FR2917821A1 - Dispositif de regulation de la ligne d'alimentation d'une source d'energie, notamment de la ligne d'admission d'air d'une pile a combustible par sous refroidissement - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation de la ligne d'alimentation d'une source d'énergie, notamment de la ligne d'admission d'air d'une pile à combustible.Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend une seconde boucle (2) du même fluide, cette seconde boucle (2) comprenant le compartiment interne (R) de régulation de la source d'énergie et étant parcourue par le fluide de ce compartiment (R), la première boucle (1) et cette seconde boucle (2) étant connectées entre elles en ayant en commun la pompe (4), l'échangeur (D1) de chaleur avec l'extérieur et une partie des moyens (5, 6, 8) de régulation pour réguler le débit de fluide dans ces boucles (1 et 2), ces moyens de régulation (5, 6, 8) étant commandés par une logique de commande (9) au moins selon la température du flux (T2) dans la ligne d'alimentation, la température du fluide d'échange (T3) de chaleur à la sortie du compartiment interne (R) de la source d'énergie et la température (T4) du fluide amené à l'échangeur de chaleur (L) entre la ligne d'alimentation et la première boucle ( 1 ) .Utilisation de ce dispositif de régulation de la température d'admission pour tout type de véhicules à moteur thermique et/ou moteur électrique.

Description

Dispositif de régulation de la ligne d'alimentation d'une source

d'énergie, notamment de la ligne d'admission d'air d'une pile à combustible par sous refroidissement La présente invention concerne le domaine de régulation de la ligne d'alimentation d'une source d'énergie dans un véhicule, par exemple un véhicule thermique, électrique ou hybride, équipé ou non d'une pile à combustible. Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine de régulation de la ligne d'air d'admission d'une pile à combustible dans un groupe électrogène embarqué sur véhicule, soit en source principale d'énergie soit en source d'énergie complémentaire. L'utilisation de tels groupes électrogènes embarqués s'est considérablement développée récemment, notamment dans le domaine des véhicules automobiles. Dans le cas d'une pile à combustible, il est connu qu'une telle pile, par exemple une pile à combustible à membranes échangeuses de protons dite PEMFC, produit de l'électricité à partir de la réaction de synthèse de l'eau par combinaison d'oxygène et d'hydrogène. Comme le montre la figure 1, illustrant le schéma simplifié d'une pile à combustible, l'oxygène, le plus souvent provenant de l'air atmosphérique pressurisé par un compresseur A et dont la température est adaptée, est acheminé, le cas échéant après humidification au poste C, vers la cathode Ha tandis que l'hydrogène, provenant d'une source B de stockage pure ou de la transformation d'un carburant hydrogéné est acheminé à l'anode Hb d'une pile à combustible H pour produire de l'électricité G par réaction chimique. Cette pile à combustible est refroidie par un système de refroidissement D. A la sortie de la cathode Ha de la pile à combustible H, sort par la ligne d'échappement E un mélange d'air humide appauvri en oxygène d'environ 10% et d'eau produite lors de la réaction dans la pile à combustible. De l'anode, sort par la ligne d'échappement F un mélange d'hydrogène, d'azote et d'eau, ceci de façon continue ou par intermittence lors de purges. En plus de ces deux évacuation, les fuites en hydrogène que présente inévitablement la pile à combustible et les fuites de certains organes transportant de l'hydrogène, peuvent être canalisées dans un carter J puis acheminées vers l'extérieur par un système actif de ventilation débouchant sur la ligne d'échappement K pour des raisons de sécurité du fait du risque d'explosion. Pour le bon fonctionnement de la pile à combustible, il convient de réguler la température d'air à l'entrée d'admission de la pile dans une plage de température entre une limite inférieure et une limite supérieure. La limite inférieure permet de ne pas dégrader le fonctionnement de la ligne d'air par le gel dans le cas d'un fonctionnement par grand froid étant donné que l'aspiration d'air à une température très basse pourrait faire geler l'eau produite par la pile et/ou l'humidificateur C. La limite supérieure de la plage de température correspond à la limite de résistance thermique de la pile en entrée d'air et/ou de l'humidificateur tant pour son efficacité que pour sa résistance propre. En effet, le compresseur d'air en augmentant la pression augmente la température : par exemple pour comprimer 30 g/s d'air à 0,5 bar, l'air subit une élévation de l'ordre de 70 C, ce qui est incompatible avec des températures de fonctionnement de la pile et/ou de l'humidificateur lorsque la température ambiante est de 37 C : l'air serait alors porté à une température de l'ordre de 105 C. A l'inverse, cette élévation de température n'est plus que de 5 C à 5 g/s pour un même ensemble pile à combustible. Or si l'air ambiant est par exemple à -20 C, l'apport en température au ralenti n'est pas suffisant pour sortir des conditions de gel. Ce dernier point est tout particulièrement pertinent pour les véhicules électriques à augmentateur d'autonomie appelés aussi Range Extender , où la pile à combustible représente une source d'énergie complémentaire et pour lesquels la puissance pile à combustible et la vitesse du véhicule ne sont a priori pas liées puisque c'est une batterie qui assure l'essentiel de l'apport d'énergie. Il convient donc de prévoir entre le compresseur et l'humidificateur un dispositif de régulation de température de l'air dans la ligne d'admission qui tient compte des conditions extérieures de température. Les solutions existantes de refroidissement de la ligne d'air d'admission utilisent usuellement l'air extérieur via un échangeur air/air, ou parfois via un échangeur air/eau sur la boucle d'eau de basse température pour le refroidissement des organes d'électronique de puissance des systèmes ou du véhicule (machine électrique, convertisseur, onduleurs, etc...). Un circuit de refroidissement commun aux organes électroniques et à l'air d'admission d'une pile à combustible est montré, par exemple, dans le document FRA-2 866 476. Les solutions existantes pour élever la température de la ligne d'air d'admission utilisent principalement une résistance électrique pour le chauffage de l'air, afin de palier au manque d'élévation de température à faible régime due à l'effet de compression de l'alimentation en air. Cette résistance électrique est généralement couplée avec une fonction de dérivation du refroidisseur d'air. On trouve parfois un ralenti accéléré du compresseur qui permet de chauffer plus que ce que le débit nécessaire au faible régime pile n'exigerait. Ces solutions présentent un coût élevé.

