FR3115403A1 - Groupe électrogène à hydrogène refroidi à l’air ambiant - Google Patents

Groupe électrogène à hydrogène refroidi à l’air ambiant Download PDF

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Abstract

Groupe électrogène (1) à hydrogène refroidi à l’air ambiant comprenant : - un carter (3) comprenant une surface d’entrée (7) et une surface de sortie (9) ; - un conduit d’air (11) logé dans le carter et s’étendant entre la surface d’entrée et la surface de sortie ; - une pile à combustible (13), logée dans le carter ; - un radiateur (15) monté sur tout ou partie de la surface d’entrée (7) configuré pour dissiper la chaleur générée par la pile à combustible (13) ; et - un ventilateur (17) disposé dans le conduit d’air (11) et adapté pour faire circuler de l’air dans le groupe depuis la surface d’entrée (7) vers la surface de sortie (9) ; la surface d’entrée (7) est comprise dans un premier plan et la surface de sortie (9) est comprise dans un deuxième plan, le premier plan et le deuxième plan étant tous les deux perpendiculaires à un troisième plan. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Groupe électrogène à hydrogène refroidi à l’air ambiant
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des groupes électrogènes à hydrogène refroidis à l’air ambiant.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un groupe électrogène à hydrogène ou groupe électro-hydrogène est un dispositif autonome capable de produire de l'électricité à partir de dihydrogène.
Un groupe électro-hydrogène peut notamment être utilisé pour l’alimentation électrique d’un bâtiment en sus d’une alimentation électrique provenant du réseau électrique général. Le groupe peut être employé de manière temporaire ou comme groupe électrique de secours.
Le groupe comprend classiquement une pile à combustible qui, alimentée en dihydrogène et en oxygène, produit un courant électrique continu. Le groupe électro-hydrogène peut comprendre un convertisseur continu/alternatif, ou convertisseur DC/AC, pour fournir un courant électrique alternatif.
Un tel groupe électro-hydrogène nécessite un système de refroidissement pour réguler notamment la température de la pile à combustible. Le refroidissement peut par exemple utiliser l’air ambiant comme fluide caloporteur. Le pincement thermique, c’est-à-dire l’écart de température entre la source chaude que constitue l’eau de refroidissement de la pile à combustible et la source froide que constitue l’air ambiant dans ce cas, peut être assez faible, notamment durant la saison chaude. Un tel choix de refroidissement pose alors un problème d’encombrement et de nuisances sonores, car des surfaces d’échange très importantes et/ou un débit d’air très important deviennent nécessaires. Cela est d’autant plus problématique que la puissance thermique à dissiper augmente au cours de la vie de la pile.
Notamment, un but de l’invention est de proposer un groupe électrogène à hydrogène refroidi à l’air ambiant dont l’encombrement est maîtrisé.
Un autre but de l’invention est de proposer un groupe électrogène à hydrogène refroidi à l’air ambiant présentant un système de refroidissement efficace et plus silencieux.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un groupe électrogène à hydrogène refroidi à l’air ambiant comprenant :
- un carter comprenant une surface d’entrée et une surface de sortie ;
- un conduit d’air logé dans le carter et s’étendant entre la surface d’entrée et la surface de sortie ;
- une pile à combustible logée dans le carter ;
- un radiateur monté sur tout ou partie de la surface d’entrée configuré pour dissiper la chaleur générée par la pile à combustible ; et
- un ventilateur disposé dans le conduit d’air et adapté pour faire circuler de l’air dans le groupe depuis la surface d’entrée vers la surface de sortie ;
la surface d’entrée est comprise dans un premier plan et la surface de sortie est comprise dans un deuxième plan, le premier plan et le deuxième plan étant tous les deux perpendiculaires à un troisième plan.
Un tel groupe à hydrogène comprend un conduit d’air qui s’étend entre une surface d’entrée et une surface de sortie chacune perpendiculaire à un même plan permet de générer un écoulement de l’air dans le conduit d’air selon des lignes comprises dans ce plan et présentant une courbure faible et régulière. De telles lignes d’écoulement présentent un rayon de courbure continu ou quasiment continu et pas ou peu de points anguleux. Cette disposition géométrique particulière permet une fluidité plus importante de l’écoulement dans le conduit, un débit d’air écoulé au travers du conduit plus important sans augmenter significativement l’encombrement du groupe. De cette manière, il est possible de refroidir efficacement la pile à combustible tout en conservant un encombrement réduit.
