FR3127641A1 - Système d’alimentation en hydrogène d’une pile à combustible - Google Patents

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Abstract

Titre de l’invention : Système d’alimentation en hydrogène d’une pile à combustible La présente invention concerne un système d’alimentation en hydrogène (17) d’une pile à combustible (1) pour véhicule, comportant un évaporateur (4) équipé d’une alimentation en hydrogène sous forme liquide (61) et d’une évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse (62), cet évaporateur (4) comprenant une enceinte au sein de laquelle est disposé un matériau poreux, l’enceinte étant traversée par un conduit de fluide caloporteur (45). Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

Système d’alimentation en hydrogène d’une pile à combustible
La présente invention concerne le domaine des véhicules électriques, et plus particulièrement les systèmes d’alimentation en énergie de ces véhicules électriques.
On entend dans la présente demande par « véhicules électriques » à la fois les véhicules purement électriques, pour lesquels la seule source d’alimentation est une source d’énergie électrique, et les véhicules hybrides, qui associent à cette source d’énergie électrique une source d’énergie thermique. A ce jour, ces véhicules électriques présentent, par rapport aux véhicules thermiques conventionnels, une autonomie réduite qui peut être préjudiciable aux utilisateurs de véhicules électriques, notamment lorsque ceux-ci souhaitent effectuer de longs trajets.
L’autonomie peut être améliorée en augmentant la capacité des batteries qui alimentent les véhicules ou leur quantité, mais de telles augmentations présentent un coût élevé et peuvent par ailleurs poser des problèmes d’encombrement.
Une autre solution pour augmenter l’autonomie est d’alimenter la batterie, en plus d’une source d’énergie externe, par une source d’énergie interne au véhicule, comme par exemple une pile à combustible qui peut alors être utilisée comme prolongateur d’autonomie. La pile à combustible est électriquement montée en parallèle de la batterie. Le moteur électrique est alimenté en premier lieu par la batterie et, le cas échéant, par la pile à combustible lorsque la charge de la batterie principale est insuffisante pour continuer à le faire, afin de produire de l'électricité et d'étendre le rayon d'action lorsque la batterie est totalement déchargée. Dans ce cas, un système utilisant la pile à combustible est mis en œuvre et génère la puissance électrique nécessaire à l’avancement du véhicule et donc à son déplacement, permettant ainsi aux utilisateurs d’effectuer des trajets de longue distance.
Le système faisant intervenir la pile à combustible est notamment alimenté par de l’hydrogène, cet hydrogène pouvant être stocké sous forme liquide ou sous forme gazeuse. Lorsque le stockage d’hydrogène fait intervenir sa forme liquide, cet hydrogène est alors à très basse température, généralement à -253 °C, tandis que lorsqu’il fait intervenir sa forme gazeuse l’hydrogène est sous forte pression.
Il existe dans l’art antérieur des systèmes d’alimentation en hydrogène pour lesquels un échangeur est placé en sortie de ce stockage d’hydrogène, permettant ainsi de réchauffer l’hydrogène soit, s’il est stocké sous forme liquide, afin qu’il s’évapore et atteigne une température proche de la température nécessaire pour faire fonctionner la pile à combustible, généralement entre 0 et 70 °C, soit, s’il est stocké sous forme gazeuse, afin qu’il atteigne une pression compatible avec le fonctionnement de la pile à combustible. On comprend ainsi que lorsque l’hydrogène est sous forme liquide, il est nécessaire de mettre en œuvre un processus d’évaporation, la pile à combustible fonctionnant avec de l’hydrogène sous forme gazeuse. L’hydrogène sous forme liquide, bien qu’il permette d’obvier à des contraintes d’encombrement, consomme cependant beaucoup d’énergie, notamment lors de l’étape de liquéfaction qui précède son stockage et qui vise à faire passer l’hydrogène gazeux aux pression et température ambiantes à de l’hydrogène liquide à -253 °C.
La présente invention vise à pallier cet inconvénient en proposant un processus autorégulé d’évaporation de l’hydrogène liquide, qui permet de récupérer une partie d’énergie survenue lors de l’étape de liquéfaction, augmentant ainsi le rendement global du système de pile à combustible.
La présente invention a ainsi pour principal objet un système d’alimentation en hydrogène d’une pile à combustible pour véhicule, comportant un évaporateur équipé d’une alimentation en hydrogène sous forme liquide et d’une évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse, cet évaporateur comprenant une enceinte au sein de laquelle est disposé un matériau poreux, l’enceinte étant traversée par un conduit de fluide caloporteur.
