FR3116386A1 - Method for thermal management of a vehicle fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Dans ce procédé de gestion thermique dans un système d’alimentation électrique (2) pour véhicule, le système comprenant : - une pile à combustible (5) configurée pour être alimentée en dihydrogène, - un réservoir d’ammoniac (8), - un module de craquage d’ammoniac (14) configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir (8) en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et - une chambre de combustion (22) configurée pour chauffer le module de craquage (14), on alimente la chambre de combustion (22) avec le mélange gazeux sortant du module de craquage (14) ou avec un mélange gazeux sortant de la pile (5) afin de chauffer le module de craquage (14), et on régule l’alimentation du module de craquage (14) d’ammoniac en fonction de la température du module de craquage (14). Figure pour l’abrégé : figure 1In this thermal management method in an electric power supply system (2) for a vehicle, the system comprising: - a fuel cell (5) configured to be supplied with dihydrogen, - an ammonia tank (8), - a ammonia cracking module (14) configured to crack the ammonia coming from the reservoir (8) into a gaseous mixture comprising dihydrogen, and - a combustion chamber (22) configured to heat the cracking module (14), feeds the combustion chamber (22) with the gaseous mixture leaving the cracking module (14) or with a gaseous mixture leaving the stack (5) in order to heat the cracking module (14), and the supply of the cracking modulus (14) of ammonia as a function of the temperature of the cracking modulus (14). Figure for abstract: figure 1
Description
L’invention concerne la gestion thermique à bord d’un véhicule. Plus particulièrement, l’invention concerne un système d’alimentation électrique à pile à combustible pour véhicule et un procédé de gestion thermique d’un tel système.The invention relates to thermal management on board a vehicle. More particularly, the invention relates to a fuel cell power supply system for a vehicle and to a method for thermal management of such a system.
Un véhicule automobile comprend des moyens d’entraînement, alimentés par une source d’énergie, qui permettent de mettre le véhicule en mouvement. Une des sources d’énergie les plus répandues comprend un moteur à combustion interne fonctionnant avec du carburant. Cependant, la combustion du carburant produit du dioxyde de carbone qui pollue l’atmosphère, si bien qu’il peut être préférable d’employer des sources d’énergie moins polluantes.A motor vehicle comprises drive means, powered by a source of energy, which make it possible to set the vehicle in motion. One of the most common power sources includes an internal combustion engine that runs on fuel. However, the combustion of fuel produces carbon dioxide which pollutes the atmosphere, so it may be preferable to use less polluting energy sources.
Il est connu d’utiliser une pile à combustible pour remplacer le moteur à combustion interne, par exemple une pile à hydrogène. L’hydrogène, sous forme de dihydrogène, est oxydé par la pile qui produit alors de l’électricité, pour alimenter les moyens d’entraînement, et de la chaleur. L’hydrogène peut être stocké sous forme d’ammoniac gazeux absorbé dans ou adsorbé sur un sel dans des cartouches de stockage. Il s’agit d’une méthode sûre de stockage d’hydrogène. L’ammoniac peut également être stocké sous forme liquide. L’ammoniac doit être craqué dans un module de craquage afin de former du dihydrogène qui peut alors être fourni à la pile.It is known to use a fuel cell to replace the internal combustion engine, for example a hydrogen cell. The hydrogen, in the form of dihydrogen, is oxidized by the fuel cell which then produces electricity, to supply the means of drive, and heat. Hydrogen can be stored as ammonia gas absorbed in or adsorbed on a salt in storage cartridges. This is a safe method of storing hydrogen. Ammonia can also be stored in liquid form. The ammonia must be cracked in a cracking module to form dihydrogen which can then be supplied to the fuel cell.
La réaction de craquage de l’hydrogène étant endothermique, il est nécessaire d’apporter de la chaleur à l’ammoniac afin de le craquer en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène et du diazote. Ce mélange gazeux peut ensuite servir à alimenter la pile en dihydrogène.The hydrogen cracking reaction being endothermic, it is necessary to provide heat to the ammonia in order to crack it into a gaseous mixture comprising dihydrogen and dinitrogen. This gaseous mixture can then be used to supply the cell with dihydrogen.
Afin de produire la chaleur pour le craquage, il est connu dans l’état de la technique d’effectuer une combustion d’une partie de l’ammoniac sortant du module de craquage dans une chambre de combustion afin de faire monter la température dans le module de craquage. Cependant, l'état de la technique ne propose pas de méthode concrète pour piloter l’alimentation de la chambre de combustion durant les différentes étapes de fonctionnement de la pile.In order to produce the heat for the cracking, it is known in the state of the art to carry out a combustion of part of the ammonia leaving the cracking module in a combustion chamber in order to raise the temperature in the cracking modulus. However, the state of the art does not offer a concrete method for controlling the supply to the combustion chamber during the various stages of operation of the stack.
L'invention a notamment pour but d’optimiser l’apport de chaleur au module de craquage lors du fonctionnement de la pile à combustible.The aim of the invention is in particular to optimize the supply of heat to the cracking module during operation of the fuel cell.
