FR2917856A1 - Precede et 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 combustion - Google Patents

Precede et 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 combustion Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé et 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.Le dispositif de régulation est caractérisé en ce qu'il comprend deux boucles de fluide, chacune de ces boucles étant reliée avec une ligne d'alimentation par un échangeur de chaleur (3 ou 4) adéquat, ces deux boucles présentant des températures et des caractéristiques d'échange de chaleur différentes, en ce que chaque échangeur distinct reçoit des débits régulés respectivement de flux ou de fluide en fonction d'une organisation en mode « parallèle » ou « série ». Le dispositif présente des moyens de régulation (1, 2, 10, 11, 12, 13) de son débit respectif de flux ou de fluide et en ce que ces moyens de régulation (1, 2, 10, 11, 12, 13) sont commandés par une logique de commande (9) au moins selon la température du flux (T2) dans la ligne d'alimentation en aval du dit dispositif.Utilisation de ce dispositif de régulation de la température d'admission pour des véhicules à moteur thermique et/ou moteur électrique équipés le cas échéant d'une pile à combustible.

Description

Procédé et 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 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 exemple par un système de refroidissement D. A la sortie de la pile à combustible H, de la cathode Ha sort par la ligne d'échappement E un mélange d'air humide appauvri en d'environ 50% en oxygène et de l'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 évacuations, comme la pile à combustible présente des fuites inévitables en hydrogène, pour des raisons de sécurité du fait de risque d'explosion, les fuites en hydrogène et 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 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 lorsqu'il fait par exemple 37 C d'ambiance : 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 à 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 un échangeur air/eau sur la boucle d'eau de basse température utilisé 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 de l'air 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 énergétique élevé.
De plus, 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. 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 et dans toutes les conditions de vie du système.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de régulation de la température d'au moins une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie caractérisé en ce que le flux traverse deux échangeurs de chaleur chacun alimenté par ailleurs par une boucle respective d'échange de chaleur, chaque boucle présentant au moins un élément de refroidissement et des caractéristiques d'échange de chaleur propres. Dans un mode dit parallèle, le procédé de régulation de la température d'au moins une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie comprend les étapes suivantes . séparation de la ligne d'alimentation du flux avant la source d'énergie en deux lignes distinctes d'alimentation, échange de chaleur entre chaque ligne distincte d'alimentation d'une part et une boucle respective d'échange de chaleur d'autre part, chaque boucle présentant au moins un élément de refroidissement et des caractéristiques d'échange de chaleur propres, - jonction des deux lignes distinctes d'alimentation après l'échange de chaleur séparé afin de n'avoir qu'une ligne d'alimentation à la source d'énergie, - mesure de la température du flux de la ligne d'alimentation après jonction des deux lignes distinctes, 30 35 - le flux respectif dans chaque ligne distincte d'alimentation étant déterminé afin d'obtenir une température de flux après jonction correspondant au fonctionnement optimal de la source d'énergie. Dans un mode dit mode en série le procédé de régulation de la température d'au moins une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie comprend les étapes suivantes . Passage successif dans deux échangeurs de chaleur, échange de chaleur par chaque échangeur entre la ligne d'une part et une boucle respective d'échange de chaleur d'autre part, chaque boucle présentant au moins un élément de refroidissement et des caractéristiques d'échange de chaleur propres, - mesure de la température du flux de la ligne d'alimentation après jonction des deux lignes distinctes, - le débit respectif de liquide dans chaque échangeur en provenance de chaque boucle de refroidissement étant déterminé afin d'obtenir une température de flux en aval correspondant au fonctionnement optimal de la source d'énergie. L'invention concerne aussi un dispositif de 30 régulation de la température dans une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie, où dans le mode parallèle cette ligne d'alimentation se divisant en deux lignes d'alimentation distinctes ayant chacune un flux propre, ces deux lignes d'alimentation se 35 rejoignant après pour ne former qu'une seule ligne d'alimentation en flux, et/ou dans une ligne d'alimentation dans le mode série , cette ligne restant unique et passant successivement dans deux 10 15 20 25 échangeurs, caractérisé en ce que ce dispositif de régulation comprend deux boucles de fluide, chacune de ces boucles étant reliée avec une ligne d'alimentation distincte respective par un échangeur de chaleur adéquat dans le