FR2896917A1 - Motor vehicle, has hydrogen reservoir and reformer connected to valve system mounted on upstream of fuel cell, for connecting hydrogen reservoir and reformer alternatively or simultaneously to fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
Véhicule automobile comprenant une pile à combustible et utilisation d'uneMotor vehicle comprising a fuel cell and use of a
telle pilesuch pile
La présente invention concerne les véhicules automobiles et plus particulièrement ceux équipés d'une pile à combustible. Les piles à combustibles sont développées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Les piles à combustible nécessitent une alimentation en hydrogène et en oxygène. Généralement, l'oxygène provient de l'air ambiant et l'hydrogène peut être produit par un reformeur. Le reformeur permet de produire un gaz riche en hydrogène, appelé reformat, à partir d'un carburant hydrocarboné d'origine pétrolière, synthétique ou issu de la biomasse tel que ceux utilisés actuellement par les véhicules automobiles. On obtient ainsi un système de pile à combustible permettant de fournir de l'énergie à partir d'un carburant conventionnel. Cependant les systèmes de pile à combustible nécessitent un certain temps, pouvant atteindre plusieurs minutes, entre le moment où ils sont démarrés et le moment où ils fournissent de l'énergie. Il y a donc une absence d'énergie pendant les phases de démarrage d'un véhicule équipé d'un système de pile à combustible. Un tel délai n'étant pas envisageable pour des applications automobiles, il est nécessaire de faire en sorte que le véhicule puisse démarrer instantanément et assurer dès le démarrage, l'alimentation en énergie électrique des équipements ou bien même du moteur d'entraînement. On a déjà imaginé diverses solutions pour résoudre les difficultés rencontrées pendant les phases de démarrage d'un système de pile à combustible. Une solution couramment retenue est d'équiper le véhicule avec une batterie haute tension et haute puissance. La batterie permet de palier l'absence d'énergie électrique pendant les phases de démarrage du véhicule, puis c'est le système de pile à combustible qui prend le relais. Toutefois, un tel équipement est onéreux, rend le réseau électrique complexe et alourdit le véhicule. The present invention relates to motor vehicles and more particularly those equipped with a fuel cell. Fuel cells are developed to provide energy for either stationary applications, aeronautics or automotive applications. Fuel cells require a supply of hydrogen and oxygen. Generally, the oxygen comes from the ambient air and the hydrogen can be produced by a reformer. The reformer makes it possible to produce a hydrogen-rich gas, called reformate, from a hydrocarbon fuel of petroleum, synthetic or biomass origin such as those currently used by motor vehicles. This results in a fuel cell system for supplying energy from a conventional fuel. However, fuel cell systems require a certain amount of time, up to several minutes, between the moment they are started and the moment they provide power. There is therefore an absence of energy during the starting phases of a vehicle equipped with a fuel cell system. Such a delay not being possible for automotive applications, it is necessary to ensure that the vehicle can start instantly and ensure from the start, the power supply of equipment or even the drive motor. Various solutions have already been devised for solving the difficulties encountered during the start-up phases of a fuel cell system. A commonly adopted solution is to equip the vehicle with a high voltage and high power battery. The battery makes it possible to compensate for the absence of electrical energy during the starting phases of the vehicle, and then the fuel cell system takes over. However, such equipment is expensive, makes the electrical network complex and weighs down the vehicle.
Une autre solution est d'équiper le véhicule avec un réservoir d'hydrogène pur et de supprimer le reformeur. Cependant, l'hydrogène nécessaire au remplissage du réservoir n'est pas accessible facilement et un réseau de distribution comparable à celui des carburants actuels n'est pas prévu avant plusieurs décennies. De plus, le stockage de l'hydrogène nécessite encore une place beaucoup plus importante que celle nécessaire au stockage d'un carburant conventionnel. Le risque de tomber en panne d'hydrogène est donc important. Les demandes de brevet JP 2001338663, JP 2000302403 et JP 2001213604 utilisent tous les trois un ou plusieurs réservoirs tampons d'hydrogène, placés entre le reformeur et la pile à combustible. Les réservoirs contiennent des hydrures métalliques qui absorbent le surplus d'hydrogène produit par le reformeur et le restituent à la pile à combustible quand cela est nécessaire. En fonctionnement continu, le réservoir stocke sous forme d'hydrures l'hydrogène produit par le reformeur et non utilisé par la pile à combustible, tandis qu'en période de démarrage, le réservoir restitue l'hydrogène déjà stocké pour palier l'insuffisance d'hydrogène produit par le reformeur. Toutefois, les taux d'absorption des hydrures métalliques sont trop faibles et l'utilisation de réservoirs tampons rend le système d'acheminement de l'hydrogène vers la pile à combustible particulièrement complexe. L'invention a pour objet un système de pile à combustible qui permette d'obtenir dès le démarrage l'énergie nécessaire aux équipements électriques du véhicule ou bien à un moteur électrique d'entraînement du véhicule. L'invention a également pour objet de palier une déficience possible du reformeur ou un temps de réaction trop long dans l'augmentation de la production d'hydrogène, en particulier pendant les phases de