A cet effet, on prévoit selon l’invention un procédé de gestion thermique dans un système d’alimentation électrique pour véhicule, le système comprenant :To this end, provision is made according to the invention for a thermal management method in an electrical power supply system for a vehicle, the system comprising:
- une pile à combustible configurée pour être alimentée en dihydrogène,- a fuel cell configured to be supplied with dihydrogen,
- un réservoir d’ammoniac,- an ammonia tank,
- un module de craquage d’ammoniac configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et- an ammonia cracking module configured to crack the ammonia coming from the tank into a gaseous mixture comprising dihydrogen, and
- une chambre de combustion configurée pour chauffer le module de craquage,- a combustion chamber configured to heat the cracking module,
caractérisé en ce qu’on alimente la chambre de combustion avec le mélange gazeux sortant du module de craquage ou avec un mélange gazeux sortant de la pile afin de chauffer le module de craquage, et on régule l’alimentation du module de craquage en ammoniac en fonction de la température du module de craquage.characterized in that the combustion chamber is fed with the gaseous mixture leaving the cracking module or with a gaseous mixture leaving the stack in order to heat the cracking module, and the supply of the cracking module with ammonia is regulated by as a function of cracking modulus temperature.
L’ammoniac possède ainsi deux fonctions dans le système d’alimentation, à savoir servir de précurseur d’hydrogène pour alimenter la pile et servir de source de chaleur pour le module de craquage par combustion dans la chambre de combustion. La régulation du débit d’ammoniac sortant du réservoir permet donc à la fois de gérer la puissance électrique générée par la pile et l’évolution de la température du module de craquage. On comprend ainsi qu’il est possible d’atteindre un débit d’ammoniac permettant d’atteindre un équilibre entre l’alimentation de la pile et le chauffage du module de craquage, cet équilibre étant régulé en fonction de la puissance électrique instantanée que doit fournir la pile au véhicule.Ammonia thus has two functions in the fuel system, namely serving as a hydrogen precursor to fuel the fuel cell and serving as a heat source for the combustion cracker module in the combustion chamber. Regulating the flow of ammonia leaving the tank therefore makes it possible both to manage the electrical power generated by the cell and the change in temperature of the cracking module. It is thus understood that it is possible to achieve an ammonia flow rate making it possible to achieve a balance between the supply of the cell and the heating of the cracking module, this balance being regulated according to the instantaneous electrical power that must supply the battery to the vehicle.
Avantageusement, le système comprend en outre un canal de dérivation reliant la sortie du module de craquage à la chambre de combustion, le canal de dérivation comprenant une valve de dérivation configurée pour permettre ou bloquer le passage de gaz dans le canal de dérivation.Advantageously, the system further comprises a bypass channel connecting the outlet of the cracking module to the combustion chamber, the bypass channel comprising a bypass valve configured to allow or block the passage of gas in the bypass channel.
Il est ainsi possible d’alimenter la chambre de combustion en mélange gazeux sans qu’il n’ait transité par la pile.It is thus possible to supply the combustion chamber with a gaseous mixture without it having passed through the stack.
Avantageusement, tant que la température du module de craquage est inférieure à une température prédéterminée, on maintient ouverte la valve de dérivation.Advantageously, as long as the temperature of the cracking modulus is below a predetermined temperature, the bypass valve is kept open.
On alimente ainsi la chambre de combustion avec le mélange gazeux sans qu’il ne transite par la pile. Lorsque le module de craquage présente une température trop faible, le craquage de l’ammoniac ne se produit pas ou peu, si bien que le mélange gazeux sortant du module de craquage ne comporte pas suffisamment de dihydrogène pour alimenter efficacement la pile. On évite donc d’alimenter la pile avec un mélange gazeux inexploitable pour elle. Cela permet en outre de faire augmenter plus rapidement la température du module de craquage que si le mélange gazeux devait transiter, inutilement, par la pile avant d’atteindre la chambre de combustion.The combustion chamber is thus fed with the gaseous mixture without it passing through the stack. When the cracking module has a temperature that is too low, the ammonia cracking does not occur or only slightly, so that the gas mixture leaving the cracking module does not contain enough dihydrogen to effectively supply the fuel cell. We therefore avoid supplying the cell with a gaseous mixture that is unusable for it. This also makes it possible to increase the temperature of the cracking module more quickly than if the gaseous mixture had to pass unnecessarily through the stack before reaching the combustion chamber.
Avantageusement, tant que la température du module de craquage est supérieure à une température prédéterminée, on maintient fermée la valve de dérivation.Advantageously, as long as the temperature of the cracking modulus is above a predetermined temperature, the bypass valve is kept closed.