Toutes ces solutions ne sont pas adaptées au fonctionnement découplé de la pile et du véhicule comme c'est le cas dans les véhicules à augmentateur d'autonomie, où la pile à combustible ne représente qu'un appoint d'énergie. Par ailleurs, le document US-A-2003/49504 montre par exemple une pile à combustible avec un moyen de chauffage pour chauffer la pile à combustible d'un véhicule pendant son arrêt, ce moyen de chauffage étant piloté par un dispositif de commande. Il convient de remarquer que ce document n'est relatif qu'au problème de démarrage de véhicules à pile à combustible par température très basse et qu'une régulation de la ligne d'alimentation en air n'est pas divulguée par ce document. De plus, une régulation de la température de la pile à combustible pour toute température extérieure n'est pas non plus divulguée par ce document.

Le problème à la base de la présente invention est de pouvoir réguler la température dans une ligne d'admission pour une source d'énergie embarquée dans un véhicule, afin que cette source d'énergie puisse fonctionner en conditions optimales sous toutes températures extérieures, tout en opérant simultanément une régulation de la température de la source d'énergie. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation de la température, d'une part, dans une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie et d'autre part, dans la source d'énergie présentant un compartiment interne de régulation de la température avec un fluide d'échange de chaleur, ce dispositif de régulation comprenant une première boucle de fluide d'échange de chaleur, cette boucle étant reliée à la ligne d'alimentation de flux par un échangeur de chaleur adéquat et comprenant en outre une pompe, un premier échangeur de chaleur vers l'extérieur et des moyens de régulation du débit de fluide dans ce premier échangeur de chaleur vers l'extérieur, caractérisé en ce que ce dispositif de régulation comprend une seconde boucle du même fluide d'échange de chaleur, cette seconde boucle traversant le compartiment interne de régulation de la source d'énergie et étant parcourue par le fluide d'échange de chaleur de ce compartiment, cette première boucle et cette seconde boucle étant connectées entre elles en ayant en commun la pompe, l'échangeur de chaleur avec l'extérieur et une partie des moyens de régulation pour réguler le débit de fluide dans ces boucles, ces moyens de régulation étant commandés par une logique de commande au moins selon la température du flux dans la ligne d'alimentation, la température du fluide d'échange de chaleur à la sortie du compartiment interne de régulation de chaleur de la source d'énergie et la température du fluide d'échange de chaleur amené à l'échangeur de chaleur entre la ligne d'alimentation et la première boucle.