transition durant lesquelles la demande de puissance instantanée peut augmenter rapidement. Le véhicule automobile selon l'invention comprend une pile à combustible alimentée en gaz riche en oxygène et en gaz riche en hydrogène et capable de générer de l'énergie électrique. Le véhicule comprend également un réservoir d'hydrogène et un réservoir de carburant hydrocarboné relié à un reformeur. Le réservoir d'hydrogène et le reformeur sont reliés tous deux à un système de vannes commandé monté en amont de la pile à combustible, pour les relier alternativement ou simultanément à la pile à combustible. Another solution is to equip the vehicle with a pure hydrogen tank and to remove the reformer. However, the hydrogen needed to fill the tank is not easily accessible and a distribution network comparable to that of current fuels is not expected for several decades. In addition, the storage of hydrogen still requires a much larger space than that required for storing a conventional fuel. The risk of running out of hydrogen is therefore important. Patent applications JP 2001338663, JP 2000302403 and JP 2001213604 all use one or more hydrogen buffer tanks, placed between the reformer and the fuel cell. The tanks contain metal hydrides which absorb excess hydrogen produced by the reformer and return it to the fuel cell when necessary. In continuous operation, the reservoir stores in the form of hydrides the hydrogen produced by the reformer and not used by the fuel cell, while during start-up, the reservoir restores the hydrogen already stored to overcome the insufficiency of hydrogen. hydrogen produced by the reformer. However, the absorption rates of metal hydrides are too low and the use of buffer tanks makes the delivery system of hydrogen to the fuel cell particularly complex. The subject of the invention is a fuel cell system which makes it possible, from the start, to obtain the energy required for the electrical equipment of the vehicle or for an electric motor for driving the vehicle. It is also an object of the invention to overcome a possible reformer deficiency or a too long reaction time in increasing hydrogen production, particularly during transition phases during which the instantaneous power demand can increase rapidly. The motor vehicle according to the invention comprises a fuel cell fueled with oxygen rich gas and hydrogen-rich gas capable of generating electrical energy. The vehicle also includes a hydrogen tank and a hydrocarbon fuel tank connected to a reformer. The hydrogen tank and the reformer are both connected to a controlled valve system mounted upstream of the fuel cell, to connect them alternately or simultaneously to the fuel cell.
Il est ainsi possible de compenser l'absence d'hydrogène produit par le reformeur lorsque ce dernier vient d'être démarré. En effet, lorsque le reformeur est en phase de démarrage, il faut attendre un certain temps avant qu'il soit en mesure de fournir l'hydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible. C'est durant cette période que l'hydrogène manquant est fourni à la pile à combustible grâce au réservoir d'hydrogène. Le système de vannes permet d'alimenter la pile à combustible avec l'hydrogène du réservoir jusqu'à ce que le reformeur fournisse de l'hydrogène en quantité suffisante. Lorsque le reformeur fournit l'hydrogène en quantité suffisante, le système de vannes adapte le débit d'hydrogène provenant d'une part du réservoir d'hydrogène et d'autre part du reformeur de façon à limiter la consommation d'hydrogène stocké dans le réservoir tout en permettant un fonctionnement optimum de la pile à combustible. De cette façon, la pile à combustible est alimentée en oxygène et en hydrogène dès le démarrage du véhicule jusqu'au moment ou le reformeur produit l'hydrogène de manière suffisante et continue. Ainsi, dès le démarrage du véhicule, la pile à combustible peut produire l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement des équipements ou du moteur d'entraînement du véhicule. It is thus possible to compensate for the absence of hydrogen produced by the reformer when the latter has just been started. Indeed, when the reformer is in the start-up phase, it is necessary to wait a certain time before it is able to supply the hydrogen necessary for the operation of the fuel cell. It is during this period that the missing hydrogen is supplied to the fuel cell through the hydrogen tank. The valve system is used to feed the fuel cell with hydrogen from the reservoir until the reformer provides sufficient hydrogen. When the reformer supplies the hydrogen in sufficient quantity, the valve system adapts the flow of hydrogen from the hydrogen reservoir and the reformer so as to limit the hydrogen consumption stored in the reactor. reservoir while allowing optimum operation of the fuel cell. In this way, the fuel cell is supplied with oxygen and hydrogen from the start of the vehicle until the reformer produces hydrogen sufficiently and continuously. Thus, from the start of the vehicle, the fuel cell can produce the electrical energy necessary for the operation of the equipment or the drive motor of the vehicle.
L'invention permet en outre de limiter l'encombrement du réservoir d'hydrogène sans pénaliser sa capacité. Le réservoir d'hydrogène étant rempli à intervalles réguliers par l'utilisateur du véhicule à partir d'un distributeur extérieur approprié, l'hydrogène fourni est comprimé sous haute pression. The invention also makes it possible to limit the bulk of the hydrogen tank without penalizing its capacity. As the hydrogen tank is filled at regular intervals by the user of the vehicle from a suitable external distributor, the supplied hydrogen is compressed under high pressure.