Un tel groupe à hydrogène est avantageusement complété par les différentes caractéristiques ou étapes suivantes prises seules ou en combinaison :
le conduit d’air présente une surface externe, le troisième plan et la surface externe étant sécants de sorte à définir au moins une ligne continue entre la surface d’entrée et la surface de sortie ;
le carter présente un fond configuré pour être posé sur un support et une forme de parallélépipède rectangle comprenant quatre faces s’étendant depuis le fond, la surface d’entrée étant disposée sur une première des quatre faces ;
les quatre faces comprennent deux faces de plus petite surface, la surface d’entrée étant disposée sur une des faces de plus petite surface ;
la surface de sortie est disposée sur une face du carter qui fait face au fond ;
le ventilateur présente un axe de rotation orienté de manière oblique ou perpendiculaire par rapport au fond du carter ;
la surface de sortie est disposée sur une deuxième des quatre faces qui est opposée à la première des quatre faces ;
le conduit d’air comprend une portion montée sur la surface d’entrée et présentant une section décroissante de la surface d’entrée en direction de la surface de sortie ;
la portion du conduit d’air présentant une section décroissante s’étend en amont du ventilateur, par rapport au sens d’écoulement d’air dans le conduit ;
le conduit d’air comprend une portion montée sur la surface de sortie et présentant une section sensiblement constante du ventilateur à la surface de sortie ;
le ventilateur est séparé du radiateur d’une distance comprise entre 5% et 50% de la distance séparant le deux faces de plus petite surface ;
des composants auxiliaires de la pile à combustible, le radiateur comprenant deux parties, une première partie étant configurée pour dissiper de la chaleur générée par la pile à combustible et une deuxième partie étant configurée pour dissiper de la chaleur générée par les composants auxiliaires, le groupe électrogène comprenant en outre un premier circuit de refroidissement monté entre la première partie du radiateur et la pile à combustible et un deuxième circuit de refroidissement monté entre la deuxième partie du radiateur et les composants auxiliaires, le premier circuit de refroidissement et le deuxième circuit de refroidissement ayant des débits différents ;
le ventilateur est alimenté en courant par la pile à combustible ;
un circuit de refroidissement raccordé au radiateur dans lequel circule un fluide caloporteur et un processeur configuré pour modifier une puissance de refroidissement du ventilateur dans le temps en fonction d’une température du fluide caloporteur et d’une température de référence prédéfinie ;
un ensemble de conversion de courant continu en courant alternatif et un dissipateur configuré pour dissiper de la chaleur générée par l’ensemble de conversion de courant continu en courant alternatif.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une vue en perspective schématique d’un exemple de groupe électrogène à hydrogène selon un mode de réalisation de l’invention, et
les figures 2 et 3 sont des vues en coupe suivant un plan du carter du groupe électrogène à hydrogène de la figure 1.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 1 est une représentation schématique d’un groupe électrogène 1 à hydrogène selon un mode de réalisation de l’invention.
Le groupe électrogène 1 à hydrogène représenté aux figures 1 et 2 est refroidi à l’air ambiant.
Le groupe électrogène à hydrogène 1 comprend
- un carter 3 comprenant une surface d’entrée 7 et une surface de sortie 9 ;
- un conduit d’air 11 logé dans le carter et s’étendant entre la surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9 ;
- une pile à combustible 13, logée dans le carter 3 ;
- un radiateur 15 monté sur tout ou partie de la surface d’entrée 7 configuré pour dissiper de la chaleur générée par la pile à combustible 13 ; et
- un ventilateur 17 disposé dans le conduit d’air 11 et adapté pour faire circuler de l’air dans le groupe depuis la surface d’entrée 7 vers la surface de sortie 9.
La surface d’entrée 7, le conduit d’air 11, le ventilateur 17 et la surface de sortie 9 forment ensemble un système de refroidissement du groupe électrogène 1.
Afin de maîtriser l’encombrement du groupe électrogène 1 et d’améliorer le rendement du système de refroidissement, la surface d’entrée 7 est comprise dans un premier plan et la surface de sortie 9 est comprise dans un deuxième plan, le premier et le deuxième plan étant tous les deux perpendiculaires à un troisième plan P. En d’autres termes, la surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9 sont comprises chacune dans un plan qui est normal au troisième plan P.
De manière connue en soi, le groupe électrogène 1 comprend un circuit primaire comprenant la pile à combustible 13 et un circuit auxiliaire comprenant des composants auxiliaires 14 de la pile à combustible 13 dont notamment un compresseur d’air, un convertisseur courant continu/continu intégré, des pompes à eau. Le compresseur d’air achemine l’air vers la pile à combustible 13.
Le groupe électrogène 1 comprend également un ensemble 23 de conversion de courant continu en courant alternatif afin de convertir un courant continu généré par la pile à combustible en courant alternatif compatible avec le réseau électrique. L’ensemble 23 de conversion de courant continu en courant alternatif comprend notamment un convertisseur continu/alternatif, un filtre sinus et un transformateur d’isolement. Le groupe électrogène peut comprendre d’autres composants, tels qu’une interface homme-machine. Ces composants du groupe électrogène 1 étant conventionnels, ils ne seront pas davantage décrits ici.
Carter
Le carter 3 du groupe électrogène 1 délimite le volume extérieur du groupe électrogène 1 et loge l’ensemble des composants nécessaires au fonctionnement du groupe électrogène 1.
Le carter 3 peut présenter une forme quelconque, par exemple une forme polygonale ou parallélépipédique. Dans une forme de réalisation, le carter 3 présente une forme de parallélépipède rectangle, afin de faciliter son transport et son éventuel empilement. Le carter 3 comprend à cet effet une face formant un fond 19 qui est configuré pour être posé sur un support, par exemple le sol, des faces latérales 5A, 5B, 5C et 5D s’étendant depuis le fond 19 et une face supérieure 21, qui fait face au fond. On comprendra ainsi que, lorsque le fond 19 est posé sur un support, le fond 19 et la face supérieure 21 sont alors orientés horizontalement, le fond 19 étant située au bas du groupe électrogène 1 tandis que la face supérieure 21 est située en haut.