Selon des caractéristiques additionnelles du dispositif : - la première boucle et la seconde boucle ont aussi en commun un second échangeur de chaleur vers l'extérieur, disposé après le premier échangeur de chaleur vers l'extérieur et effectuant un sous refroidissement d'une partie du fluide échangeur de chaleur des première et seconde boucles, - la première boucle comprend un moyen de chauffage placé dans une branche en dérivation de l'échangeur de chaleur vers l'extérieur de la première boucle, cette branche de dérivation présentant un bras rejoignant la première boucle avant le second échangeur de chaleur vers l'extérieur, des moyens de régulation permettant de distribuer les débits de fluide entre l'échangeur de chaleur vers l'extérieur et le moyen de chauffage, - la branche de dérivation et la première boucle se rejoigne aussi par une seconde jonction entre un second bras de cette branche de dérivation et la première boucle après que le fluide de la première boucle ait traversé le second échangeur de chaleur vers l'extérieur et avant qu'il n'aille à l'échangeur de chaleur de la ligne d'alimentation et de la première boucle, des moyens de régulation de fluide dans la branche de dérivation et dans la première boucle avant et après jonction de la première boucle et de la branche de dérivation étant prévus, ces moyens de régulation comprenant de préférence une électrovanne à trois voies proportionnelle commandée par la logique de commande, - le second échangeur de chaleur vers l'extérieur de la première boucle est relié avec un troisième échangeur de chaleur vers l'extérieur pour former tous les deux un radiateur combiné basse température et sous refroidissement par cloisonnement, ce troisième échangeur de chaleur vers l'extérieur pouvant, le cas échéant, servir en outre d'échangeur de chaleur à des éléments extérieurs à l'ensemble des première et seconde boucles et disposés sur un circuit propre à ce troisième échangeur de chaleur vers l'extérieur, la branche de dérivation porte l'aérotherme du véhicule automobile et, le cas échéant, le moyen de chauffage de cette branche peut être placé en position inopérante de telle sorte que le fluide passant par la branche de dérivation ne subisse aucun échange thermique autres que les pertes inévitables, - d'autres paramètres peuvent être pris en compte par la logique de commande, notamment la température extérieure, la température et/ou la pression régnant dans la ligne d'admission avant l'entrée dans l'échangeur de chaleur ligne première boucle, le débit de flux dans cette ligne d'alimentation, les paramètres d'échange de chaleur propres à chacune des boucles, branche de dérivation ou circuit du troisième échangeur de chaleur vers l'extérieur, notamment la température de chaque boucle, branche ou circuit, le cas échéant les paramètres d'échange de chaleur des échangeurs de chaleur vers l'extérieur respectifs de la boucle ou du circuit, le cas échéant l'apport de chaleur des divers éléments se trouvant sur chaque boucle ou sur le circuit du troisième échangeur de chaleur, et divers paramètres de la source d'énergie, comme sa puissance d'entrée et de sortie, sa température de fonctionnement, le cas échéant les paramètres de son dispositif interne de régulation de température, -l'échangeur de chaleur de la ligne d'alimentation avec la première boucle est un échangeur air-eau ou un échangeur air-eau avec antigel. L'invention concerne aussi une pile à combustible avec un compartiment interne de régulation de sa température comprenant un tel dispositif de régulation de la température dans sa ligne d'alimentation en air, ce dispositif servant aussi à la régulation de température du compartiment interne de régulation de température de la pile à combustible.

L'invention concerne aussi l'utilisation d'une source d'énergie présentant un tel dispositif de régulation de la température dans au moins une de ses lignes d'alimentation et/ou d'une telle pile à combustible dans un véhicule électrique équipé d'un système à pile à combustible en source principale d'énergie, ou dans un véhicule électrique équipé d'un système à pile à combustible en augmentateur d'autonomie, ou dans un véhicule thermique équipé ou non d'une pile à combustible, ou dans un véhicule hybride thermique- électrique pour lesquels, le cas échéant, au moins l'air d'admission du moteur thermique peut être régulé avec ce dispositif de régulation. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures 30 annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation selon l'état de la technique, 35 - la figure 2 montre un dispositif de régulation de la température de la ligne d'alimentation en air à une pile à combustible par utilisation du fluide de régulation de température du compartiment interne de régulation de température de cette pile à combustible, - la figure 3 montre une représentation schématique de l'échangeur de chaleur combiné basse température et sous refroidissement par cloisonnement des boîtes à eau de chacun de ses échangeurs. Il convient de signaler que, bien que dans la description qui va suivre il ne soit fait référence qu'à une pile à combustible, la présente invention s'applique aussi à la régulation de température à l'admission d'air pour moteur thermique et pour la régulation de température de toute autre source d'énergie embarquée sur un véhicule. Il va de soi aussi que les véhicules en question peuvent être hybrides, c'est-à-dire thermiques et électriques pour lesquels l'air d'admission du moteur thermique peut être régulé selon la présente invention. La présente invention est destinée aussi aux véhicules électriques à augmentateur d'autonomie, pouvant comprendre une gamme de véhicules allant de véhicules avec une petite pile à combustible et une grosse batterie à des véhicules avec une grosse pile à combustible et une petite batterie. La présente invention s'applique donc à la régulation d'un fluide d'admission d'un quelconque moteur de véhicule équipé ou non d'une pile à combustible, cela quel que soit le taux d'hybridation du véhicule. La pile à combustible, dont il sera question dans la suite, peut être tout aussi bien utilisée en tant que source principale d'énergie pour le véhicule qu'en augmentateur d'autonomie dans le cas d'un véhicule comprenant une batterie et une pile à combustible, ou en source d'énergie auxiliaire comme sur un véhicule thermique équipé d'une pile à combustible pour des besoins auxiliaires.

