresseur 6 (figure 1). Les échangeurs de chaleur pré-anodique et pré-cathodique 18, 10 sont ainsi branchés hydrauliquement en parallèle. The pipe 41 comprises two derived pipes, respectively referenced 41a and 41b, mounted downstream of the exchanger 43 by considering the direction of circulation of the heat transfer liquid. The pipe 41a passes through the pre-anode heat exchanger 18 for cooling the hydrogen from the reformer 11 (FIG. 1), the pipe 41b passing through the pre-cathode heat exchanger 10 for cooling the compressed air coming from the compressor 6 (Figure 1). The pre-anodic and pre-cathode heat exchangers 18, 10 are thus hydraulically connected in parallel.
Les conduites 41a et 41b sont reliées à la conduite de retour 34 du circuit auxiliaire de fluide caloporteur. La conduite de retour 34 comprend un élément de chauffage 42, par exemple un aérotherme ou un échangeur de chaleur de type air/liquide apte à permettre un échange de chaleur avec l'habitacle du véhicule automobile. The lines 41a and 41b are connected to the return line 34 of the auxiliary coolant circuit. The return line 34 comprises a heating element 42, for example a heater or an air / liquid type heat exchanger adapted to allow a heat exchange with the passenger compartment of the motor vehicle.
L'échangeur peut par exemple être un échangeur ajouté à la sortie du brûleur 12 (figure 1). The exchanger may for example be an exchanger added to the outlet of the burner 12 (Figure 1).
Le fonctionnement du dispositif de refroidissement est le suivant: lors du démarrage de la pile à combustible 1, la pompe 45 est mise en marche pour permettre la circulation du fluide de refroidissement. Parallèlement, les pompes 24 et 40 sont également mises en marche et permettent la circulation du liquide caloporteur. Le liquide caloporteur passe par les conduites 25, 28 et 38. Le liquide caloporteur traverse ensuite les échangeurs de chaleur 19, 21 et la conduite 41. Le liquide caloporteur traverse ensuite les échangeurs de chaleur 43, 18 et 10 avant de revenir à la pompe 24. The operation of the cooling device is as follows: when starting the fuel cell 1, the pump 45 is turned on to allow the circulation of the cooling fluid. At the same time, the pumps 24 and 40 are also switched on and allow the circulation of the coolant. The coolant passes through the pipes 25, 28 and 38. The coolant then passes through the heat exchangers 19, 21 and the pipe 41. The coolant then passes through the heat exchangers 43, 18 and 10 before returning to the pump 24.
Lorsque la pile à combustible 1 atteint une température supérieure à sa température de fonctionnement optimal, environ entre 80 C et 90 C, le thermostat 37 s'ouvre progressivement de façon à permettre le passage du liquide caloporteur à travers la partie haute température 29 et la partie basse température 36 du radiateur 30. La partie basse température 35 du radiateur 30 reçoit une partie du débit de la partie haute température 29 permettant d'atteindre une température de liquide caloporteur réduite, environ de 50 C, pour refroidir les échangeurs de chaleur 19, 21, 43, 10 et 18. When the fuel cell 1 reaches a temperature higher than its optimum operating temperature, approximately between 80 C and 90 C, the thermostat 37 opens gradually to allow the passage of the coolant through the high temperature portion 29 and the low temperature portion 36 of the radiator 30. The low temperature portion 35 of the radiator 30 receives a portion of the flow of the high temperature portion 29 to achieve a reduced coolant temperature, about 50 C, to cool the heat exchangers 19 , 21, 43, 10 and 18.
Si la quantité de chaleur évacuée par le radiateur 30 est inférieure à la quantité de chaleur apportée par les échangeurs thermiques 19, 21,43,10 et 18, alors la température du liquide caloporteur augmente, provoquant ainsi une ouverture totale du thermostat 37. Si la quantité de chaleur évacuée par le radiateur 30 reste inférieure à la quantité de chaleur apportée au fluide caloporteur par les différents échangeurs thermiques 19, 21,43,18 et 10, alors un ventilateur (non représenté) est mis en marche afin d'augmenter la quantité de chaleur évacuée par le radiateur 30. La température du liquide caloporteur se stabilise lorsque la quantité de chaleur évacuée par le radiateur 30 est égale à la quantité de chaleur apportée au liquide caloporteur par les différents échangeurs thermiques 19, 21, 43, 10 et 18. If the quantity of heat discharged by the radiator 30 is less than the quantity of heat supplied by the heat exchangers 19, 21, 43, 10 and 18, then the temperature of the coolant increases, thus causing the thermostat 37 to open completely. the quantity of heat evacuated by the radiator 30 remains lower than the quantity of heat supplied to the coolant by the various heat exchangers 19, 21, 43, 18 and 10, while a fan (not shown) is turned on in order to increase the quantity of heat evacuated by the radiator 30. The temperature of the coolant stabilizes when the quantity of heat discharged by the radiator 30 is equal to the quantity of heat supplied to the heat transfer liquid by the various heat exchangers 19, 21, 43, 10 and 18.