Ce système permet de fournir de l’énergie au véhicule électrique, cette énergie étant fournie par la pile à combustible grâce à l’hydrogène. L’hydrogène subit à cet effet une évaporation, qui permet de le faire passer de sa forme liquide à sa forme gazeuse, dans laquelle il peut alimenter la pile à combustible. Une telle évaporation s’opère au sein de l’évaporateur, qui comprend une alimentation par laquelle l’hydrogène sous forme liquide est acheminé depuis un réservoir dans lequel il est stocké, et une évacuation par laquelle l’hydrogène sous forme gazeuse quitte l’évaporateur, en direction de la pile à combustible.
Tel qu’évoqué, selon l’invention, l’évaporateur comprend une enceinte, qui délimite un réceptacle au sein de l’évaporateur, comportant un matériau poreux disposé entre l’alimentation et l’évacuation de l’hydrogène. L’hydrogène traverse l’enceinte en circulant dans le matériau poreux selon un phénomène de capillarité. L’enceinte est en outre traversé par un conduit, ce conduit participant à la circulation d’un fluide caloporteur dans l’évaporateur.
Le fluide caloporteur a notamment pour effet de réchauffer l’hydrogène, qui de ce fait s’évapore. Selon l’invention, on a donc dans l’enceinte de l’hydrogène liquide inchangé par rapport à l’état dans lequel il a été injecté dans l’enceinte et de l’hydrogène gazeux, réchauffé par le fluide caloporteur.
Le réceptacle délimité par l’enceinte peut être scindé en deux portions, qui se distinguent par l’état liquide ou gazeux de l’hydrogène traversant le matériau poreux par capillarité. La première portion est au voisinage de l’alimentation en hydrogène sous forme liquide, et la deuxième portion est au voisinage de l’évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse et du conduit de fluide caloporteur. La première portion correspond ainsi à la portion du matériau poreux où circule de l’hydrogène sous forme liquide, tandis que la deuxième portion correspond à la portion du matériau poreux où circule de l’hydrogène sous forme gazeuse. Ces deux portions ne sont pas délimitées par une séparation physique au sein du réceptacle. On comprend que le volume de chaque portion peut être variable, en fonction de la température du fluide caloporteur et donc en fonction du volume d’hydrogène sous forme liquide et du volume d’hydrogène sous forme gazeuse qui circulent dans l’évaporateur.
Selon une caractéristique de l’invention, l’enceinte comprend deux parois frontales sur lesquelles est raccordé le conduit de fluide caloporteur, ainsi qu’une paroi latérale périphérique reliant les parois frontales et sur laquelle sont raccordées l’alimentation en hydrogène sous forme liquide et l’évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse.
On comprend que le réceptacle du matériau poreux est délimité par l’enceinte, qui comprend deux parois frontales et une paroi latérale périphérique. Ces deux parois frontales sont opposées l’une à l’autre, et sont toutes deux traversées par le conduit de fluide caloporteur. Ce conduit de fluide caloporteur traverse ainsi le réceptacle de l’évaporateur. La paroi latérale périphérique est disposée entre les deux parois latérales et les relie. Une telle paroi latérale périphérique peut notamment s’entendre d’une face latérale ou surface cylindrique si le réceptacle a la forme d’un cylindre de révolution, ou encore de la continuité de quatre parois planes contigües si le réceptacle prend la forme d’un pavé droit. La paroi latérale périphérique porte à la fois l’alimentation en hydrogène sous forme liquide et l’évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse. L’hydrogène peut donc être acheminé jusqu’à l’évaporateur en traversant la paroi latérale périphérique, puis il circule au sein de cet évaporateur et le quitte en traversant de nouveau la paroi latérale périphérique.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le conduit de fluide caloporteur comprend un élément électrique de chauffage.
Cet élément électrique de chauffage peut par exemple être un élément résistif tel qu’une résistance électrique, ou encore une gaine chauffante. Cet élément électrique de chauffage est apte à chauffer le fluide caloporteur, participant ainsi à l’évaporation de l’hydrogène qui passe de sa forme liquide à sa forme gazeuse. Notamment, l’élément électrique de chauffage peut être utile pour éviter que le fluide caloporteur soit, au démarrage du véhicule, congelé par la température très basse de l’hydrogène liquide. L’élément électrique de chauffage peut également réchauffer l’hydrogène directement, en appoint de l’action du fluide caloporteur.