La figure 2 montre une ligne d'admission d'air pour la cathode Ha d'une pile à combustible où l'air extérieur arrive à une température Text et à la pression atmosphérique Patm. Cet air est soumis à l'action d'un compresseur A qui augmente sa pression P1 et sa température T1. Entre le compresseur A et l'humidificateur C, est placé un dispositif de régulation de la température de cette ligne d'admission d'air, dispositif qui est l'objet de la présente invention. Ce dispositif de régulation de la température, s'applique d'une part, à la ligne d'alimentation d'air à la pile à combustible et, d'autre part, au compartiment interne R de régulation de la température avec de l'eau comme fluide d'échange de chaleur, ce dispositif de régulation comprenant une première boucle 1 d'eau, cette boucle 1 étant reliée à la ligne d'alimentation d'air par un échangeur de chaleur L air/eau et comprenant en outre une pompe 4, un premier échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur et des moyens de régulation 6, 8 du débit d'eau vers ce premier échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur. Le dispositif comprend en outre une seconde boucle 2 d'eau traversant le compartiment interne R de régulation de la pile et étant parcourue par l'eau de régulation de température de ce compartiment, cette première boucle 1 et seconde boucle 2 étant connectées entre elles en ayant en commun la pompe 4, l'échangeur de chaleur Dl avec l'extérieur et une partie des moyens de régulation 8 pour réguler le débit d'eau dans ces boucles 1, 2. Ces moyens de régulation 8 sont commandés par une logique de commande 9 au moins selon la température de l'air T2 dans la ligne d'alimentation après passage dans l'échangeur de chaleur L air-eau de la ligne, la température T3 de l'eau à la sortie du compartiment interne R de régulation de température de la pile à combustible et la température T4 de l'eau amenée à l'échangeur de chaleur L air/eau entre la ligne d'alimentation et la première boucle 1.

Il est évident qu'un autre liquide de refroidissement que l'eau peut être utilisé pour la régulation si le besoin s'en fait sentir, par exemple de l'eau avec un apport d'antigel. Il est aussi évident que l'autre côté de l'échangeur est traversé par un flux d'alimentation qui peut ne pas être de l'air selon la source d'énergie alimentée. Ces échangeurs de chaleur ligne d'alimentation/première boucle sont de préférence des échangeurs à contre-courant. Pour la détermination de la température T2 sur la ligne d'alimentation après passage via l'échangeur L de chaleur air/eau, un capteur mesure cette température T2 de la ligne et transmet cette donnée à la logique de commande 9 afin de permettre le pilotage des divers moyens de régulation. D'autres données peuvent aussi être transmises à la logique de commande 9 afin qu'elle puisse piloter la régulation de température de manière adéquate, comme il sera détaillé par la suite. La première boucle 1 et la seconde boucle 2 ont aussi en commun un second échangeur D3 de chaleur vers l'extérieur, disposé après le premier échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur et effectuant un sous refroidissement de l'eau des première et seconde boucles 1, 2. La première boucle 1 comprend aussi un moyen de chauffage 7 placé dans une branche 3 en dérivation de l'échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur de la première boucle 1, cette branche 3 de dérivation rejoignant la première boucle 1 avant le second échangeur D3 de chaleur par l'intermédiaire d'un bras 3a, des moyens de régulation 5 et 8 permettant de distribuer les débits d'eau entre l'échangeur Dl de chaleur et le moyen de chauffage 7. La branche 3 de dérivation, par l'intermédiaire d'un deuxième bras 3b, et la première boucle 1 se rejoigne aussi par une seconde jonction après que l'eau de la première boucle 1 ait traversé le second échangeur D3 de chaleur vers l'extérieur et avant qu'elle n'aille à l'échangeur L de chaleur air-eau de la ligne d'alimentation, cette première boucle 1 présentant un moyen de régulation 6 de fluide dans la branche 3 de dérivation et dans la première boucle 1 avant et après jonction de celle-ci avec le bras 3b de la branche 3 de dérivation, ce moyen de régulation 6 étant sous la forme d'une électrovanne à trois voies proportionnelle commandée par la logique de commande 9 notamment selon la température T2 de la ligne d'alimentation à la sortie de l'échangeur L de chaleur air/eau et selon la température T4 prise après l'électrovanne 6 dans la première boucle 1 avant l'échangeur L de chaleur air/eau de la ligne d'alimentation avec la première boucle 1. L'air en sortie de l'organe de compression A est donc dirigé vers l'échangeur L air/eau de la ligne d'alimentation et de la première boucle 1 et l'eau qui alimente cet échangeur L provient du second échangeur D3 de chaleur vers l'extérieur. Ce second échangeur D3 de chaleur vers l'extérieur effectue un sous-refroidissement de l'eau de la première boucle 1, refroidissement rendu nécessaire par le fait que la différence de température de l'eau entre l'entrée et la sortie de la pile qui est environ de 5 C n'est pas suffisante pour permettre une humidification satisfaisante de l'air dans la ligne d'alimentation passant dans l'humidificateur C. C'est le cas par exemple lors d'une humidification par un humidificateur C à membrane utilisant l'eau contenue dans l'air à la sortie de la pile pour humidifier l'air à l'entrée de la pile sur la ligne d'alimentation de la cathode Ha de la pile. Pour cela, il faudrait que l'air sec à l'entrée de l'humidificateur C soit abaissé 10 C en dessous de la température de l'air humide sortant par la ligne E d'échappement de la cathode Ha de la pile et donc de la température T3 de l'eau de régulation du compartiment interne R en sortie de pile. Cet écart de température est rendu possible par l'utilisation du sous-refroidissement piloté effectué par le second échangeur D3 de chaleur vers l'extérieur.