L'invention permet également de choisir l'origine de l'hydrogène consommé par la pile à combustible, et par conséquent d'adapter la consommation de chaque carburant (hydrocarboné ou hydrogène) en fonction des possibilités de ravitaillement. En effet, même lorsque le reformeur produit de l'hydrogène en quantité The invention also makes it possible to choose the origin of the hydrogen consumed by the fuel cell, and consequently to adapt the consumption of each fuel (hydrocarbon or hydrogen) as a function of the refueling possibilities. Indeed, even when the reformer produces hydrogen in quantity
4 suffisante, le système de vannes peut être commandé de manière à alimenter la pile à combustible avec l'hydrogène stocké dans le réservoir. Cela peut permettre de limiter la consommation de carburant hydrocarboné, surtout lorsque ce dernier est présent en faible quantité dans le réservoir et qu'il est utilisé par ailleurs pour alimenter le moteur d'entraînement du véhicule. Lorsque l'hydrogène est distribué par un réseau peu développé, le système de vannes peut être commandé de manière à alimenter le plus possible la pile à combustible avec l'hydrogène produit par le reformeur afin de limiter la consommation de l'hydrogène stocké dans le réservoir du véhicule. Un tel véhicule peut donc être adapté à l'évolution des réseaux de distribution de carburants, que ce soit les carburants hydrocarbonés ou bien l'hydrogène. Ainsi, tant que le réseau de distribution de carburants hydrocarbonés reste plus développé que celui de distribution de l'hydrogène, le véhicule peut être paramétré, via l'unité centrale de contrôle qui commande le système de vannes, de manière à utiliser principalement l'hydrogène produit par le reformeur de manière à économiser l'hydrogène stocké dans le réservoir. Lorsque le réseau de distribution de l'hydrogène est plus développé, le véhicule peut être paramétré de manière à utiliser principalement l'hydrogène stocké dans le réservoir et de manière à économiser le carburant hydrocarboné. La consommation de chaque carburant peut donc être adaptée, d'une part aux besoins du véhicule, et d'autre part aux facilités de ravitaillement par les réseaux de distribution. 4 sufficient, the valve system can be controlled to feed the fuel cell with the hydrogen stored in the tank. This can limit the hydrocarbon fuel consumption, especially when the latter is present in small quantities in the tank and is used elsewhere to supply the drive motor of the vehicle. When hydrogen is distributed through a poorly developed network, the valve system can be controlled so as to feed the fuel cell as much as possible with the hydrogen produced by the reformer in order to limit the consumption of hydrogen stored in the reactor. vehicle tank. Such a vehicle can therefore be adapted to the evolution of fuel distribution networks, be it hydrocarbon fuels or hydrogen. Thus, as long as the distribution network of hydrocarbon fuels remains more developed than that of hydrogen distribution, the vehicle can be parameterized, via the central control unit which controls the valve system, so as to use mainly the hydrogen produced by the reformer so as to save the hydrogen stored in the tank. When the hydrogen distribution network is more developed, the vehicle can be parameterized so as to use mainly the hydrogen stored in the tank and so as to save the hydrocarbon fuel. The consumption of each fuel can therefore be adapted, on the one hand to the needs of the vehicle, and on the other hand to the refueling facilities through the distribution networks.
Enfin, l'invention permet de toujours disposer d'hydrogène dans le véhicule, cet hydrogène pouvant être utilisé de manière ponctuelle pour d'autres buts que l'alimentation directe de la pile à combustible, tandis que l'hydrogène nécessaire au fonctionnement continu du véhicule est produit par le reformeur lui-même. En particulier, il est possible d'augmenter le taux d'hydrogène du reformat issu du reformeur par de l'hydrogène pur provenant du réservoir, lorsque cela est nécessaire. Ainsi, entre la période de démarrage et la période de fonctionnement continu du reformeur, le reformat produit peut ne pas être suffisamment riche en hydrogène. Il est alors possible de l'enrichir avec l'hydrogène pur stocké afin que la pile à combustible soit plus performante. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le réservoir d'hydrogène et le reformeur sont indépendants. 5 L'indépendance entre le reformeur et le réservoir d'hydrogène sous-entend que la sortie du reformeur n'est pas liée au réservoir d'hydrogène. En d'autres termes, il n'existe pas de conduite d'hydrogène entre le reformeur et le réservoir. Le réservoir est donc alimenté de manière indépendante. Cela permet de stocker plus d'hydrogène puisque l'hydrogène produit par le reformeur est très faiblement comprimé contrairement à celui qui est stocké dans le réservoir et qui provient du réseau de distribution extérieur. De plus, cela permet d'éviter d'utiliser des réservoirs à hydrures métalliques dont la capacité de stockage est relativement faible. Finally, the invention makes it possible to always have hydrogen in the vehicle, this hydrogen being able to be used in an ad hoc manner for purposes other than the direct supply of the fuel cell, while the hydrogen necessary for the continuous operation of the fuel cell. vehicle is produced by the reformer itself. In particular, it is possible to increase the hydrogen content of the reformate from the reformer with pure hydrogen from the tank, when necessary. Thus, between the start-up period and the continuous operating period of the reformer, the product reformate may not be sufficiently rich in hydrogen. It is then possible to enrich it with pure hydrogen stored so that the fuel cell is more efficient. According to a preferred embodiment of the invention, the hydrogen reservoir and the reformer are independent. Independence between the reformer and the hydrogen reservoir implies that the reformer outlet is not bound to the hydrogen reservoir. In other words, there is no hydrogen line between the reformer and the reservoir. The tank is therefore powered independently. This makes it possible to store more hydrogen since the hydrogen produced by the reformer is very weakly compressed unlike that which is stored in the tank and which comes from the external distribution network. In addition, this avoids the use of metal hydride tanks whose storage capacity is relatively low.