Dans ce cas, le module de craquage présente une température suffisamment élevée pour que le craquage de l’ammoniac se produise. Dès lors, le mélange gazeux sortant du module de craquage comporte suffisamment de dihydrogène pour alimenter la pile, si bien qu’il ne faut pas que ce mélange gazeux soit directement fourni à la chambre de combustion.In this case, the cracking modulus has a high enough temperature for ammonia cracking to occur. Consequently, the gaseous mixture leaving the cracking module contains enough dihydrogen to supply the fuel cell, so that this gaseous mixture must not be supplied directly to the combustion chamber.
Avantageusement, dans un régime transitoire de l’alimentation du module de craquage d’ammoniac, on alimente le module de craquage d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile.Advantageously, in a transient state of the supply of the ammonia cracking module, the ammonia cracking module is supplied according to an electrical power that the cell must generate.
On permet ainsi d’accélérer l’atteinte du régime permanent permis par la régulation du module de craquage d’ammoniac en fonction de la température du module de craquage. En d’autres termes, l’alimentation du module de craquage d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile forme une condition initiale qui permet de faire converger rapidement la régulation vers l’équilibre entre l’alimentation de la pile et le chauffage du module de craquage mentionné plus haut.This makes it possible to accelerate the achievement of the steady state allowed by the regulation of the ammonia cracking module as a function of the temperature of the cracking module. In other words, the supply of the ammonia cracking module as a function of an electrical power that the fuel cell must generate forms an initial condition which makes it possible to quickly make the regulation converge towards the balance between the supply of the stack and the cracker module heater mentioned above.
Avantageusement, le réservoir d’ammoniac comprend au moins une cartouche de stockage d’ammoniac sous forme absorbée dans une matrice, par exemple une matrice en chlorure de calcium.Advantageously, the ammonia tank comprises at least one ammonia storage cartridge in the form absorbed in a matrix, for example a calcium chloride matrix.
L’ammoniac est ainsi stocké de manière sûre dans le système.Ammonia is thus safely stored in the system.
De manière plus générale, la matrice peut se présenter sous la forme d’un sel de formule générale Ma(NH3)nXz, dans laquelle M est un ou plusieurs cations choisis parmi les métaux alcalins tels que Li, Na, K ou Cs, les métaux alcalino-terreux tels que Mg, Ca ou Sr, et/ou des métaux de transition tels que V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu ou Zn ou leurs combinaisons telles que NaAl, KAl, K2Zn, CsCu ou K2Fe, X est un ou plusieurs anions choisis parmi le fluorure, le chlorure, le bromure, l’iodure , les ions nitrate, le thiocyanate, le sulfate, le molybdate et le phosphate, a est le nombre de cations par molécule de sel, z est le nombre d'anions par molécule de sel et n est le nombre de coordinations, compris entre 2 et 12.More generally, the matrix may be in the form of a salt of general formula M a (NH 3 ) n X z , in which M is one or more cations chosen from alkali metals such as Li, Na, K or Cs, alkaline earth metals such as Mg, Ca or Sr, and/or transition metals such as V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu or Zn or their combinations such as NaAl, KAl, K 2 Zn, CsCu or K 2 Fe, X is one or more anions chosen from fluoride, chloride, bromide, iodide, nitrate ions, thiocyanate, sulphate, molybdate and phosphate, a is the number number of cations per molecule of salt, z is the number of anions per molecule of salt and n is the number of coordinations, between 2 and 12.
Avantageusement, le système comprend en outre un module de purification configuré pour réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux entrant dans la pile.Advantageously, the system further comprises a purification module configured to reduce the ammonia content of the gas mixture entering the stack.
Il est ainsi possible d’alimenter la pile avec un mélange gazeux particulièrement pur en dihydrogène. Cela permet notamment de rendre l’invention applicable aux piles du type « PEMFC », sigle pour les termes anglo-saxons « Proton Exchange Membrane Fuel Cell », qui ont besoin d’un niveau élevé de pureté en hydrogène pour fonctionner.It is thus possible to supply the cell with a gaseous mixture that is particularly pure in dihydrogen. This makes it possible in particular to make the invention applicable to batteries of the “PEMFC” type, acronym for the Anglo-Saxon terms “Proton Exchange Membrane Fuel Cell”, which need a high level of hydrogen purity to operate.
Avantageusement, le procédé est mis en œuvre à bord d’un véhicule.Advantageously, the method is implemented on board a vehicle.
On prévoit également selon l’invention un système d’alimentation électrique pour véhicule comprenant :There is also provided according to the invention an electrical power supply system for a vehicle comprising:
- une pile à combustible configurée pour être alimentée en dihydrogène,- a fuel cell configured to be supplied with dihydrogen,
- un réservoir d’ammoniac,- an ammonia tank,
- un module de craquage configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène,- a cracking module configured to crack the ammonia coming from the tank into a gaseous mixture comprising dihydrogen,
- une chambre de combustion configurée pour chauffer le module de craquage, et- a combustion chamber configured to heat the cracking module, and
- une unité de commande configurée pour mettre en œuvre un procédé de gestion thermique tel que défini dans ce qui précède.- A control unit configured to implement a thermal management method as defined above.