Lors des fonctionnements en climat froid, et pendant les phases de démarrage par temps froid, l'échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur de la première boucle 1 qui sert principalement au refroidissement de l'eau du compartiment interne R de régulation de la pile à combustible est généralement au moins partiellement mis hors boucle par le moyen de régulation 8, par exemple une électrovanne, pour faciliter la montée en température de l'eau grâce à la dissipation thermique de la pile ou à l'aide du moyen de chauffage 7 de la branche 3 de dérivation, par exemple une résistance électrique. Comme le piquage de l'eau en sortie du premier échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur, cet eau étant dirigée vers le second échangeur D3 de chaleur, se fait après la première jonction entre la première boucle 1 passant dans ce premier échangeur Dl et le premier bras 3a de la branche 3 de dérivation du moyen de chauffage 7, la direction de circulation de l'eau entre cette jonction et le piquage vers le second échangeur D3 est maintenue quelles que soient les positions des moyens de régulation 5, 6, 8. Ceci a lieu par temps chaud et dès que la température T3 du compartiment interne R de la pile dépasse une limite supérieure telle que l'air ne pourrait plus être amené à un niveau de température T2 après l'échangeur L air/eau suffisamment bas. Par temps froid, le premier échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur est mis hors boucle par les moyens de régulation 6 et 8, composés au moins d'une électrovanne 6 à trois voies proportionnelle de telle façon que l'eau amenée à l'échangeur L air/eau de la ligne d'alimentation soit à une température T4 supérieure aux conditions de gel. En effet dans ces conditions, la température de la pile est montée puis maintenue à plus de 0 C, en général à une température supérieure ou égale à 5 C, soit par le moyen de chauffage 7 de la branche 3 de dérivation à la première boucle 1 ou soit par sa propre dissipation thermique. Le second échangeur de chaleur D3 vers l'extérieur de la première boucle 1 est relié avec un troisième échangeur D2 de chaleur vers l'extérieur formant un radiateur combiné basse température et sous refroidissement par cloisonnement, ce troisième échangeur D2 de chaleur pouvant, le cas échéant, servir en outre d'échangeur de chaleur à des éléments extérieurs 17 à l'ensemble des première et seconde boucles 1, 2. Le troisième échangeur D2 de chaleur vers l'extérieur est sur un circuit dit circuit de régulation à température basse et dont la température ne dépasse pas 60 C contrairement au circuit formé par les deux premières boucles 1, 2 et la dérivation 3, où l'eau sortant du compartiment interne R de régulation de la pile peut atteindre 80 C, ce circuit étant caractérisé comme réalisant le circuit haute température. De préférence, sur le circuit basse température du troisième échangeur D2 peut se trouver comme éléments extérieurs 17 à réguler de l'électronique de puissance. Par électronique de puissance, il est entendu les composants électroniques servant à la commande et au contrôle de la pile à combustible, par exemple la logique de commande 9, d'autres logiques de commande pour la régulation des flux d'échappement de la pile à combustible si celles-ci ne sont pas réunies à la première logique de commande 9 et des éléments électroniques du véhicule tels que machines électriques, convertisseur, onduleurs, etc...