Dans un autre mode de réalisation, le véhicule comprend également un moteur à combustion interne alimenté par le réservoir de carburant hydrocarboné. Dans ce cas, il est possible, lorsque les moyens de ravitaillement en carburant hydrocarboné sont limités, d'une part d'utiliser le carburant hydrocarboné pour alimenter essentiellement le moteur à combustion, et d'autre part d'utiliser principalement l'hydrogène du réservoir pour alimenter la pile à combustible. Cela permet de préserver le carburant hydrocarboné lorsque le réservoir n'en contient plus qu'une faible quantité. In another embodiment, the vehicle also includes an internal combustion engine powered by the hydrocarbon fuel tank. In this case, it is possible, when the means for refueling hydrocarbon fuel are limited, firstly to use the hydrocarbon fuel to essentially supply the combustion engine, and secondly to use mainly the hydrogen of the fuel. tank for fueling the fuel cell. This preserves the hydrocarbon fuel when the tank contains only a small amount.
Dans un autre mode de réalisation, le véhicule comprend un second réservoir de carburant hydrocarboné pour alimenter le moteur à combustion. Dans ce cas, les carburants hydrocarbonés alimentant respectivement le moteur à combustion et la pile à combustible peuvent être différents et choisis spécifiquement en fonction de leur utilisation. De plus, ce mode de réalisation permet de séparer le système d'entraînement du véhicule et le système de pile à combustible. In another embodiment, the vehicle comprises a second hydrocarbon fuel tank for supplying the combustion engine. In this case, the hydrocarbon fuels respectively supplying the combustion engine and the fuel cell may be different and chosen specifically according to their use. In addition, this embodiment separates the vehicle drive system and the fuel cell system.
6 Dans un mode de réalisation préféré, le système de vannes commandé relie alternativement ou simultanément le réservoir d'hydrogène et le reformeur à un catalyseur de dépollution capable d'être amorcé par de l'hydrogène et placé sur le circuit d'échappement des gaz produits par le moteur à combustion interne. Le catalyseur de dépollution permet de limiter les quantités de gaz nocifs rejetés dans l'atmosphère par le véhicule. Toutefois, de tels catalyseurs ne sont efficaces qu'à partir d'une certaine température. Or, pendant les phases de démarrage du moteur à combustion, le catalyseur n'a pas le temps d'atteindre la température à laquelle il est le plus efficace, et cela correspond à la période de fonctionnement durant laquelle le moteur rejette une proportion importante de gaz nocifs (en raison d'une combustion partielle, de températures de fonctionnement non optimales,...). L'injection d'hydrogène permet d'accélérer cette montée en température du catalyseur. Il est donc important que cette injection d'hydrogène puisse se faire dès le démarrage du véhicule, ce qui est possible dans ce mode de réalisation, grâce au réservoir d'hydrogène. Une fois le catalyseur en fonctionnement continu, soit l'injection de l'hydrogène n'est plus nécessaire et elle est arrêtée, soit il suffit d'utiliser une partie de l'hydrogène produit par le reformeur pour l'injecter dans le catalyseur. Selon un autre mode de réalisation, le reformeur est adapté pour produire un gaz contenant plus de 99% d'hydrogène en poids. Cela est réalisable à l'aide d'une membrane placée en aval du reformeur et qui permet d'augmenter le taux d'hydrogène du reformat jusqu'à plus de 99%. Cependant, le débit d'hydrogène est nettement diminué. Le réservoir d'hydrogène peut alors palier l'insuffisance ponctuelle d'hydrogène. I1 suffit pour cela de mélanger l'hydrogène produit par le reformeur avec la quantité nécessaire d'hydrogène stocké. Ce mode de réalisation permet d'utiliser une pile à combustible à hydrogène plutôt qu'une pile à combustible alimentée par du reformat dont le rendement est moins élevé. L'invention concerne également l'utilisation d'une pile à combustible. En particulier, l'invention concerne une utilisation d'une In a preferred embodiment, the controlled valve system alternately or simultaneously connects the hydrogen reservoir and the reformer to a pollution abatement catalyst capable of being initiated by hydrogen and placed on the exhaust gas circuit. produced by the internal combustion engine. The pollution abatement catalyst makes it possible to limit the quantities of harmful gases released into the atmosphere by the vehicle. However, such catalysts are only effective from a certain temperature. However, during the starting phases of the combustion engine, the catalyst does not have time to reach the temperature at which it is most effective, and this corresponds to the period of operation during which the engine rejects a significant proportion of harmful gases (due to partial combustion, non-optimal operating temperatures, ...). The hydrogen injection makes it possible to accelerate this rise in