mode parallèle ou étant reliée à un des échangeurs successifs dans le mode série , ces deux boucles présentant des températures et des caractéristiques d'échange de chaleur différentes et en ce que chaque ligne distincte présente des moyens de régulation de son débit respectif de flux dans le mode parallèle et que chaque boucle de fluide dans le mode série présente des moyens de régulation de son débit de liquide respectif et en ce que ces moyens de régulation sont commandés par une logique de commande au moins selon la température du flux dans la ligne d'alimentation en aval de cet ensemble de régulation. Selon des caractéristiques additionnelles du dispositif : - les moyens de régulation sont constitués de deux papillons pilotés ou doseurs d'air, chacun étant sur une ligne d'admission distincte dans le mode parallèle ou constitués soit d'une vanne d'arrêt ou proportionnelle du liquide ou une vanne de by-pass de l'échangeur respectivement - le moyen de régulation est constitué d'un seul papillon piloté ou doseur d'air, étant positionné à la jonction entre les lignes d'admissions distinctes dans le cas du mode parallèle. - les moyens de régulation sont constitués de deux vannes 2 voies tout-ou-rien ou proportionnelles pilotées, chacune étant en amont ou en aval de l'un des échangeurs dans le cas du mode série. - les moyens de régulation sont constitués de deux vannes 3 voies de mise hors circuit tout-ou-rien ou proportionnelles, chacune étant en amont ou en aval de l'un des échangeurs dans le cas du mode série. - chaque boucle sert de boucle d'échange de chaleur à un autre élément dont la température est à réguler. - chaque boucle présente un échangeur de chaleur avec l'extérieur, la boucle ayant la température la plus élevée pouvant servir en outre de boucle de régulation de température à la source d'énergie, le cas échéant en étant couplée avec un dispositif de régulation de température interne à cette source d'énergie. - la boucle ayant la température la plus élevée peut effectuer soit un échange de chaleur conduisant à un refroidissement de la ligne d'alimentation en air et/ou de la source d'énergie soit un échange de chaleur conduisant à un réchauffement de la ligne et/ou de la source d'énergie. - la boucle ayant la température la plus élevée comprend un moyen de chauffage placé en dérivation de l'échangeur de chaleur vers l'extérieur de la boucle, une électrovanne permettant de mettre hors boucle sélectivement soit l'échangeur de chaleur soit le moyen de chauffage. - l'élément dont la température est régulée par la boucle ayant la température la moins élevée est constitué de composants électroniques, le cas échéant pouvant former l'électronique de puissance nécessaire à la régulation de la source d'énergie. - d'autres paramètres peuvent être pris en compte par la logique de commande, notamment la température extérieure, la température de la ligne d'admission avant entrée dans le dispositif de régulation de température, le débit de flux dans chaque ligne d'alimentation distincte dans le mode parallèle , les paramètres d'échange de chaleur propres à chacune des boucles comme la température de chaque boucle, le débit de fluide passant dans chaque échangeurs dans le mode série le cas échéant les paramètres d'échange de chaleur des échangeurs de chaleur vers l'extérieur respectifs de chaque boucle, le cas échéant l'apport de chaleur des divers éléments se trouvant sur chaque boucle, 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 système interne de régulation de température. - les échangeurs de chaleur de la ou des ligne(s) d'admission avec chaque boucle sont des échangeurs air-eau. L'invention concerne aussi une pile à combustible avec un compartiment interne de régulation de température avec un tel dispositif de régulation de la température dans sa ligne d'alimentation en air, la température maximale en fonctionnement normal de la première boucle d'eau d'échange de chaleur de plus haute température ne dépassant pas généralement 90 C, cette boucle servant aussi à la régulation de température du compartiment interne de régulation de température de la pile à combustible et la température maximale en fonctionnement normal de la seconde boucle d'eau d'échange de chaleur de plus faible température ne dépassant pas généralement 60 C. 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 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, - la figure 2 montre un dispositif de régulation de la température d'air par utilisation d'une ligne haute température et d'une ligne basse température dans un ensemble pile à combustible dans le mode de réalisation parallèle . - la figure 3 montre un dispositif de régulation de la température d'air par utilisation d'une ligne haute température et d'une ligne basse température dans un ensemble pile à combustible dans le mode de réalisation série dans lequel les boucles de fluide sont munies chacune d'une vanne d'arrêt du fluide qui peut être proportionnelle. - la figure 4 montre un dispositif de régulation de la température d'air par utilisation d'une ligne haute température et d'une ligne basse température dans un ensemble pile à combustible dans le mode de réalisation série dans lequel les boucles de fluide sont munies chacune d'une vanne de mise hors boucle (de by-pass) de l'échangeur qui peut être proportionnelle. - les figures 5a et 5b montrent des modes de 25 réalisation compacts de ces échangeurs.