On prévoit aussi selon l’invention un véhicule automobile comprenant un système d’alimentation tel que défini ci-dessus.Provision is also made according to the invention for a motor vehicle comprising a supply system as defined above.
Brève description des figuresBrief description of figures
L'invention va maintenant être présentée à l’appui de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :The invention will now be presented in support of the following description given solely by way of example and made with reference to the appended drawings in which:
Description détailléedetailed description
On a représenté en
Le système d’alimentation 2 comprend une pile à combustible 5 du type à hydrogène. Plus spécifiquement, il peut s’agir d’une pile du type communément désigné « AMFC », sigle pour les termes anglo-saxons Alkaline Membrane Fuel Cell. La pile 5 comprend une anode 6, agencée pour être alimentée en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et une cathode 7, à partir de laquelle l’énergie électrique générée par l’oxydation du dihydrogène est fournie au véhicule 4. Au niveau de l’anode 6, le mélange gazeux entre par une entrée de l’anode 6a et sort par une sortie de l’anode 6b, la teneur en dihydrogène du mélange gazeux à la sortie de l’anode 6b étant inférieur ou égal à sa teneur à l’entrée de l’anode 6a. Ce type de pile étant connue de l’état de la technique, son fonctionnement ne sera pas décrit plus en détails dans ce qui suit.The power system 2 comprises a fuel cell 5 of the hydrogen type. More specifically, it may be a battery of the type commonly designated “AMFC”, acronym for the English terms Alkaline Membrane Fuel Cell. The cell 5 comprises an anode 6, arranged to be supplied with a gaseous mixture comprising dihydrogen, and a cathode 7, from which the electrical energy generated by the oxidation of the dihydrogen is supplied to the vehicle 4. At the level of the anode 6, the gas mixture enters through an inlet of anode 6a and exits through an outlet of anode 6b, the dihydrogen content of the gas mixture at the outlet of anode 6b being less than or equal to its content at the anode inlet 6a. Since this type of cell is known from the state of the art, its operation will not be described in more detail below.
Le système d’alimentation 2 comprend un réservoir d’ammoniac 8. L’ammoniac est un précurseur de dihydrogène. Ici, le réservoir 8 permet le stockage de l’ammoniac sous forme gazeuse. A cet effet, le réservoir 8 comprend une matrice qui est constituée d’un sel, par exemple du chlorure de calcium, l’ammoniac étant absorbé dans la matrice et éventuellement adsorbée sur la matrice. Le chlorure de calcium est particulièrement adapté dans la mesure où une molécule de chlorure de calcium peut former une liaison avec huit molécules d’ammoniac. On peut toutefois prévoir toute autre forme de stockage de l’ammoniac dans le réservoir 8.Fuel system 2 includes an ammonia tank 8. Ammonia is a precursor to dihydrogen. Here, tank 8 allows the storage of ammonia in gaseous form. For this purpose, the tank 8 comprises a matrix which consists of a salt, for example calcium chloride, the ammonia being absorbed in the matrix and possibly adsorbed on the matrix. Calcium chloride is particularly suitable since one molecule of calcium chloride can form a bond with eight molecules of ammonia. However, any other form of ammonia storage can be provided in tank 8.
Le système d’alimentation 2 comprend une unité de dosage 10 qui permet de doser la quantité d’ammoniac qui est acheminée du réservoir 8 en direction de la pile 5.The supply system 2 comprises a metering unit 10 which makes it possible to meter the quantity of ammonia which is conveyed from the tank 8 in the direction of the pile 5.
Le système d’alimentation 2 comprend un premier échangeur de chaleur 12 qui permet de préchauffer l’ammoniac sortant de l’unité de dosage 10. On indiquera plus loin comment l’ammoniac est préchauffée dans le premier échangeur de chaleur 12.The supply system 2 comprises a first heat exchanger 12 which makes it possible to preheat the ammonia leaving the metering unit 10. It will be indicated later how the ammonia is preheated in the first heat exchanger 12.
Le système d’alimentation 2 comprend un module de craquage d’ammoniac 14, situé en aval de du premier échangeur de chaleur 12 en considérant le sens de circulation de l’ammoniac provenant du réservoir 8, dans laquelle se déroule la réaction de craquage de l’ammoniac. Cette réaction permet de produire, à partir de l’ammoniac, un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac. Cette réaction est endothermique, un apport de chaleur est donc nécessaire pour permettre le craquage.The supply system 2 comprises an ammonia cracking module 14, located downstream of the first heat exchanger 12 considering the direction of circulation of the ammonia coming from the tank 8, in which the cracking reaction of ammonia. This reaction makes it possible to produce, from ammonia, a gaseous mixture comprising dinitrogen, dihydrogen and ammonia. This reaction is endothermic, a heat input is therefore necessary to allow cracking.