temperature of the catalyst. It is therefore important that this hydrogen injection can be done from the start of the vehicle, which is possible in this embodiment, thanks to the hydrogen reservoir. Once the catalyst is in continuous operation, the injection of hydrogen is no longer necessary and it is stopped, or it is sufficient to use a portion of the hydrogen produced by the reformer to inject it into the catalyst. In another embodiment, the reformer is adapted to produce a gas containing more than 99% hydrogen by weight. This is achievable by means of a membrane placed downstream of the reformer and which makes it possible to increase the hydrogen content of the reformate to more than 99%. However, the hydrogen flow rate is significantly decreased. The hydrogen reservoir can then overcome the point deficiency of hydrogen. For this purpose it suffices to mix the hydrogen produced by the reformer with the necessary quantity of hydrogen stored. This embodiment makes it possible to use a hydrogen fuel cell rather than a fuel cell powered by reformate with a lower efficiency. The invention also relates to the use of a fuel cell. In particular, the invention relates to a use of a
7 pile à combustible alimentée en gaz riche en oxygène et en gaz riche en hydrogène pour l'alimentation en énergie électrique dans un véhicule automobile, dans laquelle on alimente la pile à combustible alternativement ou simultanément avec de l'hydrogène stocké dans le véhicule et avec de l'hydrogène produit par le reformeur. Selon un autre aspect de l'invention, la pile à combustible est utilisée pour alimenter en énergie électrique un moteur d'entraînement du véhicule. Dans ce cas, l'utilisation d'un réservoir d'hydrogène permet à la pile à combustible de fournir l'énergie électrique nécessaire au déplacement du véhicule. Selon un autre aspect de l'invention, la pile à combustible est utilisée pour alimenter en énergie électrique des équipements électriques du véhicule. Fuel cell fueled with oxygen-rich gas and hydrogen-rich gas for supplying electric energy to a motor vehicle, wherein the fuel cell is supplied alternately or simultaneously with hydrogen stored in the vehicle and with hydrogen produced by the reformer. According to another aspect of the invention, the fuel cell is used to supply electrical energy to a drive motor of the vehicle. In this case, the use of a hydrogen tank allows the fuel cell to provide the electrical energy required to move the vehicle. According to another aspect of the invention, the fuel cell is used to supply electrical energy to the electrical equipment of the vehicle.
On peut donner comme exemple d'équipement électrique, le système de climatisation ou de chauffage de l'habitacle. Dans ce mode de réalisation, la pile à combustible permet de remplacer l'alternateur entraîné par le moteur d'entraînement du véhicule et dont le bilan énergétique est inférieur à celui d'un système de pile à combustible. An example of electrical equipment is the air conditioning or heating system of the passenger compartment. In this embodiment, the fuel cell makes it possible to replace the alternator driven by the drive motor of the vehicle and whose energy balance is lower than that of a fuel cell system.
Selon un autre aspect de l'invention, la pile à combustible est alimentée essentiellement avec de l'hydrogène stocké dans le véhicule tant que le gaz produit par le reformeur ne contient pas plus de 25% en poids d'hydrogène. Selon un autre aspect de l'invention, la pile à combustible est alimentée simultanément avec de l'hydrogène stocké dans le véhicule et avec de l'hydrogène produit par le reformeur lorsque l'augmentation de la puissance demandée dépasse un seuil. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante, de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexées sur lesquels : la figure 1 est un schéma synoptique d'un véhicule pourvu d'un moteur d'entraînement à combustion et équipé d'une pile à combustible selon l'invention ; According to another aspect of the invention, the fuel cell is fed substantially with hydrogen stored in the vehicle as long as the gas produced by the reformer does not contain more than 25% by weight of hydrogen. According to another aspect of the invention, the fuel cell is fed simultaneously with hydrogen stored in the vehicle and with hydrogen produced by the reformer when the increase of the requested power exceeds a threshold. The invention will be better understood on studying the following detailed description of some embodiments taken as non-limiting examples and illustrated by the appended drawings in which: FIG. 1 is a block diagram of a vehicle provided with a combustion engine and equipped with a fuel cell according to the invention;