Ce troisième échangeur D3 de chaleur vers l'extérieur peut être placé juste en dessous du premier échangeur Dl et être doté d'un ventilateur 11. La branche de dérivation 3, portant aussi éventuellement l'aérotherme 10 de chauffage habitacle du véhicule, a son moyen de chauffage 7 qui, le cas échéant, peut être placé en position inopérante de telle sorte que l'eau passant par la branche 3 de dérivation ne subisse aucun échange thermique autre que les pertes inévitables. D'autres données que précédemment citées peuvent être transmises à la logique de commande 9 afin qu'elle puisse piloter la régulation de température de manière adéquate. Ces données peuvent être nécessaires pour un meilleur fonctionnement du dispositif de régulation pour la ligne d'alimentation en air, d'une part, et la pile, d'autre part. La logique de commande 9 peut donc tenir compte d'autres paramètres, notamment de la température extérieure Text, la température T1 et/ou la pression P1 régnant dans la ligne d'admission avant l'entrée dans l'échangeur de chaleur L air/eau de la ligne avec la première boucle, le débit de flux dans la ligne d'alimentation, les paramètres d'échange de chaleur propres à chacune des boucles 1 et 2 , notamment la température de chaque boucle 1 ou 2, et les paramètres des moyens de régulation 5, 6, 8, les paramètres d'échange de chaleur des échangeurs de chaleur Dl, D2, D3 vers l'extérieur respectifs de la boucle ou du circuit basse température, le cas échéant l'apport de chaleur des divers éléments 10, 17 se trouvant sur chaque boucle 1 ou 2 ou sur la branche 3 de dérivation ou sur le circuit du troisième échangeur D2 de chaleur vers l'extérieur, et divers paramètres de la source d'énergie, comme sa puissance d'entrée et de sortie, sa température T3 de fonctionnement, le cas échéant les paramètres de son dispositif interne R de régulation de température. La figure 3 détaille le principe de fonctionnement d'un échangeur de chaleur vers l'extérieur combiné. Un tel échangeur de chaleur combiné est avantageusement utilisé pour réaliser le second D2 et le troisième échangeur D3 de chaleur vers l'extérieur. Une cloison 16 sépare les deux circuits 13a, 13b ; 14a, 14b d'eau respectifs à chacun des échangeurs D2 et D3 de chaleur vers l'extérieur formant ainsi deux zones distinctes présentant une répartition 13a, 14a et une collecte d'eau 13b, 14b sur deux groupes de tubes d'un même faisceau. Cette disposition permet de rendre plus compact l'ensemble des deux échangeurs D2 et D3 de chaleur vers l'extérieur. Ainsi, l'air extérieur de refroidissement poussé par le ou les ventilateurs 11 traverse successivement le troisième échangeur D2 de chaleur dit aussi radiateur mixte basse température D2, le second échangeur de chaleur D3 vers l'extérieur dit aussi radiateur de sous refroidissement et enfin le premier échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur dit radiateur haute température de la pile à combustible et de la ligne d'alimentation à la cathode Ha de cette pile. Plusieurs exemples de fonctionnement du dispositif de régulation dans diverses conditions de fonctionnement 15 vont suivre. Pendant le démarrage de l'ensemble pile à combustible par des températures ambiantes négatives, il doit être procédé au préchauffage de la pile. La logique de commande 9 commande de mettre hors boucle la partie de 20 la première boucle 1 alimentant le premieréchangeur Dl de chaleur vers l'extérieur et tout le flux d'eau de la première boucle 1 passe par la branche 3 de dérivation du moyen de chauffage 7, convenablement activé par la logique de commande 9. Il est alors procédé au 25 préchauffage de la pile par l'intermédiaire de son compartiment interne de régulation R ce qui permet d'obtenir dans un délai très court, d'environ de 30 à 60 secondes une source chaude dans ce compartiment interne R. Cette mise hors boucle du premier échangeur Dl de 30 chaleur pendant la phase de préchauffage est effectuée par l'électrovanne 8, l'eau ne passant alors que dans la branche 3 de dérivation de chauffage. Ceci permet de disposer d'une source chaude et d'augmenter si nécessaire la température T1 de l'air à la sortie du compresseur A 35 pour qu'il présente en aval dans la ligne d'alimentation une température T2 qui soit compatible avec le fonctionnement de l'humidificateur C ou de la pile à combustible. Pendant le fonctionnement de la pile à combustible par température ambiante négative, et particulièrement à faible régime et donc à faible élévation de température due à la compression de l'air d'admission, le dispositif de régulation selon la présente invention empêche d'envoyer de l'air à une température négative dans le compartiment cathodique de la pile Ha et/ou dans l'humidificateur C en réchauffant cet air d'admission. En effet, l'eau alimentant l'échangeur L de chaleur air/eau de la ligne d'alimentation est alors à des températures T4 positives et inférieures à la température de la pile T3 du fait d'un dosage approprié au moyen de l'électrovanne 6 du débit d'eau provenant du second échangeur D3 de chaleur vers l'extérieur et du débit d'eau venant du compartiment interne R de régulation réchauffé par le fonctionnement de la pile. Pendant l'utilisation à haute température ambiante, l'élévation de température T1 liée au compresseur A, surtout aux forts régimes pile, peut dégrader fortement le compartiment cathodique Ha de la pile à combustible et/ou l'humidificateur C, il est alors nécessaire de refroidir l'air sortant du compresseur A par l'échangeur air/eau L ligne-première boucle en utilisant le débit d'eau ayant successivement traversé le premier échangeur Dl de chaleur vers l'extérieur et le second échangeur D3 de chaleur. La branche 3 de dérivation du moyen de chauffage 7 est alors mise hors circuit par action de l'électrovanne 5.