Le système d’alimentation 2 comprend un second échangeur de chaleur 16 qui permet de refroidir le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 avant qu’il n’atteigne la pile 5. La pile 5 n’a pas besoin d’être alimentée en dihydrogène chaud. Le mélange gazeux est refroidi par une admission d’air ambiant dans le second échangeur de chaleur 16. Ainsi, il sort du second échangeur de chaleur, d’une part, un mélange gazeux comprenant du diazote, du dihydrogène et de l’ammoniac refroidi et, d’autre part, de l’air chaud.The supply system 2 comprises a second heat exchanger 16 which makes it possible to cool the gaseous mixture leaving the cracking module 14 before it reaches the stack 5. The stack 5 does not need to be supplied with hot dihydrogen. The gaseous mixture is cooled by an admission of ambient air into the second heat exchanger 16. Thus, it leaves the second heat exchanger, on the one hand, a gaseous mixture comprising dinitrogen, dihydrogen and cooled ammonia and, on the other hand, hot air.
Le système d’alimentation 2 comprend un canal d’alimentation 18 permettant au mélange gazeux refroidi par le second échangeur de chaleur 16 d’atteindre l’entrée de l’anode 6a de la pile 5. Le canal d’alimentation 18 comprend une valve d’alimentation 20 pouvant prendre une position ouverte dans laquelle elle permet le passage du mélange gazeux vers la pile 5 et une position fermée dans laquelle elle empêche tout passage du mélange gazeux dans le conduit d’alimentation 18.The supply system 2 comprises a supply channel 18 allowing the gaseous mixture cooled by the second heat exchanger 16 to reach the inlet of the anode 6a of the cell 5. The supply channel 18 comprises a valve supply 20 which can take an open position in which it allows the passage of the gaseous mixture to the cell 5 and a closed position in which it prevents any passage of the gaseous mixture in the supply conduit 18.
Le système d’alimentation 2 comprend une chambre de combustion 22 configurée pour chauffer le module de craquage 14 en vue d’apporter de la chaleur nécessaire à la réaction de craquage de l’ammoniac. La chambre de combustion 22 est alimentée avec le mélange gazeux sortant de la sortie de l’anode 6b et l’air chaud sortant du second échangeur de chaleur 16. On comprend ainsi que le préchauffage de l’air dans le second échangeur de chaleur 16 permet de réduire la tendance de l’air entrant dans la chambre de combustion 22 à réduire la température à l’intérieur de celle-ci. Le mélange gazeux peut contenir du dihydrogène car la pile 5 ne consomme généralement pas tout le dihydrogène qui lui est fourni. La combustion de l’ammoniac et du dihydrogène compris dans le mélange gazeux permet d’alimenter le module de craquage 14 en chaleur. La température de la chambre de combustion 22 est mesurée au moyen d’un capteur de température 24. Si la température de la chambre de combustion 22 est insuffisante pour permettre la combustion, par exemple lors d’un démarrage du véhicule 4, un organe de préchauffage 26 permet de générer la chaleur nécessaire pour atteindre la température minimale permettant la combustion. Une fois que la température de la chambre de combustion 22 est supérieure à cette température minimale, l’organe de préchauffage 26 est désactivé. L’organe de préchauffage 26 comprend ici un chauffeur électrique.The feed system 2 comprises a combustion chamber 22 configured to heat the cracking module 14 in order to provide the heat necessary for the ammonia cracking reaction. The combustion chamber 22 is supplied with the gaseous mixture leaving the outlet of the anode 6b and the hot air leaving the second heat exchanger 16. It is thus understood that the preheating of the air in the second heat exchanger 16 makes it possible to reduce the tendency of the air entering the combustion chamber 22 to reduce the temperature inside the latter. The gaseous mixture may contain dihydrogen because the cell 5 generally does not consume all the dihydrogen supplied to it. The combustion of the ammonia and dihydrogen included in the gaseous mixture makes it possible to supply the cracking module 14 with heat. The temperature of the combustion chamber 22 is measured by means of a temperature sensor 24. If the temperature of the combustion chamber 22 is insufficient to allow combustion, for example when starting the vehicle 4, a preheater 26 makes it possible to generate the heat necessary to reach the minimum temperature allowing combustion. Once the temperature of the combustion chamber 22 is higher than this minimum temperature, the preheater 26 is deactivated. The preheating member 26 here comprises an electric heater.
Le gaz comburé sortant de la chambre de combustion 22 est alimenté dans le premier échangeur de chaleur 12 afin d’assurer le préchauffage de l’ammoniac sortant de l’unité de dosage 10, comme mentionné plus haut.The combustion gas leaving the combustion chamber 22 is fed into the first heat exchanger 12 in order to ensure the preheating of the ammonia leaving the metering unit 10, as mentioned above.