La figure 1 illustre notamment les faces latérales 5A-5D du carter 3, dont deux faces parallèles 5A et 5B et une face 5C perpendiculaires aux deux premières sont visibles. La face 5D est opposée à la face 5C. Lorsque le carter 3 est un parallélépipède rectangle, les faces latérales 5A-5D sont orientées verticalement.
Les faces latérales 5A-5D peuvent avoir des surfaces différentes. Par exemple, deux faces latérales 5A, 5B (ou petites faces) peuvent présenter une surface d’aire inférieure à la surface des deux autres faces latérales 5C, 5D (ou grands faces).
Le carter 3 comprend la surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9. La surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9 forment des ouvertures dans le carter 3 permettant l’introduction et la circulation d’air entre l’extérieur et l’intérieur du carter 3 du groupe électrogène 1.
Comme indiqué plus haut, la surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9 sont comprises chacune dans un plan qui est normal à un troisième plan P. De préférence, la surface d’entrée 7 est située sur des faces du carter 3 et la surface de sortie 9 est située sur une autre face du carter 3.
Dans une forme de réalisation, la surface d’entrée 7 peut être située sur une des faces latérales 5A-5D du carter 3 tandis que la surface de sortie 9 est située sur la face latérale opposée et/ou sur la face supérieure 21 du carter 3. Le troisième plan P peut notamment correspondre à un plan de symétrie du carter 3 (lorsque celui-ci est parallélépipédique rectangle) et/ou à un plan de symétrie du conduit d’air 11.
Par exemple, la surface d’entrée 7 peut être située sur une des deux petites faces 5A, 5B, la surface de sortie 9 étant alors située sur l’autre des deux petites faces 5B, 5A et/ou sur la face supérieure 21. Comme nous le verrons par la suite, cette configuration permet d’empiler des groupes électrogènes 1 côte à côte et éventuellement les uns sur les autres, tout en garantissant une ventilation suffisante des circuits primaire et auxiliaire.
Lorsque la surface d’entrée 7 est située sur une des petites faces respectivement 5A ou 5B et que la surface de sortie 9 est située sur la face supérieure 21, le conduit d’air présente une courbure qui favorise les débits d’air importants et minimise les pertes de charges. Le cas échéant, une interface homme-machine du groupe électrogène 1 peut alors être placée au niveau de la petite face respectivement 5B ou 5A opposée à la surface d’entrée 7 : l’ergonomie du groupe électrogène 1 est ainsi améliorée puisqu’un opérateur peut contrôler le groupe électrogène 1 facilement sans recevoir d’air dans le visage.
Lorsque la surface de sortie 9 est située sur la petite face respectivement 5B ou 5A, opposée à la petite face respectivement 5A ou 5B comprenant la surface d’entrée 7, le conduit d’air présente une courbure encore moindre. Cela permet d’augmenter les débits d’air ambiant à travers le conduit d’air 11 et de limiter les pertes de charge au bénéfice du rendement global.
Dans une forme de réalisation, la surface d’entrée 7 occupe tout ou partie de la face latérale 5A-5D sur laquelle elle est située.
Conduit d’air 11 et ventilateur 17
Le conduit d’air 11 qui est logé dans le carter 3 s’étend et relie la surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9. Dans une forme de réalisation, le conduit d’air 11 comprend une paroi externe étanche de la surface d’entrée 7 à la surface de sortie 9, de sorte que l’air ne peut entrer ou sortir du conduit d’air 11 qu’à travers la surface d’entrée 7 ou la surface de sortie 9, améliorant ainsi le rendement du système de refroidissement du groupe électrogène 1.
La surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9 étant chacune comprises dans un plan qui est normal à un troisième plan P, le flux d’air circulant dans le conduit d’air 11 ne débouche pas sur une face latérale 5C-5D du carter 3 qui est perpendiculaire à la surface d’entrée. Le troisième plan P et la surface externe de la paroi externe du conduit d’air 11 sont donc sécants de sorte à définir au moins une ligne continue entre la surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9. Il en découle que le conduit d’air 11 est sensiblement droit et dépourvu de virages, ce qui permet de réduire l’encombrement du carter 3 tout en refroidissant efficacement le circuit primaire et le circuit auxiliaire du groupe électrogène. De plus, en réduisant le trajet du flux d’air et en rendant le conduit d’air 11 sensiblement rectiligne, les pertes de charge dans le conduit d’air 11 sont fortement limitées, augmentant ainsi le rendement du système de refroidissement et réduisant en parallèle les bruits générés par le groupe électrogène. Dans ces conditions, des débits plus importants peuvent être atteints pour une même force d’aspiration d’air dans le conduit d’air 11.