La figure 1 a déjà été détaillée dans la partie introductive de la présente description. Il convient de signaler que bien que dans la 30 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 ou pour la régulation de température de toute autre source d'énergie embarquée sur 35 un véhicule. Il va de soi aussi que les véhicules en question peuvent être hybrides, c'est-à-dire thermiques et électriques où 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 ou sans batterie. La présente invention s'applique donc à la régulation d'un fluide d'admission d'une quelconque source d'énergie 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 une pile à combustible dans le mode de réalisation parallèle 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 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 comprend deux boucles d'eau glycolée de températures différentes pour l'échange de chaleur: - une première boucle d'eau glycolée de plus haute température allant jusqu'à 90 C, cette boucle de plus haute température étant aussi la boucle de refroidissement de la pile à combustible et comprenant un échangeur air-eau 3, une résistance chauffante 5 en dérivation de l'échangeur de chaleur vers l'extérieur D qui est celui de la pile à combustible, une électrovanne 8 étant prévue dans la boucle pour la sélection de la résistance chaufante 5 ou de l'échangeur de chaleur avec l'extérieur D et cette boucle comprenant aussi le compartiment interne de régulation R de température de la pile à combustible, et - une seconde boucle d'eau glycolée de plus faible température ne dépassant pas en général 60 C et servant en outre pour l'électronique de puissance 6, cette boucle de plus faible température comprenant un échangeur air-eau 4, un échangeur de chaleur avec l'extérieur 7 et l'électronique de puissance 6. Il est évident qu'un autre liquide de refroidissement autre que l'eau glycolée peut être utilisé pour les échangeurs si le besoin s'en fait sentir et 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 air-eau sont de préférence des échangeurs à contre-courant. 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 qui sera détaillée plus bas, ou d'autres logiques de commande pour la régulation des flux d'échappement de la pile à combustible si ceux-ci ne sont pas réunis à la première logique de commande et des éléments électroniques du véhicule tels que machines électriques, convertisseur, onduleurs, etc... Les échangeurs de chaleur air-eau de cette première 3 et seconde boucle 4 seront alors avantageusement utilisés respectivement comme source chaude et source froide pour la régulation la ligne d'admission d'air en entrée de l'humidificateur C ou de la pile à combustible si l'humidificateur C n'est pas nécéssaire. Les échangeurs de chaleur avec l'extérieur 7 et D de chaque boucle peuvent être des radiateurs avec une 5 ventilation spécifique. Dans le mode de réalisation parallèle illustré dans cette figure 2, la ligne d'admission d'air en sortie du compresseur A se divise en deux lignes parallèles, l'une des lignes, dite ligne haute température, étant 10 dirigée vers l'échangeur air/eau haute température 3 et l'autre, dite ligne basse température, vers l'échangeur air/eau basse température 4. L'air peut ainsi être amené soit à l'un ou l'autre des échangeurs, ou soit en proportions variables vers l'un et l'autre. Ceci est 15 effectué à l'aide de deux papillons pilotés 1 et 2, usuellement appelés doseurs d'air et disposés respectivement sur une ligne d'un échangeur. Les lignes haute température et basse température se joignent après les papillons pilotés 1 et 2 pour ne reformer qu'une 20 seule ligne d'admission dirigée vers l'humidificateur C ou la pile à combustible. Sur la ligne d'admission après cette jonction, un capteur mesure la température T2 de cette ligne et transmet cette donnée à une logique de commande 9 afin de permettre le pilotage des papillons 25 pilotés 1 et 2. D'autres données sont 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. La logique de 30 commande 9 peut donc tenir compte de la température ambiante Text, de la température T1 de l'air dans la ligne d'admission après compression, des conditions de fonctionnement de la pile à combustible ainsi que des températures des deux boucles à basse et haute 35 températures et du degré d'ouverture des papillons pilotés 1 et 2 afin d'anticiper la régulation de température.