Le système d’alimentation 2 comprend un canal de dérivation 28 reliant la sortie, côté mélange gazeux, du second échangeur de chaleur 16 à la chambre de combustion 22. Le canal de dérivation 28 comprend une valve de dérivation 30 pouvant prendre une position ouverte dans laquelle elle permet le passage du mélange gazeux vers la chambre de combustion 22 et une position fermée dans laquelle elle empêche tout passage du mélange gazeux dans le conduit de dérivation 28.The supply system 2 comprises a bypass channel 28 connecting the outlet, on the gaseous mixture side, of the second heat exchanger 16 to the combustion chamber 22. The bypass channel 28 comprises a bypass valve 30 able to assume an open position in which it allows the passage of the gaseous mixture to the combustion chamber 22 and a closed position in which it prevents any passage of the gaseous mixture into the bypass duct 28.
Le système d’alimentation 2 comprend une unité de commande 32 configurée pour commander le fonctionnement des éléments du système d’alimentation, notamment celui de l’unité de dosage 10, de la valve d’alimentation 20 et de la valve de dérivation 30.The supply system 2 comprises a control unit 32 configured to control the operation of the elements of the supply system, in particular that of the dosing unit 10, the supply valve 20 and the bypass valve 30.
On va maintenant décrire un procédé de gestion thermique du système d’alimentation 2 qui est mis en œuvre à bord du véhicule par l’unité de commande 32.We will now describe a process for thermal management of the power supply system 2 which is implemented on board the vehicle by the control unit 32.
On suppose que le véhicule 4 est initialement à l’arrêt. Lorsqu’il est mis en marche, la pile doit fournir de l’énergie électrique au véhicule. A cette fin, l’unité de commande 32 commande à l’unité de dosage 10 d’acheminer de l’ammoniac stocké dans le réservoir 8 en direction de la pile 5. Pour une période correspondant à un régime transitoire, l’unité de dosage 10 commande un débit d’ammoniac sortant du réservoir 8 correspondant à un débit de dihydrogène, en supposant une transformation de deux molécules d’ammoniac en trois molécules de dihydrogène, permettant à la pile de générer l’énergie électrique nécessaire pour le fonctionnement du véhicule 4.It is assumed that vehicle 4 is initially stationary. When turned on, the battery should provide electrical power to the vehicle. To this end, the control unit 32 controls the metering unit 10 to convey ammonia stored in the tank 8 in the direction of the cell 5. For a period corresponding to a transient state, the unit of metering 10 controls a flow of ammonia leaving tank 8 corresponding to a flow of dihydrogen, assuming a transformation of two molecules of ammonia into three molecules of dihydrogen, allowing the cell to generate the electrical energy necessary for the operation of the vehicle 4.
Au début de ce régime transitoire, le module de craquage 14 est à une température insuffisante pour permettre le craquage de l’ammoniac. Tant que la température du module de craquage 14 est inférieure à une température prédéterminée, on maintient ouverte la valve de dérivation 30 et on maintient fermée la valve d’alimentation 20. Le mélange gazeux sortant du module de craquage 14, comprenant principalement de l’ammoniac, est ainsi acheminé à la chambre de combustion 22 sans passer par la pile 5. Ce mélange gazeux est comburé pour faire augmenter la température dans la chambre de combustion 22 et dans le module de craquage 14. Si la température dans la chambre de combustion 22 est insuffisante pour permettre cette combustion, l’organe de préchauffage 26 est activé pour atteindre la température minimale permettant la combustion, puis est désactivé. La combustion, une fois possible, permet de maintenir la température dans la chambre de combustion 22 supérieure à cette température minimale.At the start of this transient state, the cracking module 14 is at an insufficient temperature to allow the cracking of the ammonia. As long as the temperature of the cracking module 14 is below a predetermined temperature, the bypass valve 30 is kept open and the supply valve 20 is kept closed. The gaseous mixture leaving the cracking module 14, comprising mainly ammonia, is thus conveyed to the combustion chamber 22 without passing through the cell 5. This gaseous mixture is comburated to increase the temperature in the combustion chamber 22 and in the cracking module 14. If the temperature in the combustion chamber 22 is insufficient to allow this combustion, the preheater 26 is activated to reach the minimum temperature allowing combustion, then is deactivated. Combustion, once possible, makes it possible to maintain the temperature in the combustion chamber 22 above this minimum temperature.
La température prédéterminée mentionnée dans le paragraphe ci-dessus est celle à partir de laquelle le module de craquage 14 permet le craquage de l’ammoniac de sorte que le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 présente une teneur en ammoniac inférieure à un seuil prédéterminé. Pour un module de craquage 14 utilisant un catalyseur au ruthénium par exemple, la température prédéterminée est choisie entre 450°C et 600°C, par exemple 550°C. A cette température, la teneur en ammoniac est inférieure à 1000 ppm. Il faut noter que le mélange gazeux obtenu par craquage d’ammoniac contient environ 75% en volume de dihydrogène.The predetermined temperature mentioned in the paragraph above is that from which the cracking module 14 allows the cracking of ammonia so that the gaseous mixture leaving the cracking module 14 has an ammonia content below a predetermined threshold. . For a cracking module 14 using a ruthenium catalyst for example, the predetermined temperature is chosen between 450°C and 600°C, for example 550°C. At this temperature, the ammonia content is less than 1000 ppm. It should be noted that the gaseous mixture obtained by cracking ammonia contains approximately 75% by volume of dihydrogen.