Le système de refroidissement du groupe électrogène 1 comprend en outre le ventilateur 17 disposé à l’intérieur du conduit d’air 11. Le ventilateur 17 est configuré pour faire circuler de l’air depuis la surface d’entrée 7 vers la surface de sortie 9 du groupe électrogène 1. Plus précisément, le ventilateur 17 est configuré pour créer un appel d’air au niveau de la surface d’entrée 7 qui fait entrer de l’air extérieur dans le conduit d’air 11 par la surface d’entrée 7, et générer ainsi une poussée d’air au niveau de la surface de sortie 9 pour faire sortir de l’air dans le conduit d’air 11 vers l’extérieur par la surface de sortie 9.
Dans une forme de réalisation, le ventilateur 17 est alimenté en courant par la pile à combustible 13. Le ventilateur 17 peut être placé à distance des faces latérales 5A-5D du carter 3, réduisant ainsi les nuisances sonores générées par le groupe électrogène 1.
Le ventilateur 17 peut notamment comprendre, de manière connue en soi, une soufflante montée à rotation autour d’un axe fixe.
Cet axe fixe peut être compris dans le troisième plan P et être sensiblement parallèle au fond 19 du carter 3, notamment lorsque la surface de sortie 9 est située sur la petite face respectivement 5B ou 5A, opposée à la petite face respectivement 5A ou 5B comprenant la surface d’entrée 7.
Lorsque la surface de sortie 9 est située sur la face supérieure 21, l’axe de la soufflante peut être orienté de manière oblique par rapport au fond 19 du carter 3, c’est-à-dire que l’axe de la soufflante et le fond 19 forment un angle non nul, de façon à orienter le flux d’air vers la surface de sortie 9.
En variante, lorsque la surface de sortie 9 est située sur la face supérieure 21, l’axe de la soufflante peut être orienté de manière perpendiculaire par rapport au fond 19 du carter 3, c’est-à-dire que l’axe de la soufflante et le fond 19 forment un angle droit.
Lorsque la surface de sortie 9 est située sur la face supérieure 21, le groupe électrogène à hydrogène 1 peut comprendre un radiateur complémentaire, en plus du radiateur 15, monté sur tout ou partie de la surface de sortie 9. Le radiateur complémentaire peut compléter ou remplacer l’action du radiateur 15.
La soufflante est entrainée en rotation par un moteur électrique lui-même alimenté par la pile à combustible, typiquement le groupe électrogène 1.
Le ventilateur 17 est séparé du radiateur 15. En particulier, la distance séparant le ventilateur 17 du radiateur 15 peut être comprise entre 5 et 50% de la distance séparant la face latérale 5A et la face latérale 5B. Le ventilateur 17 est ainsi à distance des faces latérales 5A-5B et plus facile à insonoriser.
Le ventilateur peut présenter un diamètre inférieur ou égal à 50% de la distance séparant la face latérale 5A et la face latérale 5B. Le ventilateur peut présenter un diamètre inférieur ou égal à 50% de la distance séparant la face latérale 5A et la face latérale 5B.
Dans une forme de réalisation, pour un groupe électrogène présentant une longueur maximale (correspondant à la distance séparant la face latérale 5A et la face latérale 5B ou de manière équivalente au grand côté des grandes faces 5C, 5D) égale à une longueur comprise entre 2 et 3 m, le ventilateur se situe à une distance comprise entre 10 cm et 1,5 m de la face latérale 5A et peut présenter un diamètre inférieur ou égal à 1,5m. Le ventilateur peut présenter un diamètre de 900 millimètres.
Dans une forme de réalisation, le conduit d’air 11 peut présenter une section variable de la surface d’entrée en direction de la surface de sortie.
Le conduit d’air 11 présente une première portion 11A représentée sur la figure 2 montée sur la surface d’entrée 7 et s’étendant entre la surface d’entrée 7 et le ventilateur 17 et une deuxième portion 11B montée sur la surface de sortie 9 et s’étendant entre le ventilateur 17 et la surface de sortie 9. La première portion 11A du conduit d’air 11 présentant cette section décroissante s’étend donc en amont du ventilateur 17, par rapport au sens d’écoulement d’air dans le conduit.
Dans une forme de réalisation, la première portion 11A du conduit d’air 11 présente une section (correspondant à la surface de la première portion mesurée dans un plan parallèle à la surface d’entrée) qui est décroissante de la surface d’entrée 7 en direction de la surface de sortie 9. Dans une forme de réalisation, la section de la première portion 11A du conduit d’air 11 est continument décroissante, comme cela est par exemple représenté sur les figures. En variante, la section de la première portion est décroissante par paliers.
Le cas échéant, la section de la première portion peut être décroissante de la surface d’entrée 7 jusqu’au ventilateur 17.
La section variable du conduit d’air 11 permet ainsi, lorsque la surface d’entrée 7 est située sur l’une des petites faces 5A, 5B du carter 3, de maximiser la surface exploitable pour le radiateur 15 tout en assurant un encombrement réduit du conduit d’air dans le groupe électrogène 1, rendant ainsi le groupe électrogène plus compact en comparaison avec un groupe électrogène dont la surface d’entrée 7 est identique mais la section du conduit d’air constante 1.