8 la figure 2 est un schéma synoptique d'un véhicule équipé d'une pile à combustible et pourvu d'un moteur d'entraînement à combustion alimenté par un réservoir indépendant; la figure 3 est un schéma synoptique d'un véhicule équipé d'une pile à combustible qui alimente en énergie un moteur d'entraînement électrique. FIG. 2 is a block diagram of a vehicle equipped with a fuel cell and provided with a combustion drive motor powered by an independent reservoir; Figure 3 is a block diagram of a vehicle equipped with a fuel cell that supplies power to an electric drive motor.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un véhicule selon un aspect de l'invention. Le véhicule 1 comprend un moteur à combustion 2 entraînant des roues 3. Le moteur 2 est alimenté par un réservoir de carburant hydrocarboné 4 auquel il est relié par une conduite 5. Les gaz d'échappement produits par le moteur 2 traversent un catalyseur 6 avant d'être rejetés à l'extérieur du véhicule 1. Le véhicule 1 comprend également une pile à combustible 7, un reformeur 8, un réservoir d'hydrogène 9 et un groupe de compression d'air 10. Le reformeur 8 est alimenté en carburant hydrocarboné par une conduite 11 le reliant au réservoir 4. Un système de vannes 12, commandé par une unité de commande électronique (UCE) 13, relie le reformeur 8 et le réservoir 9 à la pile à combustible 7 et/ou au catalyseur 6. Le reformeur 8 et le réservoir 9 sont reliés au système de vannes 12 par l'intermédiaire de deux conduites 14 et 15, tandis que le système de vannes 12 est relié à la pile à combustible 7 et au catalyseur 6 par l'intermédiaire de deux conduites 16 et 17. Le compresseur d'air 10 est également relié à la pile à combustible 7 par l'intermédiaire d'une conduite 18, ainsi qu'au reformeur 8 par l'intermédiaire d'une conduite 19. La pile à combustible 7 alimente en énergie électrique une batterie tampon 20 via un câble 21. La batterie 20 alimente des équipements 22 du véhicule par l'intermédiaire du câble 23, ainsi que le compresseur d'air 10 par l'intermédiaire du câble 24. Le système de vannes 12 comprend au moins deux vannes 28 et 29. L'entrée de la vanne 28 est reliée à la conduite 14 et l'entrée de la vanne 29 est reliée à la conduite 15. Les sorties des deux vannes 28, In Figure 1, there is shown schematically a vehicle according to one aspect of the invention. The vehicle 1 comprises a combustion engine 2 driving wheels 3. The engine 2 is fed by a hydrocarbon fuel tank 4 to which it is connected by a pipe 5. The exhaust gases produced by the engine 2 pass through a catalyst 6 before The vehicle 1 also comprises a fuel cell 7, a reformer 8, a hydrogen reservoir 9 and an air compression unit 10. The reformer 8 is supplied with fuel A valve system 12, controlled by an electronic control unit (ECU) 13, connects the reformer 8 and the reservoir 9 to the fuel cell 7 and / or to the catalyst 6. The reformer 8 and the tank 9 are connected to the valve system 12 via two lines 14 and 15, while the valve system 12 is connected to the fuel cell 7 and the catalyst 6 via two piping 16 and 17. The air compressor 10 is also connected to the fuel cell 7 via a line 18, as well as to the reformer 8 via a line 19. The fuel cell 7 supplies a buffer battery 20 with electrical power via a cable 21. The battery 20 supplies equipment 22 of the vehicle via the cable 23, as well as the air compressor 10 via the cable 24. The valve system 12 comprises at least two valves 28 and 29. The inlet of the valve 28 is connected to the pipe 14 and the inlet of the valve 29 is connected to the pipe 15. The outputs of the two valves 28,
9 29 sont reliées toutes les deux à la conduite 16 et à la conduite 17. Une troisième vanne 26 est comprise dans le système de vannes 12 et est positionnée sur la conduite 17. La pile à combustible 7 est alimentée en oxygène par le compresseur 10 et en hydrogène par le système de vannes 12 qui régule l'origine de l'hydrogène consommé par la pile à combustible 7. Ainsi, la vanne 28 permet de réguler le débit de reformat provenant du reformeur 8, tandis que la vanne 29 permet de réguler le débit d'hydrogène provenant du réservoir d'hydrogène 9. Le reformat et l'hydrogène du réservoir 9 peuvent être mélangés pour alimenter la pile à combustible 7 ou le catalyseur 6. L'hydrogène injecté dans le catalyseur 6 ne servant qu'à augmenter la température du catalyseur 6 au démarrage du moteur à combustion 2, la vanne 26 située sur la conduite 17 permet de réguler le débit d'hydrogène et en particulier d'interrompre l'injection d'hydrogène dans le catalyseur 6 lorsque celui-ci est arrivé à sa température de fonctionnement. Lorsque le véhicule est démarré, l'unité de commande électronique 13 commande l'ouverture des vannes 28 et 29 en fonction du taux d'hydrogène du reformat produit par le reformeur 8. Ce taux d'hydrogène peut être mesuré à l'aide de capteurs non-représentés. Ainsi, lorsque le taux d'hydrogène dans le reformat est inférieur à 25% (au démarrage du reformeur 8 par exemple) et ne permet pas de faire fonctionner correctement la pile à combustible 7, l'unité de commande 13 ferme la vanne 28 et ouvre la vanne 29 de manière à alimenter la pile à combustible 7 avec l'hydrogène stocké dans le réservoir 9. Lorsque le taux d'hydrogène dans le reformat est supérieur à 35%, l'unité de commande 13 ferme la vanne 29 et alimente la pile à combustible 7 avec le reformat provenant du reformeur 8. Lorsque le taux d'hydrogène du reformat se situe entre ces deux valeurs, les deux vannes 28 et 29 sont en partie ouvertes. De cette façon, il est possible d'enrichir en hydrogène le reformat afin d'améliorer le fonctionnement de la pile à combustible 7. L'hydrogène stocké dans le réservoir 9 est donc économisé. 