Une fois que la température dans le module de craquage 14 atteint la température prédéterminée et tant qu’elle reste supérieure à la température prédéterminée, on ferme la valve de dérivation 30 et on ouvre la valve d’alimentation 20. L’anode 6 de la pile 5 commence ainsi à être alimentée en dihydrogène, qui peut être oxydé pour générer de l’énergie électrique de manière connue en soi. Le mélange gazeux sortant de l’anode 6 est ensuite acheminé à la chambre de combustion 22 en vue d’être comburé pour continuer à chauffer le module de craquage 14.Once the temperature in the cracking module 14 reaches the predetermined temperature and as long as it remains above the predetermined temperature, the bypass valve 30 is closed and the supply valve 20 is opened. The anode 6 of the cell 5 thus begins to be supplied with dihydrogen, which can be oxidized to generate electrical energy in a manner known per se. The gaseous mixture leaving the anode 6 is then routed to the combustion chamber 22 in order to be comburated to continue to heat the cracking module 14.
Une fois la valve d’alimentation 20 ouverte, l’unité de commande 32 commande à l’unité de dosage 10 une régulation de l’alimentation du module de craquage 14 en ammoniac en fonction de la température du module de craquage 14. A cet effet, on mesure la température du module de craquage 14 et on la compare, à intervalles de temps réguliers, à une température d’utilisation optimale du module de craquage 14. Cette température d’utilisation optimale peut être définie comme correspondant à une température suffisante pour permettre le craquage de l’ammoniac de sorte que le mélange gazeux sortant du module de craquage 14 présente une teneur en dihydrogène optimale pour le fonctionnement de la pile 5. La température d’utilisation optimale dépend d’un catalyseur qui est utilisé dans le module de craquage 14. Pour un catalyseur au ruthénium par exemple, la température d’utilisation optimale est située entre 450°C et 600°C, par exemple 550°C.Once the supply valve 20 is open, the control unit 32 commands the metering unit 10 to regulate the supply of the cracking module 14 with ammonia as a function of the temperature of the cracking module 14. At this effect, the temperature of the cracking module 14 is measured and it is compared, at regular time intervals, with an optimum operating temperature of the cracking module 14. This optimum operating temperature can be defined as corresponding to a sufficient temperature to allow the cracking of the ammonia so that the gaseous mixture leaving the cracking module 14 has an optimum dihydrogen content for the operation of the cell 5. The optimum operating temperature depends on a catalyst which is used in the cracking modulus 14. For a ruthenium catalyst for example, the optimum operating temperature is between 450°C and 600°C, for example 550°C.
Si le module de craquage 14 présente à sa sortie une température inférieure à la température d’utilisation optimale, alors l’unité de dosage 10 augmente le débit d’ammoniac sortant du réservoir 8. De la sorte, plus d’ammoniac est fourni au module de craquage 14, à la pile 5 puis à la chambre de combustion 22 en vue de sa combustion, ce qui permet d’augmenter la température du module de craquage 14.If the cracking module 14 presents at its outlet a temperature lower than the optimum use temperature, then the metering unit 10 increases the flow rate of ammonia leaving the tank 8. In this way, more ammonia is supplied to the cracking module 14, to the stack 5 then to the combustion chamber 22 for its combustion, which makes it possible to increase the temperature of the cracking module 14.
Si le module de craquage 14 présente à sa sortie une température supérieure à la température d’utilisation optimale, alors l’unité de dosage 10 réduit le débit d’ammoniac sortant du réservoir 8. De la sorte, moins d’ammoniac est fourni au module de craquage 14, à la pile 5 puis à la chambre de combustion 22 en vue de sa combustion, ce qui permet de réduire la température du module de craquage 14.If the cracking module 14 presents at its outlet a temperature higher than the optimum use temperature, then the metering unit 10 reduces the flow of ammonia leaving the tank 8. In this way, less ammonia is supplied to the cracking module 14, to the stack 5 then to the combustion chamber 22 for its combustion, which makes it possible to reduce the temperature of the cracking module 14.
La commande du régime transitoire présentée précédemment, par laquelle on commande une alimentation du module de craquage 14 d’ammoniac en fonction d’une puissance électrique que doit générer la pile 5, permet d’atteindre rapidement l’équilibre à la température d’utilisation optimale du module de craquage 14.The control of the transient state presented above, by which a supply of the ammonia cracking module 14 is controlled as a function of an electrical power that the cell 5 must generate, makes it possible to quickly reach equilibrium at the temperature of use. optimal cracking modulus 14.