Dans la figure 3, qui reprend dans les grandes lignes la description d'un système pile à combustible dans son ensemble de la figure 2, est illustré le mode de réalisation série avec des vannes d'arrêt ou proportionnelles sur les lignes fluides. En particulier, la ligne d'alimentation en air ne se sépare pas en deux lignes distinctes mais passe successivement dans les échangeurs air/eau 4 et 3 respectivement alimentés par les lignes dites froide et chaude du système. En particulier également une vanne d'arrêt ou proportionnelle 10 est positionnée sur la ligne de fluide froide en amont ou en aval de l'échangeur 4 et une vanne d'arrêt ou proportionnelle 11 est positionnée en amont ou en aval de l'échangeur 3. Ces vannes de régulation du débit d'eau dans les échangeurs 3 et 4 permettent de réguler le débit d'eau et de modifier l'échange dans ces échangeurs. Ainsi la régulation en température s'effectue avec le dispositif de contrôle 9 sur ces vannes 10 et 11.
Dans la figure 4, qui reprend dans les grandes lignes la description d'un système pile à combustible dans son ensemble de la figure 2 et de la figure 3, est illustré le mode de réalisation série avec des vannes de mise hors circuit (de by-pass) des échangeurs 3 et 4 sur les lignes fluides. En particulier une vanne de mise hors circuit (de by-pass) totale ou proportionnelle 12 est positionnée sur la ligne de fluide froide en amont ou en aval de l'échangeur 4 et une vanne de mise hors circuit (de by-pass) totale ou proportionnelle 11 est positionnée en amont ou en aval de l'échangeur 3. Ces vannes de régulation du débit d'eau dans les échangeurs 3 et 4 permettent de réguler le débit d'eau et de modifier l'échange dans ces échangeurs en faisant passer une partie plus ou moins grande du débit dans ces échangeurs. Ainsi la régulation en température s'effectue avec le dispositif de contrôle 9 sur ces vannes 12 et 13.
Dans les figures 5a et 5b un dispositif de régulation plus compact est obtenu en fusionnant les deux échangeurs en un seul bloc organique, optimisant la compacité de l'organe de régulation thermique de la ligne d'alimentation en air de la pile à combustible. A la figure 5a les deux échangeurs de chaleur sont montrés en étant en série et à la figure 5b en étant en parallèle. En particulier à la figure 5b, deux vannes papillons 1 et 2 peuvent être fusionnées en un seul papillon doseur 1+2 permettant ainsi de mélanger de façon continue et simple le débit d'air issu de chaque branche distincte.
Plusieurs exemples de fonctionnement du dispositif 15 de régulation dans diverses conditions de fonctionnement 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 20 de commande 9 commande donc par l'intermédiaire de l'électrovanne 8 la fermeture de la partie de la première boucle alimentant l'échangeur de chaleur D de la pile à combustible et tout le flux d'eau de la première boucle passe par la résistance chauffante 5, convenablement 25 activée par cette logique de commande 9. il est alors procédé au 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 30 R. La température relativement élevée de l'air d'admission, obtenue le cas échéant par un ralenti acceléré du compresseur et transmise par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur air-eau 3 de cette première boucle peut aussi aider à la montée en température de la 35 pile atteignant rapidement une température positive. 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. 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 4 situé sur la boucle de refroidissement basse température servant aussi à refroidir l'électronique de puissance 6.