Lorsque le groupe moto-propulseur 23 est à l'arrêt ou ralenti, un tel dispositif permet d'utiliser la puissance thermique générée par le module de puissance de la pile à combustible 1 pour chauffer l'habitacle et maintenir en température le groupe moto-propulseur 40. Pour cela, il suffit de faire circuler le liquide caloporteur à travers l'aérotherme 27 et d'isoler le radiateur 30 par l'intermédiaire des thermostats 31 et 37 tant que la température de la pile reste en dessous de sa température de fonctionnement optimal. When the power unit 23 is at a standstill or idle, such a device makes it possible to use the thermal power generated by the power module of the fuel cell 1 to heat the passenger compartment and maintain the temperature of the motor vehicle. For this purpose, it is sufficient to circulate the heat transfer liquid through the heater 27 and to isolate the radiator 30 via the thermostats 31 and 37 as long as the temperature of the battery remains below its temperature. optimal operation.
En outre, lorsque le groupe moto-propulseur 23 est à l'arrêt, la masse métallique de ce dernier sert de source froide au module de puissance de la pile et peut permettre au fluide d'évacuer une certaine quantité de chaleur. Il devient ainsi possible d'éviter l'utilisation d'un ventilateur (non représenté) tout en maintenant en température le groupe moto-propulseur 23 pour diminuer les émissions lors d'un démarrage à froid. In addition, when the power unit 23 is stopped, the metal mass of the latter serves as a cold source to the power module of the battery and may allow the fluid to evacuate a certain amount of heat. It thus becomes possible to avoid the use of a fan (not shown) while maintaining the temperature of the power unit 23 to reduce emissions during a cold start.
Sur la figure 3, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, la conduite de retour 34 du circuit auxiliaire de liquide caloporteur et reliée à la conduite 28 entre le groupe moto-propulseur 23 et la partie haute température 29 du radiateur 30. In FIG. 3, in which the identical elements bear the same references, the return line 34 of the auxiliary heat transfer liquid circuit connected to the pipe 28 between the motor-propulsion unit 23 and the high-temperature part 29 of the radiator 30.
Ce mode de réalisation permet de réaliser une régulation précise de la température du groupe moto-propulseur 23, ledit groupe moto-propulseur 23 étant traversé uniquement par le liquide caloporteur sortant de la partie haute température. This embodiment makes it possible to precisely regulate the temperature of the power train 23, said power unit 23 being traversed only by the coolant leaving the high temperature part.
Quelque soit le mode de réalisation de l'invention, le dispositif permet de réaliser un refroidissement à deux niveaux de température différentes avec un même fluide de refroidissement, mais également de préchauffer ou de maintenir le groupe moto-propulseur lorsque le véhicule est à l'arrêt. Il devient ainsi possible de réduire la surconsommation et les émissions liées à un démarrage à froid mais également d'assurer un chauffage de l'habitacle même lorsque le groupe moto-propulseur est à l'arrêt. Whatever the embodiment of the invention, the device allows cooling at two different temperature levels with the same cooling fluid, but also to preheat or maintain the powertrain when the vehicle is at the same time. stop. It thus becomes possible to reduce over-consumption and emissions related to a cold start but also to ensure heating of the passenger compartment even when the powertrain is stopped.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0403342A FR2868605A1 (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Cooling device for power module, has auxiliary coolant circuit assembled on main coolant circuit, and having duct that traverses lower temperature part of heater to cool coolant to temperature lower than that of main circuit`s coolant |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0403342A FR2868605A1 (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Cooling device for power module, has auxiliary coolant circuit assembled on main coolant circuit, and having duct that traverses lower temperature part of heater to cool coolant to temperature lower than that of main circuit`s coolant |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2868605A1 true FR2868605A1 (en) | 2005-10-07 |
Family
ID=34944391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| FR0403342A Pending FR2868605A1 (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Cooling device for power module, has auxiliary coolant circuit assembled on main coolant circuit, and having duct that traverses lower temperature part of heater to cool coolant to temperature lower than that of main circuit`s coolant |
Country Status (1)
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|---|---|
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