Pendant l'utilisation à des températures tempérées, le dispositif de régulation selon la présente invention permet de réguler finement la température de l'air d'admission entre des niveaux de température adaptés au besoin moyen de la pile à combustible c'est-à-dire entre 60 et 80 C. Cette température T2 est toujours située quelques degrés, en général 10 C, en dessous de la température de la pile T3 pour faciliter l'humidification. Cela vaut particulièrement pour les humidificateurs C à membranes. L'eau passant dans l'échangeur L air/eau provient alors de façon régulée à l'aide de l'électrovanne 6, soit par le bras 3b de la branche 3 de dérivation comprenant le moyen de chauffage 7, cette eau étant alors à la température de la pile T3 avec dans ces conditions l'électrovanne 5 en position ouverte, soit des premier Dl et second D3 échangeurs de chaleur vers l'extérieur.

Les avantages obtenus par le dispositif de régulation selon la présente invention sont nombreux. On citera entre autres : Un tel dispositif de régulation, du fait de sa logique de commande 9 qui peut modifier le réglage des moyens de régulation, permet d'obtenir une régulation précise de la température T2 de la ligne d'admission d'air avant l'humidificateur C et/ou de la pile à combustible dans la plage de température compatible avec le fonctionnement de la pile, c'est-à-dire 50 C-80 C en fonctionnement normal. Un tel dispositif apporte aussi une élévation de température de la pile lors des démarrages en conditions de gel du fait de l'utilisation du moyen de chauffage 7 pour chauffer le compartiment interne R de régulation de chaleur de la pile à combustible. Un tel dispositif permet l'utilisation de la chaleur dégagée par la pile afin de chauffer l'air d'admission lorsque l'élévation de température Tl d'air dans le compresseur A n'est pas suffisante, ce qui se produit dans le cas de régime bas par température ambiante Text en dessous de zéro. Ceci est obtenu pour tout régime de la pile à combustible et toute vitesse véhicule. Le dispositif permet aussi l'utilisation du circuit du troisième échangeur D2 de chaleur vers l'extérieur, par exemple celui destiné au refroidissement de l'électronique de puissance du véhicule pour refroidir l'air d'admission par forte chaleur ambiante et à régime élevé, ce qui permet de s'affranchir de la vitesse véhicule et donc de l'ajout d'un radiateur ventilé. En effet sur les véhicules à augmentateur d'autonomie, la pile à combustible est supposée pouvoir tourner à fort régime même lorsque le véhicule est à l'arrêt. De plus, le dispositif est plus économique énergétiquement que l'utilisation d'une résistance chauffante agissant directement sur l'air d'admission. En effet, il utilise la chaleur dissipée par la pile en fonctionnement continu et apporte par la résistance de préchauffage un appoint ciblé pour le démarrage. Le régime de ralenti acceléré du compresseur, selon l'état de la technique, comme seul moyen pour éléver suffisamment la température est moins rentable énergétiquement et peut entraîner des risques de déshydratation des membranes de la pile avec dégradation possible de celle-ci. Le dispositif selon la présente invention permet aussi une limitation du nombre d'organes intervenant pour ce préchauffage, et une diminution de leur taille. Il apparaît donc clairement que ce dispositif de régulation est très avantageux par rapport à une architecture connue avec un radiateur air/air pouvant être mis hors circuit et un réchauffeur électrique d'air.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de régulation de la température, d'une part, dans une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie et, d'autre part, dans la source d'énergie présentant un compartiment interne (R) de régulation de la température avec un fluide d'échange de chaleur, ce dispositif de régulation comprenant une première boucle (1) de fluide d'échange de chaleur, cette boucle (1) étant reliée à la ligne d'alimentation de flux par un échangeur de chaleur (L) adéquat et comprenant en outre une pompe (4), un premier échangeur (Dl) de chaleur vers l'extérieur et des moyens (5, 6, 8) de régulation du débit de fluide dans ce premier échangeur (Dl) de chaleur vers l'extérieur, caractérisé en ce que ce dispositif de régulation comprend une seconde boucle (2) du même fluide d'échange de chaleur, cette seconde boucle (2) traversant le compartiment interne (R) de régulation de la source d'énergie et étant parcourue par le fluide d'échange de chaleur de ce compartiment (R), cette première boucle (1) et cette seconde boucle (2) étant connectées entre elles en ayant en commun la pompe (4), l'échangeur (Dl) de chaleur avec l'extérieur et une partie des moyens (5, 6, 8) de régulation pour réguler le débit de fluide dans ces boucles (1 et