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 90 C. 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 permet, dans le mode de réalisation parallèle peut modifier le réglage des papillons pilotés 1 et 2 de dosage d'air et donc envoyer selon les besoins plus ou moins d'air vers l'échangeur air-eau 3 de la première boucle haute température ou l'échangeur air- eau 4 de la seconde boucle basse température avec la ligne d'admission distincte respective. Un tel dispositif de régulation, du fait de sa logique de commande 9 permet, dans le mode de réalisation série , de modifier l'alimentation en fluide respectivement froid ou chaud dans les échangeurs 4 et 3 ce qui autorise la régulation de l'apport calorifique à l'air.
Ce système permet d'obtenir un réglage fin de la température T2 de la ligne d'admission d'air avant l'humidificateur C et/ou la pile à combustible dans la plage de température compatible avec le fonctionnement de la pile, c'est-à-dire 60 C-90 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 de la résistancechauffante 5 pour chauffer le compartiment de régulation de chaleur D 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 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 de 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 air/air ventilé. En effet, en particulier 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 5 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. 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. L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1. Procédé de régulation de la température d'au moins une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie caractérisé en ce que le flux traverse deux échangeurs de chaleur chacun alimenté par ailleurs par une boucle respective d'échange de chaleur, chaque boucle présentant au moins un élément de refroidissement et des caractéristiques d'échange de chaleur propres.
2. Procédé selon la revendication 1 de régulation de la température d'au moins une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie dans un mode dit parallèle avec les étapes suivantes : séparation de la ligne d'alimentation du flux avant la source d'énergie en deux lignes distinctes d'alimentation, échange de chaleur entre chaque ligne distincte d'alimentation d'une part et une boucle respective d'échange de chaleur d'autre part, chaque boucle présentant au moins un élément de refroidissement et des caractéristiques d'échange de chaleur propres, jonction des deux lignes distinctes d'alimentation après l'échange de chaleur séparé afin de n'avoir qu'une ligne d'alimentation à la source d'énergie, mesure de la température du flux de la ligne d'alimentation après jonction des deux lignes distinctes, le flux respectif dans chaque ligne distincte d'alimentation étant déterminé afin d'obtenir une température de flux après jonction correspondant au fonctionnement optimal de la source d'énergie.
3. Procédé selon la revendication 1 de régulation de la température d'au moins une ligne d'alimentation 25 30 35d'un flux à une source d'énergie dans un mode série avec les étapes suivantes . Passage successif dans deux échangeurs de chaleur, échange de chaleur par chaque échangeur entre la ligne d'une part et une boucle respective d'échange de chaleur d'autre part, chaque boucle présentant au moins un élément de refroidissement et des caractéristiques d'échange de chaleur propres, mesure de la température du flux de la ligne d'alimentation après jonction des deux lignes distinctes, le débit respectif de liquide dans chaque échangeur en provenance de chaque boucle de refroidissement étant déterminé afin d'obtenir une température de flux en aval correspondant au fonctionnement optimal de la source d'énergie.
4. Dispositif de régulation de la température dans une ligne d'alimentation d'un flux à une source d'énergie conformément au procédé selon la revendication 2, le dispositif étant alors dit dispositif en mode parallèle, cette ligne d'alimentation se divisant en deux lignes d'alimentation distinctes ayant chacune un flux propre, ces deux lignes d'alimentation se rejoignant après pour ne former qu'une seule ligne d'alimentation en flux, et/ou conformément au procédé selon la revendication 3, le dispositif étant alors dit dispositif en mode série, cette ligne d'alimentation traversant successivement les deux échangeurs de chaleur, caractérisé en ce que ce dispositif de régulation comprend deux boucles de fluide, chacune de ces boucles étant reliée un échangeur de chaleur (3 ou 4) adéquat, ces deux boucles présentant des températures et des caractéristiques d'échange de chaleur différentes, en ce que, dans le mode parallèle, chaque ligne distincte présente des moyens de régulation (1, 2)de son débit respectif de flux et dans le mode série, chaque échangeur de chaleur présente des moyens de régulation (10 et 11 ou 12 et 13) de son débit respectif de liquide et en ce que ces moyens de régulation (1, 2, 10, 11, 12, 13) sont commandés par une logique de commande (9) au moins selon la température du flux (T2) dans la ligne d'alimentation en aval d'un dispositif de régulation thermique.