9 29 are both connected to the pipe 16 and the pipe 17. A third valve 26 is included in the valve system 12 and is positioned on the pipe 17. The fuel cell 7 is supplied with oxygen by the compressor 10 and hydrogen by the valve system 12 which regulates the origin of the hydrogen consumed by the fuel cell 7. Thus, the valve 28 regulates the reformate flow from the reformer 8, while the valve 29 allows the regulate the flow of hydrogen from the hydrogen reservoir 9. The reformate and the hydrogen of the reservoir 9 can be mixed to feed the fuel cell 7 or the catalyst 6. The hydrogen injected into the catalyst 6 serving only to to increase the temperature of the catalyst 6 at the start of the combustion engine 2, the valve 26 situated on the pipe 17 makes it possible to regulate the flow of hydrogen and in particular to interrupt the injection of hydrogen into the catalyst 6 when it has reached its operating temperature. When the vehicle is started, the electronic control unit 13 controls the opening of the valves 28 and 29 as a function of the hydrogen content of the reformate produced by the reformer 8. This hydrogen content can be measured using sensors not shown. Thus, when the hydrogen content in the reformate is less than 25% (at the start of the reformer 8 for example) and does not make it possible to operate the fuel cell 7 correctly, the control unit 13 closes the valve 28 and opens the valve 29 so as to feed the fuel cell 7 with the hydrogen stored in the tank 9. When the hydrogen content in the reformate is greater than 35%, the control unit 13 closes the valve 29 and supplies the fuel cell 7 with the reformate from the reformer 8. When the hydrogen content of the reformate is between these two values, the two valves 28 and 29 are partly open. In this way, it is possible to enrich the reformate with hydrogen in order to improve the operation of the fuel cell 7. The hydrogen stored in the tank 9 is thus saved.
De plus, l'hydrogène obtenu à la sortie du système de vannes 12 peut également être utilisé pour accélérer la montée en température du catalyseur 6. Le catalyseur 6 a pour but de réduire la quantité de gaz nocifs émis par le véhicule 1. L'efficacité du catalyseur 6 dépend de sa température et il s'amorce typiquement à 200 C. La montée en température du catalyseur 6 est généralement obtenue par la combustion des gaz eux-mêmes à l'intérieur du catalyseur 6. Cependant, au démarrage du véhicule 1, il faut un certain temps, de l'ordre de 100 secondes, pour atteindre cette température. Afin d'accélérer la montée en température du catalyseur 6 dès le démarrage du véhicule 1, on y injecte de l'hydrogène. Pour cela, la sortie du système de vannes 12 est également reliée au catalyseur 6. La présence d'un réservoir d'hydrogène 9 est là encore importante car c'est au démarrage qu'il faut injecter l'hydrogène dans le catalyseur 6 pour favoriser sa montée en température. Le réservoir d'hydrogène 9 évite donc d'attendre la fin de la période de mise en route du reformeur 8. Une fois que le catalyseur 6 a atteint sa température de fonctionnement, il n'est plus nécessaire d'injecter de l'hydrogène dans le catalyseur. L'unité de commande 13 peut alors fermer la vanne 26. In addition, the hydrogen obtained at the outlet of the valve system 12 can also be used to accelerate the temperature increase of the catalyst 6. The purpose of the catalyst 6 is to reduce the quantity of harmful gases emitted by the vehicle 1. The effectiveness of the catalyst 6 depends on its temperature and it typically starts at 200 C. The temperature rise of the catalyst 6 is generally obtained by the combustion of the gases themselves inside the catalyst 6. However, at the start of the vehicle 1, it takes a certain time, of the order of 100 seconds, to reach this temperature. In order to accelerate the rise in temperature of the catalyst 6 from the start of the vehicle 1, hydrogen is injected therein. For this, the output of the valve system 12 is also connected to the catalyst 6. The presence of a hydrogen reservoir 9 is again important because it is at startup that the hydrogen must be injected into the catalyst 6 to promote its rise in temperature. The hydrogen reservoir 9 thus avoids waiting until the end of the start-up period of the reformer 8. Once the catalyst 6 has reached its operating temperature, it is no longer necessary to inject hydrogen. in the catalyst. The control unit 13 can then close the valve 26.