Par ailleurs, on notera que le conduit d’air 11 est de préférence placé en partie supérieure du carter 3, c’est-à-dire à proximité de sa face supérieure 23. Comme nous le verrons par la suite, cette configuration permet d’optimiser l’agencement du circuit principal et du circuit auxiliaire et réduire ainsi l’encombrement du groupe électrogène. De préférence, une partie supérieure du conduit d’air 11 (qui correspond à la partie du conduit d’air 11 qui fait face au fond 19) est fixée à une faible distance de la face supérieure 21 du carter 3, qui peut être sensiblement constante de la surface d’entrée 7 à la surface de sortie 9.
La partie inférieure de la paroi externe du conduit d’air 11 (qui correspond à la partie du conduit d’air 11 qui est opposée à la partie supérieure 21 et fait face au fond 19), s’éloigne donc progressivement du fond 19 du carter de la surface d’entrée 7 vers le ventilateur 17. L’éloignement peut s’effectuer selon une pente par rapport au fond 19 de coefficient directeur supérieur à 1, c’est-à-dire que l’angle entre la pente et le fond 19 est supérieur à 45°. Cette configuration du conduit d’air 11 permet ainsi d’aménager un logement 12 entre le conduit d’air 11 et le fond 19 du carter, même dans la situation éventuelle où la surface d’entrée 7 occupe toute la face 5A, 5B sur laquelle elle est située. Il est ainsi possible de placer des composants du groupe électrogène au sein de ce logement 12, notamment la pile à combustible 13, des composants du circuit auxiliaire et/ou une partie des circuits de refroidissement du circuit auxiliaire et du circuit primaire.
Dans une forme de réalisation, la deuxième portion 11B du conduit d’air 11 peut être sensiblement constante du ventilateur 17 en direction de la surface de sortie 9. Par exemple, la section de la deuxième portion 11B du conduit d’air 11 peut être sensiblement égale à la section du conduit d’air 11 au niveau du ventilateur et à la plus petite de la première portion 11A du conduit d’air.
Dans une forme de réalisation, lorsque le conduit d’air 11 est adjacent à la paroi supérieure 21 du carter 3, la partie inférieure de la deuxième portion 11B s’étend donc à une distance sensiblement constante du fond 19, ménageant ainsi un logement supplémentaire pour recevoir la pile à combustible et la partie conversion de puissance.
Pile, Ensemble de conversion de courant continu en courant alternatif et leur système de refroidissement
Le groupe électrogène 1 comprend en outre la pile à combustible 13, les auxiliaires 14 de la pile à combustible 13 et des éléments de conversion de puissance comme par exemple l’ensemble 23 de conversion de courant continu en courant alternatif.
Lorsque le conduit d’air 11 s’étend à proximité de la face supérieure 21, la pile à combustible 13 peut être logée dans la partie basse du groupe électrogène 1, typiquement dans le logement 12 ménagé entre la première portion 11A du conduit d’air 11 et le fond 19. Cette configuration permet ainsi de rapprocher le centre de gravité du groupe électrogène 1 du fond 19 du carter, améliorant ainsi la stabilité du groupe électrogène 1.
De même, l’ensemble de conversion 23 peut être logé entre la deuxième portion 11B du conduit d’air 11 et le fond 19 du carter 3.
Le groupe électrogène 1 comprend en outre le radiateur 15, qui est configuré pour dissiper la chaleur générée par la pile à combustible 13. Pour cela, un fluide caloporteur circule dans un circuit de refroidissement entre la pile à combustible 13 et le radiateur 15.
Le radiateur 15 est monté sur la surface d’entrée 7 et peut occuper toute la surface d’entrée 7 ou seulement une partie de cette surface d’entrée 7.
Le radiateur 15 peut comprendre deux parties : une première partie 15A qui est configurée pour dissiper de la chaleur générée par la pile à combustible 13 et une deuxième partie 15B qui est configurée pour dissiper de la chaleur générée par les auxiliaires 14 de la pile à combustible. La première partie 15A et la deuxième partie 15B du radiateur 15 peuvent être distinctes et séparées. En revanche, la première partie 15A et la deuxième partie 15B du radiateur 15 étant toutes deux montées sur la surface d’entrée 7, il est possible d’utiliser un seul ventilateur 17 pour faire circuler de l’air à travers celles-ci.
En particulier, comme le conduit d’air 11 comprend une paroi externe étanche de la surface d’entrée 7 à la surface de sortie 9, le radiateur peut être ajusté sur la surface d’entrée 7 de sorte que tout l’air aspiré par le ventilateur 17 passe au travers des radiateurs 15A et 15B.
Dans l’exemple de réalisation illustré sur les figures, la première partie 15A est située à proximité de la face supérieure 21 tandis que la deuxième partie 15B du radiateur 15 est située à proximité du fond 19 du carter 3. Dans cet agencement, la première partie 15A se situe alors au-dessus de la deuxième partie 15B du radiateur 15. Cet agencement n’est cependant pas limitatif, la deuxième partie 15B du radiateur pouvant être placée à proximité du fond 19 du carter 3 tandis que la première partie 15A est placée à proximité de la face supérieure 21, ou les première et deuxième parties 15A, 15B pouvant être placées côte à côte entre les faces latérales 5C, 5D du carter 3. Dans ces configurations, la première partie 15A et la deuxième partie 15B sont agencées en parallèle, c’est-à-dire qu’en fonctionnement les lignes d’écoulement de l’air traversant la première partie 15A (respectivement la deuxième partie 15B) ne traversent pas la deuxième partie 15B (respectivement la première partie 15A).