5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de régulation (1, 2) sont constitués de deux papillons pilotés ou doseurs d'air, chacun étant sur une ligne d'admission distincte dans le cas du mode parallèle.
6. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le moyen de régulation (1+2) est constitué d'un seul papillon piloté ou doseur d'air, étant positionné à la jonction entre les lignes d'admissions distinctes dans le cas du mode parallèle.
7. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de régulation (10, 11) sont constitués de deux vannes 2 voies tout-ou-rien ou proportionnelles pilotées, chacune étant en amont ou en aval de l'un des échangeurs (3,4) dans le cas du mode série.
8. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de régulation (12, 13) sont constitués de deux vannes 3 voies de mise hors circuit tout-ou-rien ou proportionnelles, chacune étant en amont ou en aval de l'un des échangeurs (3,4) dans le cas du mode série.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que chaque boucle sert de boucle d'échange de chaleur à un autre élément (6) dont la température est à réguler.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que chaque boucle présente un échangeur de chaleur (7, D) avec l'extérieur,la boucle ayant la température la plus élevée pouvant servir en outre de boucle de régulation de température à la source d'énergie, le cas échéant en étant couplée avec un dispositif de régulation (R) de température interne à cette source d'énergie.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la boucle ayant la température la plus élevée peut effectuer soit un échange de chaleur conduisant à un refroidissement de la ligne d'alimentation et/ou de la source d'énergie soit un échange de chaleur conduisant à un réchauffement de la ligne et/ou de la source d'énergie.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la boucle ayant la température la plus élevée comprend un moyen de chauffage (5) placé en dérivation de l'échangeur de chaleur (D) vers l'extérieur de la boucle, une électrovanne (8) permettant de mettre hors boucle sélectivement soit l'échangeur de chaleur (D) soit le moyen de chauffage (5).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que l'élément (6) dont la température est régulée par la boucle ayant la température la moins élevée est constitué de composants électroniques, le cas échéant pouvant former l'électronique de puissance nécessaire à la régulation de la source d'énergie.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 13, 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) de la ligne d'admission avant entrée dans le dispositif de régulation de température, le débit de flux dans chaque ligne d'alimentation distincte dans le mode parallèle ou le débit de fluide dans chaque échangeur dans le mode série , les paramètres d'échange de chaleur propres à chacune des boucles, notamment la température de chaque boucle, le cas échéantles paramètres d'échange de chaleur des échangeurs de chaleur (7, D) vers l'extérieur respectifs de chaque boucle, le cas échéant l'apport de chaleur des divers éléments (6) se trouvant sur chaque boucle, 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.
15. Dispositif selon l'une quelconque des 10 revendications 4 à 14, caractérisé en ce que l'échangeur (3, 4) de chaleur de la ligne d'admission avec chaque boucle est un échangeur air-eau.
16. Pile à combustible avec un compartiment interne (R) de régulation de température caractérisée en ce 15 qu'elle comprend un dispositif de régulation de la température dans sa ligne d'alimentation en air selon l'une quelconque des revendications 4 à 15, la température maximale en fonctionnement normal de la première boucle d'eau d'échange de chaleur de plus haute 20 température ne dépassant pas par exemple 90 C, cette boucle servant aussi à la régulation de température du compartiment interne (R) de régulation de température de la pile à combustible et la température maximale en fonctionnement normal de la seconde boucle d'eau 25 d'échange de chaleur de plus faible température ne dépassant pas par exemple 60 C.
17. 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 30 des revendications 4 à 15 et/ou d'une pile à combustible selon la revendication 16 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 35 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, aumoins l'air d'admission du moteur thermique peut être régulé avec ce dispositif de régulation.
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