Selon une caractéristique de l’invention, le conduit de fluide caloporteur est décentré par rapport à un axe médian de l’enceinte traversant les parois frontales, une distance la plus courte mesurée entre le conduit de fluide caloporteur et l’évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse étant inférieure à une distance la plus courte mesurée entre le conduit de fluide caloporteur et l’alimentation en hydrogène sous forme liquide.
Un tel axe médian peut par exemple correspondre à un axe de révolution si le réceptacle de l’évaporateur, délimité par l’enceinte, est un cylindre de révolution. On comprend par « décentré » que le conduit de fluide caloporteur n’est pas disposé à équidistance entre l’alimentation en hydrogène sous forme liquide et l’évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse, mais plutôt à proximité de cette évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse. Cela permet de s’assurer que l’hydrogène à proximité de l’évacuation est bien sous forme gazeuse et que l’hydrogène qui va être dirigé vers la pile à combustible est bien gazeux.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le système d’alimentation comprend une turbine, cette turbine étant disposée entre le conduit d’évacuation en hydrogène sous forme gazeuse et la pile à combustible.
Au sein de la turbine, l’hydrogène sous forme gazeuse se détend et sa pression diminue. L’énergie mécanique de pression récupérée par la turbine peut alors notamment être utilisée pour faire fonctionner un générateur électrique qui fournit l’énergie électrique pour le véhicule, contribuant ainsi à l’augmentation du rendement du système de pile à combustible.
Selon une caractéristique de l’invention, le système d’alimentation comprend au moins une vanne apte à réguler une pression au sein du système d’alimentation et étant disposée entre l’évaporateur et la turbine.
Cette vanne constitue un moyen de contrôle de la pression. Elle peut être pilotée, de façon que l’évaporation se poursuit tant que la pression est inférieure à une valeur seuil. Une telle vanne peut par exemple s’apparenter à un système de clapet.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le système d’alimentation comprend une première vanne apte à réguler la pression dans l’évaporateur. La première vanne est notamment disposée entre l’évaporateur et un réservoir tampon de l’hydrogène en l’état gazeux. Selon la demande en quantité d’hydrogène par la pile à combustible, la première vanne est pilotée en ouverture afin de réguler la pression et le débit d’hydrogène dans un réservoir distinct du réservoir d’hydrogène liquide, notamment qualifié de réservoir tampon.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le système d’alimentation comprend une deuxième vanne disposée entre le réservoir tampon et la turbine. La deuxième vanne est configurée pour réguler la pression et le débit de l’hydrogène à l’état gazeux avant l’entrée de la turbine, où le gaz subit une détente du fait de son passage au travers de la turbine, avant d’alimenter la pile à combustible. Une telle architecture permet avantageusement de maintenir constante la pression au niveau de la pile, préférentiellement de l’ordre de 2 bars absolue.
Selon une caractéristique additionnelle de l’invention, le système d’alimentation comprend un organe de contrôle, par exemple de type vanne, disposé entre le réservoir d’hydrogène liquide et l’évaporateur. L’organe de contrôle sert notamment à isoler le réservoir d’hydrogène liquide du système d’alimentation en hydrogène de la pile à combustible lorsque le véhicule est en stationnement, avant son démarrage.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le conduit de fluide caloporteur fait partie d’un système de régulation thermique comprenant un organe de régulation, cet organe de régulation étant destiné à orienter le passage du fluide caloporteur entre un échangeur de chaleur et une dérivation.
Ce système de régulation thermique permet d’une part de réguler la température du fluide caloporteur, et d’autre part de réguler la température de la pile à combustible. À cet effet le système de régulation thermique comprend l’organe de régulation, par exemple un thermostat, en fonction duquel le fluide caloporteur sera orienté soit vers l’échangeur de chaleur, soit vers une dérivation évitant le passage du fluide caloporteur à travers cet échangeur de chaleur qui peut notamment être un radiateur. On comprend ainsi que l’organe de régulation permet de bypasser, c’est-à-dire de contourner l’échangeur de chaleur, le fluide caloporteur n’échangeant pas de calories au sein de cet échangeur de chaleur et pouvant améliorer l’efficacité de l’évaporation d’hydrogène dans l’enceinte.