Il est possible que la première partie 15A et la deuxième partie 15B sont agencées en série, c’est-à-dire qu’en fonctionnement il existe une même ligne d’écoulement de l’air traversant la première partie 15A et la deuxième partie 15B. Dans ce cas, la première partie 15A et la deuxième partie 15B peuvent être situées en regard l’une de l’autre.
Une première partie du circuit de refroidissement relie la première partie 15A du radiateur 15 et la pile à combustible 13 et une deuxième partie du circuit de refroidissement relie la deuxième partie 15B du radiateur 15 et les auxiliaires 14 de la pile à combustible. Chaque partie du circuit de refroidissement raccordée au radiateur 15 peut être parcourue par un fluide caloporteur propre à ladite partie du circuit de refroidissement.
Lorsque la surface de sortie 9 est située sur la face supérieure 21 et que le groupe électrogène à hydrogène 1 comprend un radiateur complémentaire, ce radiateur complémentaire peut participer au refroidissement de la pile à combustible 13 ou bien participer au refroidissement des auxiliaires 14 de la pile à combustible.
L’utilisation d’un radiateur 15 ayant deux parties distinctes permet ainsi de prévoir des débits d’eau de refroidissement différents dans la première et la deuxième partie du circuit de refroidissement. En particulier, le circuit auxiliaire ayant besoin d’une puissance de refroidissement moindre par rapport au circuit primaire (qui comprend la pile à combustible 13), le débit de la deuxième partie du circuit de refroidissement peut être inférieur au débit de la première partie du circuit de refroidissement. A titre d’exemple non limitatif, la puissance à évacuer, sur une durée de vie du groupe électrogène de 10 000 h, est d’environ deux fois la puissance maximale de la pile à combustible dans le circuit primaire.
Afin d’adapter les débits de refroidissement dans la première et la deuxième partie du circuit de refroidissement, la surface de la première partie 15A du radiateur 15 est supérieure à la surface de la deuxième partie 15B du radiateur 15. Par exemple, la surface de la première partie 15A du radiateur 15 peut être de deux à vingt fois, et de manière préférentielle de quatre à dix fois, plus grande que la surface de la deuxième partie 15B du radiateur 15.
On notera que, plus le nombre de cycles de la pile à combustible 13 augmente, plus les besoins en refroidissement de la pile sont élevés. Cette augmentation du besoin de refroidissement se traduit directement dans l’évolution de la température du fluide caloporteur propre à la première partie du circuit de refroidissement. Le processeur et le correcteur augmentent donc progressivement la consigne de vitesse du ventilateur 17 afin d’adapter le débit d’air aspiré au niveau du radiateur 15. De cette manière il est possible de maintenir une température nominale du fluide caloporteur propre à la première partie du circuit de refroidissement, par exemple une température nominale autour de 60 degrés, et ce quel que soit le niveau de vieillissement de la pile entre 0 et 10000 h par exemple.
Dans une forme de réalisation, le groupe électrogène 1 comprend en outre un processeur configuré pour asservir une puissance de refroidissement du ventilateur 17 en fonction d’une température du fluide caloporteur et d’une température nominale prédéfinie correspondant à une température du fluide caloporteur dans des conditions normales de fonctionnement. Par exemple, la température nominale peut être inférieure ou égale à 70°C
Le processeur reçoit en entrée une information relative à la température du fluide caloporteur, mesurée par un capteur adapté, et compare cette information à la température nominale en vue de corriger, le cas échéant, une consigne de la vitesse du ventilateur. L’augmentation de la vitesse du ventilateur signifie une augmentation de la consommation électrique du ventilateur ce qui affecte le rendement final. Pour cela, le groupe électrogène comprend donc un correcteur (par exemple de type proportionnel, intégral, dérivé - PID) configuré pour générer une telle consigne.
Le ventilateur 17 est ainsi asservi de sorte que la température du fluide caloporteur à l’endroit du capteur de température reste la plus proche possible d’une température de fonctionnement garantissant un refroidissement adapté du circuit primaire.
De préférence, le capteur de température est placé à proximité de la pile à combustible.
Le groupe électrogène 1 comprend en outre une pompe, configurée pour modifier une vitesse du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement. Optionnellement, le correcteur peut être configuré pour asservir également la vitesse de la pompe en fonction de la température du fluide caloporteur.
Dans un mode de réalisation, le correcteur modifie d’abord la vitesse de la pompe, puis seulement la vitesse du ventilateur lorsque les besoins en refroidissement augmentent (généralement après un certain nombre de cycles de la pile à combustible 13).
Le groupe électrogène 1 peut comprendre un appareillage de refroidissement de l’ensemble de conversion 23 courant continu/courant alternatif.
Dans un premier mode de réalisation, représenté à la figure 2, l’appareillage de refroidissement peut être adapté pour refroidir l’ensemble de conversion 23 directement par de l’air. L’ensemble de conversion 23 courant continu/courant alternatif est alors entouré, au moins en partie, par un canal d’air 24.