On a représenté en
Le deuxième mode de réalisation de l’invention diffère du premier mode en ce que le canal d’alimentation 18 comprend un module de purification 34 situé en aval de la valve d’alimentation 20. Le module de purification 34 est configuré pour réduire la teneur en ammoniac du mélange gazeux sortant du second échangeur de chaleur 16, par exemple à une valeur inférieure à 0,1 ppm. Cette étape de purification est critique notamment dans le cas où la pile 5 est du type « PEMFC », ce type de pile nécessitant une alimentation en dihydrogène particulièrement pur. A la sortie du module de purification 34, le mélange gazeux est fourni à l’entrée de l’anode 6a en vue de l’oxydation du dihydrogène par la pile 5. L’unité de commande 32 permet une mise en œuvre du procédé de gestion thermique similaire à celui du premier mode de réalisation.The second embodiment of the invention differs from the first mode in that the supply channel 18 includes a purification module 34 located downstream of the supply valve 20. The purification module 34 is configured to reduce the content in ammonia of the gas mixture leaving the second heat exchanger 16, for example at a value of less than 0.1 ppm. This purification step is critical in particular in the case where the cell 5 is of the “PEMFC” type, this type of cell requiring a supply of particularly pure dihydrogen. At the outlet of the purification module 34, the gaseous mixture is supplied to the inlet of the anode 6a with a view to the oxidation of the dihydrogen by the cell 5. The control unit 32 allows implementation of the method of thermal management similar to that of the first embodiment.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est notamment possible de prévoir la présence d’un module de purification dans le système d’alimentation électrique selon le premier mode de réalisation de l’invention. On peut également prévoir un capteur de température à la sortie du module de craquage. Selon une variante de réalisation, l’ammoniac peut être stocké sous forme liquide dans le réservoir.The invention is not limited to the embodiments shown and other embodiments will be apparent to those skilled in the art. It is in particular possible to provide for the presence of a purification module in the power supply system according to the first embodiment of the invention. It is also possible to provide a temperature sensor at the outlet of the cracking module. According to a variant embodiment, the ammonia can be stored in liquid form in the tank.
Liste de référencesList of references
2 ; 2’ : système d’alimentation électrique
4 : véhicule
5 : pile
6 : anode
7 : cathode
6a : entrée de l’anode
6b : sortie de l’anode
8 : réservoir d’ammoniac
10 : unité de dosage
12 : premier échangeur de chaleur
14 : module de craquage d’ammoniac
16 : second échangeur de chaleur
18 : canal d’alimentation
20 : valve d’alimentation
22 : chambre de combustion
24 : capteur de température
26 : organe de préchauffage
28 : canal de dérivation
30 : valve de dérivation
32 : unité de commande
34 : module de purification2; 2': power supply system
4: vehicle
5: battery
6: anode
7: cathode
6a: anode inlet
6b: anode output
8: ammonia tank
10: dosing unit
12: first heat exchanger
14: ammonia cracking module
16: second heat exchanger
18: supply channel
20: supply valve
22: combustion chamber
24: temperature sensor
26: preheating device
28: diversion channel
30: diverter valve
32: control unit
34: purification module
Claims (10)
- une pile à combustible (5) configurée pour être alimentée en dihydrogène,
- un réservoir d’ammoniac (8),
- un module de craquage d’ammoniac (14) configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir (8) en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène, et
- une chambre de combustion (22) configurée pour chauffer le module de craquage (14),
caractérisé en ce qu’on alimente la chambre de combustion (22) avec le mélange gazeux sortant du module de craquage (14) ou avec un mélange gazeux sortant de la pile (5) afin de chauffer le module de craquage (14), et
on régule l’alimentation du module de craquage (14) d’ammoniac en fonction de la température du module de craquage (14).A method of thermal management in an electrical power system (2; 2') for a vehicle, the system comprising:
- a fuel cell (5) configured to be supplied with dihydrogen,
- an ammonia tank (8),
- an ammonia cracking module (14) configured to crack the ammonia coming from the tank (8) into a gaseous mixture comprising dihydrogen, and
- a combustion chamber (22) configured to heat the cracking module (14),
characterized in that the combustion chamber (22) is fed with the gas mixture leaving the cracking module (14) or with a gas mixture leaving the stack (5) in order to heat the cracking module (14), and
the ammonia supply to the cracking module (14) is regulated as a function of the temperature of the cracking module (14).
- une pile à combustible (5) configurée pour être alimentée en dihydrogène,
- un réservoir d’ammoniac (8),
- un module de craquage d’ammoniac (14) configuré pour craquer l’ammoniac provenant du réservoir (8) en un mélange gazeux comprenant du dihydrogène,
- une chambre de combustion (22) configurée pour chauffer le module de craquage (14), et
- une unité de commande (32) configurée pour mettre en œuvre un procédé de gestion thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes.Electric power supply system for a vehicle (2; 2'), characterized in that it comprises:
- a fuel cell (5) configured to be supplied with dihydrogen,
- an ammonia tank (8),
- an ammonia cracking module (14) configured to crack the ammonia coming from the tank (8) into a gaseous mixture comprising dihydrogen,
- a combustion chamber (22) configured to heat the cracking module (14), and
- a control unit (32) configured to implement a thermal management method according to any one of the preceding claims.
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2021
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