Selon une caractéristique de l’invention, le système de régulation thermique comprend une première branche apte à réguler la température de la pile à combustible.
Cette première branche participe à l’augmentation de la température du fluide caloporteur jusqu’à une température optimale pour le fonctionnement de la pile à combustible, qui est proche de 50 à 70 °C.
Lorsque la température de la pile à combustible est inférieure à la température optimale de fonctionnement de la pile, l’organe de régulation laisse fermer le passage du fluide caloporteur au travers de l’échangeur de chaleur, à savoir ici un radiateur de refroidissement. En contournant ainsi le radiateur de refroidissement, le fluide caloporteur circulant dans la première branche n’est pas refroidi, provoquant avantageusement une montée en température de la pile à combustible.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le système de régulation thermique comprend une deuxième branche apte à réguler la température au sein de l’évaporateur.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le système de régulation thermique comprend une vanne réglable, notamment de type vanne à trois voies, interposée entre la première branche et la deuxième branche et qui est configurée pour réguler le débit de fluide caloporteur au sein de la deuxième branche.
La chaleur nécessaire à faire évaporer l’hydrogène liquide dépend de la consommation de l’hydrogène, et de la température du fluide caloporteur circulant dans la deuxième branche, notamment à travers l’évaporateur. La vanne réglable située à la jonction de la première branche et de la deuxième branche est apte à réguler le débit du fluide caloporteur afin d’amener la température de l’hydrogène en l’état gazeux à la sortie de l’évaporateur sensiblement à la température de la pile à combustible.
L’invention concerne également un procédé d’alimentation en hydrogène d’une pile à combustible, comprenant une étape d’acheminement de l’hydrogène à l’évaporateur, une étape d’évaporation et de montée en pression de l’hydrogène et une étape de transmission de l’hydrogène à la pile à combustible.
L’étape d’acheminement de l’hydrogène correspond au déplacement de l’hydrogène depuis le réservoir dans lequel il est stocké sous forme liquide jusqu’au sein de l’évaporateur. L’étape d’évaporation de l’hydrogène intervient au sein de cet évaporateur, où il passe d’un état liquide à un état gazeux, ce qui engendre une augmentation de sa pression. Cette étape d’évaporation nécessite le réchauffement de l’hydrogène, qui est notamment réalisé par le biais du fluide caloporteur. L’étape de transmission de l’hydrogène à la pile à combustible correspond à l’acheminement de l’hydrogène sous forme gazeuse depuis l’évaporateur jusqu’à la pile à combustible. Il traverse à cet effet la turbine, qui permet la récupération d’énergie mécanique de pression.
Selon une caractéristique de l’invention, le procédé d’alimentation comprend une sous-étape de contrôle de pression, cette sous-étape de contrôle étant au moins en partie assurée par l’au moins une vanne.
Cette sous-étape de contrôle de pression intervient lors de l’étape de transmission de l’hydrogène sous forme gazeuse à la pile à combustible. L’ouverture de la vanne permet de libérer l’hydrogène gazeux lorsqu’il est à une pression convenable pour l’alimentation de la pile à combustible, et la fermeture de cette vanne permet de faire monter la pression de l’hydrogène gazeux au sein de l’enceinte avant de permettre son évacuation vers la pile à combustible.
L’invention concerne enfin un véhicule électrique étant équipé d’un système d’alimentation tel que décrit précédemment, et/ou étant alimenté en hydrogène selon le procédé d’alimentation tel que décrit précédemment.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’une part, et d’exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins annexés d’autre part, sur lesquels :
illustre, schématiquement, un système de pile à combustible, comprenant un système d’alimentation de cette pile à combustible en hydrogène selon l’invention ;
représente une vue de coupe d’un réceptacle au sein duquel circulent un fluide caloporteur et de l’hydrogène ;
est une représentation schématique du réceptacle de la selon une vue de dessus, présentant la répartition entre hydrogène sous forme liquide et hydrogène sous forme gazeuse ;
est une autre représentation schématique du réceptacle de la selon une vue de dessus, la répartition entre hydrogène sous forme liquide et hydrogène sous forme gazeuse étant différente de celle de la ;
illustre, schématiquement, une variante du système de pile à combustible de la , comprenant un système d’alimentation de cette pile à combustible en hydrogène selon l’invention.