Un tel canal d’air 24 peut comprendre une ouverture d’entrée 25 située sur la petite face respectivement 5B ou 5A, opposée à la petite face respectivement 5A ou 5B comprenant la surface d’entrée 7. Cette ouverture d’entrée 25 permet de faire entrer de l’air ambiant dans le canal d’air 24.
Le canal d’air 24 peut comprendre une ouverture de sortie 26 qui débouche à l’intérieur du conduit d’air 11. Cette ouverture de sortie 26 permet de faire communiquer de l’air entre le canal d’air 24 et le conduit d’air 11.
Un dispositif de soufflerie 27 peut être disposé à l’intérieur du canal d’air 24 de sorte à entraîner de l’air depuis l’ouverture d’entrée 25 vers l’ouverture de sortie 26.
Dans un deuxième mode de réalisation, représenté à la figure 3, l’appareillage de refroidissement peut fonctionner avec de l’eau ou un fluide caloporteur et un dissipateur 28 de type radiateur eau/ air. L’appareillage comprend un circuit adapté pour faire circuler l’eau ou le fluide caloporteur entre l’ensemble de conversion courant continu/courant alternatif 23 et le dissipateur 28. Le dissipateur 28 peut être disposé dans le conduit d’air 11. De cette manière, le dissipateur 28 peut être refroidi par l’air s’écoulant à travers le conduit d’air 11. Le dissipateur 28 peut être placé au niveau de la surface d’entrée 7 de sorte à ne pas recouvrir la surface d’entrée 7. Dans ce premier cas, le dissipateur 28 est adapté pour fonctionner en parallèle avec le radiateur 15. Le dissipateur 28 peut être placé au niveau de la surface de sortie 9 ou à tout autre endroit du conduit d’air 11. Dans ce deuxième cas, le dissipateur 28 est adapté pour fonctionner en série avec le radiateur 15.
Fonctionnement – Effets techniques
Pour assurer un fonctionnement satisfaisant de la pile à combustible 13, celle-ci est refroidie par le circuit de refroidissement.
L’air ambiant aspiré par le ventilateur 17 joue le rôle de source froide et permet le refroidissement du fluide caloporteur au niveau du radiateur 15.
La puissance de refroidissement maximale pour assurer la performance de la pile à combustible 13 dépend notamment du débit d’air maximal qu’il est possible de faire circuler dans le conduit d’air 11. En particulier, plus le débit d’air maximum est important, et plus la pile peut être utilisée longtemps.
La forme du conduit d’air 11 retenue et qui limite significativement les pertes de charge permet d’assurer un débit maximal d’air relativement élevé avec une puissance de rotation du ventilateur relativement basse. En effet, dans la mesure où la surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9 sont chacune comprises dans un plan qui est normal au troisième plan, il est possible de générer un écoulement de l’air dans le conduit d’air 11 selon des lignes courbes qui sont comprises dans le troisième plan.
Moins d’obstacles sont présents pour s’opposer au flux d’air de sorte que des débits plus importants peuvent être atteints pour une même force d’aspiration d’air dans le conduit d’air 11. Les pertes de charge dues à la forme du conduit d’air 11 et les bruits générés par le groupe électrogène 1 peuvent ainsi être limitées.
Il est ainsi possible d’assurer une puissance de refroidissement supérieure à deux fois la puissance nominale de la pile à combustible, permettant l’utilisation d’une pile à combustible à membrane électrolyte polymère (ou PEMFC) sur plus de 10 000 heures et ce même lorsque l’air ambiant est de l’ordre de 40°C.
Lorsque le troisième plan et la surface externe du conduit d’air 11 sont sécants de sorte à définir au moins une ligne continue entre la surface d’entrée 7 et la surface de sortie 9, alors le troisième plan traverse de part en part le conduit d’air 11 depuis la surface d’entrée 7 jusqu’à la surface de sortie 9.
Autrement dit, le troisième plan sépare virtuellement le conduit d’air 11 en deux parties et deux parties seulement, chaque partie du conduit d’air s’étend continument de la surface d’entrée 7 à la surface de sortie 9.
Dans le cas où le conduit d’air 11 présente une symétrie, il est possible de trouver un troisième plan qui sépare virtuellement le conduit d’air 11 en deux parties symétriques.
La forme particulière du carter 3 en parallélépipède permet d’envisager le transport efficace du groupe électrogène et notamment par container.
Les quatre faces du carter 3 qui s’étendent à partir du fond 19 peuvent présenter une étendue dans une direction perpendiculaire au fond 19 supérieure à deux mètres, par exemple une étendue de deux mètres et vingt centimètres. De cette manière le carter peut être inséré en hauteur dans un container.
Les autres dimensions du carter peuvent être choisies de sorte à placer quatre groupes électrogènes dans un container.
Le fait que chaque groupe électrogène ne comprenne qu’une surface d’entrée et une surface de sortie permet d’envisager de placer plusieurs groupes les uns contre les autres sans que leur fonctionnement ne soit mis en péril.