L'ordre de l'unité de commande peut être pris par exemple à partir d'une mesure de la température du catalyseur à l'aide d'un capteur de température (non-représenté). La pile à combustible 7 produit une énergie électrique qui permet d'alimenter la batterie tampon 20 et les équipements électriques 10, 22 du véhicule 1. La batterie tampon 20 permet de réguler la puissance fournie aux équipements 10, 22. Parmi les équipements alimentés par la pile à combustible 7, on peut citer par exemple d'une part les équipements 22 indépendants du système de pile à combustible. Les équipements 22 peuvent comprendre par exemple le système de climatisation ou de chauffage de l'habitacle. Ils ne sont pas forcément nécessaires au fonctionnement du véhicule 1 mais peuvent être sollicités dès son démarrage par l'utilisateur. D'autre part, on peut citer aussi des équipements qui permettent au système de pile à combustible de fonctionner. Ainsi, le moteur non- The order of the control unit can be taken for example from a measurement of the catalyst temperature using a temperature sensor (not shown). The fuel cell 7 produces electrical energy that supplies the buffer battery 20 and the electrical equipment 10, 22 of the vehicle 1. The buffer battery 20 regulates the power supplied to the equipment 10, 22. Of the equipment powered by the fuel cell 7 may be mentioned for example on the one hand the equipment 22 independent of the fuel cell system. The equipment 22 may comprise for example the air conditioning or heating system of the passenger compartment. They are not necessarily necessary for the operation of the vehicle 1 but can be requested from its start by the user. On the other hand, there are also equipment that allows the fuel cell system to operate. Thus, the engine
11 représenté du compresseur 10 fournissant l'oxygène nécessaire au reformeur 8 et à la pile à combustible 7 est alimenté par la batterie 20. Sur la figure 2, un autre mode de réalisation est représenté dans lequel les éléments communs au premier mode de réalisation portent les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, le véhicule 1 est équipé d'une pile à combustible 7 analogue à celui du premier mode de réalisation, ainsi que d'un moteur à combustion 2. Le véhicule 1 comprend cependant un second réservoir 40 de carburant hydrocarboné relié au moteur à combustion 2 par une conduite 50. Les deux réservoirs 4 et 40 de carburant hydrocarboné permettent d'alimenter indépendamment d'une part le reformeur 8 et d'autre part le moteur à combustion 2. I1 est ainsi possible d'adapter le carburant à chacune de ces applications afin de tirer le meilleur rendement de chaque système tout en choisissant le coût le plus faible. 11 shown in the compressor 10 supplying the oxygen necessary for the reformer 8 and the fuel cell 7 is fed by the battery 20. In FIG. 2, another embodiment is shown in which the elements common to the first embodiment bear the same references. In this embodiment, the vehicle 1 is equipped with a fuel cell 7 similar to that of the first embodiment, as well as a combustion engine 2. The vehicle 1 however comprises a second reservoir 40 of hydrocarbon fuel connected to the combustion engine 2 by a pipe 50. The two tanks 4 and 40 of hydrocarbon fuel can feed independently on the one hand the reformer 8 and on the other hand the combustion engine 2. It is thus possible to adapt the fuel to each of these applications in order to get the best performance from each system while choosing the lowest cost.
Sur la figure 3 est représenté un troisième mode de réalisation selon l'invention. Les éléments communs aux modes de réalisation précédents portent les mêmes références. Le véhicule 1 est équipé d'une pile à combustible 7 qui fournit toute l'énergie nécessaire au véhicule 1. Ainsi, le moteur d'entraînement 32 n'est plus un moteur à combustion mais un moteur électrique alimenté par la pile à combustible 7. Le véhicule 1 est équipé d'un seul réservoir de carburant hydrocarboné 4 alimentant le reformeur 8. Un adaptateur de tension 30 est monté entre la pile à combustible 7 et le moteur électrique 32. Il est relié à la pile à combustible 7 par un câble 31 et au moteur 32 par un câble 33. Il permet d'adapter la tension d'alimentation du moteur 32. Ce troisième mode de réalisation permet d'obtenir un véhicule moins polluant et plus silencieux grâce à l'utilisation d'un moteur électrique d'entraînement. In Figure 3 is shown a third embodiment of the invention. The elements common to the previous embodiments bear the same references. The vehicle 1 is equipped with a fuel cell 7 which supplies all the energy necessary for the vehicle 1. Thus, the drive motor 32 is no longer a combustion engine but an electric motor powered by the fuel cell 7 The vehicle 1 is equipped with a single hydrocarbon fuel tank 4 supplying the reformer 8. A voltage adapter 30 is mounted between the fuel cell 7 and the electric motor 32. It is connected to the fuel cell 7 by a 31 and the motor 32 by a cable 33. It adapts the supply voltage of the motor 32. This third embodiment provides a cleaner and quieter vehicle through the use of an engine electric drive.
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| FR0600869A FR2896917A1 (en) | 2006-01-31 | 2006-01-31 | Motor vehicle, has hydrogen reservoir and reformer connected to valve system mounted on upstream of fuel cell, for connecting hydrogen reservoir and reformer alternatively or simultaneously to fuel cell |
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| FR0600869A Pending FR2896917A1 (en) | 2006-01-31 | 2006-01-31 | Motor vehicle, has hydrogen reservoir and reformer connected to valve system mounted on upstream of fuel cell, for connecting hydrogen reservoir and reformer alternatively or simultaneously to fuel cell |
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- 2006-01-31 FR FR0600869A patent/FR2896917A1/en active Pending
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