2), ces moyens de régulation (5, 6, 8) étant commandés par une logique de commande (9) au moins selon la température du flux (T2) dans la ligne d'alimentation, la température du fluide d'échange (T3) de chaleur à la sortie du compartiment interne (R) de régulation de chaleur de la source d'énergie et la température (T4) du fluide d'échange de chaleur amené à l'échangeur de chaleur (L) entre la ligne d'alimentation et la première boucle (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première boucle (1) et la seconde boucle (2) ont aussi en commun un second échangeur (D3) de chaleur vers l'extérieur, disposé après le premier échangeur (Dl)de chaleur vers l'extérieur et effectuant un sous refroidissement d'une partie du fluide échangeur de chaleur des première et seconde boucles (1, 2).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première boucle (1) comprend un moyen de chauffage (7) placé dans une branche (3) en dérivation de l'échangeur de chaleur (Dl) vers l'extérieur de la première boucle (1), cette branche (3) de dérivation présentant un bras (3a) rejoignant la première boucle (1) avant le second échangeur (D3) de chaleur, des moyens de régulation (5, 8) permettant de distribuer les débits de fluide entre l'échangeur de chaleur (Dl) et le moyen de chauffage (7).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la branche (3) de dérivation et la première boucle (1) se rejoigne aussi par une seconde jonction entre un second bras (3b) de cette branche (3) de dérivation et la première boucle (1) après que le fluide de la première boucle ait traversé le second échangeur (D3) de chaleur vers l'extérieur et avant qu'il n'aille à l'échangeur de chaleur (L) de la ligne d'alimentation et de la première boucle (1), des moyens de régulation (6) de fluide dans la branche (3) de dérivation et dans la première boucle (1) avant et après jonction de la première boucle (1) et de la branche (3) de dérivation par l'intermédiaire de son second bras (3b) étant prévus, ces moyens de régulation (6) comprenant de préférence une électrovanne à trois voies proportionnelle commandée par la logique de commande (9).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le second échangeur de chaleur (D3) vers l'extérieur de la première boucle (1) est relié avec un troisième échangeur (D2) de chaleur vers l'extérieur formant tous les deux un radiateur combiné basse température et sous refroidissement par cloisonnement, ce troisième échangeur (D2) de chaleur pouvant, le cas échéant, servir en outred'échangeur de chaleur à des éléments extérieurs (17) à l'ensemble des première et seconde boucles (1 et 2) et disposés sur un circuit propre à ce troisième échangeur (D3) de chaleur vers l'extérieur.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la branche (3) de dérivation porte l'aérotherme (10) du véhicule automobile et que, le cas échéant, le moyen de chauffage (7) de cette branche (3) peut être placé en position inopérante de telle sorte que le fluide passant par la branche (3) de dérivation ne subisse aucun échange thermique autres que les pertes inévitables.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que d'autres paramètres peuvent être pris en compte par la logique de commande, notamment la température extérieure (Text), la température (T1) et /ou la pression (P1) régnant dans la ligne d'admission avant l'entrée dans l'échangeur de chaleur L de la ligne d'alimentation avec la première boucle (1), le débit de flux dans la ligne d'alimentation, les paramètres d'échange de chaleur propres à chacune des boucles (1 et 2) et à la branche (3) de dérivation ainsi qu'à ses bras (3a, 3b) de raccordement et au circuit du troisième (D2) échangeur de chaleur, notamment la température de chaque boucle (1 ou 2), branche (3) ou circuit, le cas échéant les paramètres d'échange de chaleur des échangeurs de chaleur (Dl, D2 et D3) vers l'extérieur respectifs de chaque boucle (1 ou 2) ou circuit, le cas échéant l'apport de chaleur des divers éléments (10, 17) se trouvant sur chaque boucle (1 ou 2), branche (3) ou sur le circuit du troisième échangeur (D2) de chaleur vers l'extérieur, et divers paramètres de la source d'énergie, comme sa puissance d'entrée et de sortie, sa température de fonctionnement:, le cas échéant les paramètres de son dispositif interne (R) de régulation de température.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que l'échangeur (L) de chaleur de la ligne d'alimentation avec la première boucle (1) est un échangeur air-eau ou un échangeur air-eau avec antigel.

9. Pile à combustible avec un compartiment interne (R) de régulation de température caractérisé en ce qu'elle comprend un dispositif de régulation de la température dans sa ligne d'alimentation en air selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ce dispositif servant aussi à la régulation de température du compartiment interne (R) de régulation de température de la pile à combustible.

10. Utilisation d'une source d'énergie présentant un dispositif de régulation de la température dans au moins une de ses lignes d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et/ou d'une pile à combustible selon la revendication 9 dans un véhicule électrique équipé d'un système à pile à combustible en source principale d'énergie, ou dans un véhicule électrique équipé d'un système à pile à combustible en augmentateur d'autonomie, ou dans un véhicule thermique équipé ou non d'une pile à combustible, ou dans un véhicule hybride thermiqueélectrique pour lesquels, le cas échéant, au moins l'air d'admission du moteur thermique peut être régulé avec ce dispositif de régulation.