Le fait de placer la surface d’entrée sur une des deux petites faces 5A, 5B d’envisager de placer deux groupes électrogènes 1 l’un contre l’autre le long d’une des grandes faces 5C, 5D du carter 3. Les surfaces d’entrée 7 et les surfaces de sortie 9 des deux groupes électrogènes 1 peuvent ainsi être disposées dans la même direction et côte à côte. Il est ainsi possible d’utiliser une pluralité de groupes électrogènes 1 tout en maitrisant l’encombrement de l’installation globale.
Le refroidissement du circuit auxiliaire utilisant le même air ambiant que pour le refroidissement du circuit principal qui comprend la pile à combustible 13, permet de diminuer l’encombrement du groupe électrogène. Le même ventilateur 17 et le même conduit d’air 11 sont ainsi utilisés pour refroidir les deux circuits (primaires et auxiliaire) du groupe électrogène 1.

Claims (15)

  1. Groupe électrogène (1) à hydrogène refroidi à l’air ambiant comprenant :
    - un carter (3) comprenant une surface d’entrée (7) et une surface de sortie (9) ;
    - un conduit d’air (11) logé dans le carter et s’étendant entre la surface d’entrée et la surface de sortie ;
    - une pile à combustible (13), logée dans le carter ;
    - un radiateur (15) monté sur tout ou partie de la surface d’entrée (7) configuré pour dissiper la chaleur générée par la pile à combustible (13) ; et
    - un ventilateur (17) disposé dans le conduit d’air (11) et adapté pour faire circuler de l’air dans le groupe depuis la surface d’entrée (7) vers la surface de sortie (9) ;
    la surface d’entrée (7) est comprise dans un premier plan et la surface de sortie (9) est comprise dans un deuxième plan, le premier plan et le deuxième plan étant tous les deux perpendiculaires à un troisième plan.
  2. Groupe électrogène selon la revendication 1, dans lequel le conduit d’air (11) présente une surface externe, le troisième plan et la surface externe étant sécants de sorte à définir au moins une ligne continue entre la surface d’entrée (7) et la surface de sortie (9).
  3. Groupe électrogène selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le carter (3) présente un fond (19) configuré pour être posé sur un support et une forme de parallélépipède rectangle comprenant quatre faces s’étendant depuis le fond, la surface d’entrée (7) étant disposée sur une première des quatre faces.
  4. Groupe électrogène selon la revendication 3 dans lequel les quatre faces comprennent deux faces (5A, 5B) de plus petite surface, la surface d’entrée (7) étant disposée sur une des faces de plus petite surface.
  5. Groupe électrogène selon la revendication 3 ou 4 dans lequel la surface de sortie (9) est disposée sur une face (21) du carter (3) qui fait face au fond (19).
  6. Groupe électrogène selon la revendication 5 dans lequel le ventilateur (17) présente un axe de rotation orienté de manière oblique ou perpendiculaire par rapport au fond (19) du carter (3).
  7. Groupe électrogène selon la revendication 3 ou 4 dans lequel la surface de sortie (9) est disposée sur une deuxième des quatre faces (5B) qui est opposée à la première (5A) des quatre faces.
  8. Groupe électrogène selon l’une des revendications précédentes dans lequel le conduit d’air (11) comprend une portion montée sur la surface d’entrée (7) et présentant une section décroissante de la surface d’entrée (7) en direction de la surface de sortie (9).
  9. Groupe électrogène selon la revendication 8, dans lequel la portion du conduit d’air (11) présentant une section décroissante s’étend en amont du ventilateur (17), par rapport au sens d’écoulement d’air dans le conduit.
  10. Groupe électrogène selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le conduit d’air (11) comprend une portion montée sur la surface de sortie (9) et présentant une section sensiblement constante du ventilateur (17) à la surface de sortie (9).
  11. Groupe électrogène selon l’une des revendications précédentes dans lequel le ventilateur (17) est séparé du radiateur (15) d’une distance comprise entre 5% et 50% de la distance séparant le deux faces (5A, 5B) de plus petite surface.
  12. Groupe électrogène selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre des composants auxiliaires (14) de la pile à combustible, le radiateur (15) comprenant deux parties, une première partie (15A) étant configurée pour dissiper de la chaleur générée par la pile à combustible (13) et une deuxième partie (15B) étant configurée pour dissiper de la chaleur générée par les composants auxiliaires (14), le groupe électrogène comprenant en outre un premier circuit de refroidissement monté entre la première partie (15A) du radiateur et la pile à combustible (13) et un deuxième circuit de refroidissement monté entre la deuxième partie (15B) du radiateur et les composants auxiliaires (14), le premier circuit de refroidissement et le deuxième circuit de refroidissement ayant des débits différents.
  13. Groupe électrogène selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le ventilateur (17) est alimenté en courant par la pile à combustible (13).
  14. Groupe électrogène selon l’une des revendications 1 à 13, comprenant en outre un circuit de refroidissement raccordé au radiateur (15) dans lequel circule un fluide caloporteur et un processeur configuré pour modifier une puissance de refroidissement du ventilateur (17) dans le temps en fonction d’une température du fluide caloporteur et d’une température de référence prédéfinie.
  15. Groupe électrogène selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre un ensemble de conversion (23) de courant continu en courant alternatif et un dissipateur configuré pour dissiper de la chaleur générée par l’ensemble de conversion (23) de courant continu en courant alternatif.
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