Les caractéristiques, variantes et les différentes formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes par rapport aux autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolée des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique et/ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
Dans la description détaillée qui va suivre, le terme « fluide caloporteur » peut se rapporter à tout fluide ou liquide caloporteur, dès lors que ce fluide ou liquide a pour effet de refroidir ou de chauffer un système de pile à combustible.
La illustre ainsi, schématiquement, un système 16 de pile à combustible 1 comprenant un système d’alimentation en hydrogène 17 de cette pile à combustible 1 selon l’invention.
La pile à combustible 1 permet d’alimenter un véhicule électrique en énergie électrique lorsqu’une batterie de ce véhicule est déchargée. La pile à combustible 1 fonctionne grâce à de l’hydrogène sous forme gazeuse, qui est selon l’invention obtenu à partir d’un hydrogène stocké sous forme liquide, pour des raisons d’encombrement notamment. L’hydrogène sous forme liquide est ici stocké dans le réservoir de stockage 2, qui est un réservoir adiabatique où l’hydrogène est à une température inférieure ou égale à -253°C, une telle température correspondant au point de condensation de l’hydrogène à pression atmosphérique, soit une température à laquelle il est sous forme liquide.
Le procédé d’alimentation de la pile à combustible 1 en hydrogène comprend une étape d’acheminement de cet hydrogène, au cours de laquelle l’hydrogène sous forme liquide est acheminé depuis son réservoir de stockage 2 jusqu’à un évaporateur 4. Il traverse à cet effet un organe de contrôle 6, par exemple de type vanne, qui permet de réguler le flux d’hydrogène. L’hydrogène sous forme liquide pénètre dans l’évaporateur 4 par un tube 610, qui correspond à une alimentation en hydrogène sous forme liquide 61.
Le procédé d’alimentation de la pile à combustible 1 se poursuit par une étape d’évaporation, durant laquelle l’hydrogène sous forme liquide est transformé en hydrogène sous forme gazeuse sous l’effet d’un phénomène d’évaporation, qui résulte d’une augmentation de sa température et entraîne une augmentation de la pression. Les moyens mis en œuvre pour réaliser cette étape d’évaporation seront plus particulièrement décrits ci-après. L’hydrogène quitte ensuite l’évaporateur 4 par le biais d’un canal 620, qui correspond à une évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse 62.
Le procédé d’alimentation de la pile à combustible 1 comprend enfin une étape d’alimentation de cette pile à combustible 1. À cet effet, en sortie de l’évaporateur 4 l’hydrogène traverse une première vanne 5a, qui constitue un moyen de contrôle de pression. La première vanne 5a peut être pilotée et configurée pour ne s’ouvrir que lorsque la pression de l’hydrogène gazeux atteint une valeur seuil, qui est ici inférieure à un point critique de 13 bars, par exemple une valeur comprise entre 10 et 12 bars. En dessous de cette valeur seuil, la première vanne 5a reste fermée et ainsi le phénomène d’évaporation se poursuit au sein de l’évaporateur 4, jusqu’à ce que l’hydrogène ait atteint la pression requise. On comprend donc que la première vanne 5a intervient dans une sous-étape du procédé d’alimentation de la pile à combustible 1 en hydrogène, à savoir une sous-étape de contrôle de pression. Pour assurer une alimentation précise à une pression prédéterminée de l’hydrogène dans la pile à combustible 1, le système d’alimentation en hydrogène 17 de la pile à combustible 1 peut également comprendre un réservoir tampon 7, qui participe également à la sous-étape de contrôle de la pression. Le réservoir tampon 7 est ainsi disposé en aval de cette première vanne 5a selon le sens d’écoulement de l’hydrogène vers la pile à combustible 1. Lorsque l’hydrogène est à la pression requise, la première vanne 5a s’ouvre et l’hydrogène entre dans ce réservoir tampon 7.
Une deuxième vanne 5b, disposée en aval du réservoir tampon 7 selon le sens d’écoulement de l’hydrogène vers la pile à combustible 1, permet un contrôle de la pression en amont de la turbine et du débit d’hydrogène en l’état gazeux dans la turbine. Cette turbine 3 est disposée entre le canal 620 d’évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse 62 et la pile à combustible 1, et plus précisément entre la deuxième vanne 5b et la pile à combustible 1. La turbine a pour rôle de détendre l’hydrogène qui est sous forme gazeuse. Par conséquent, sa pression diminue, de façon à atteindre une pression optimale pour le fonctionnement de la pile à combustible 1. L’énergie mécanique dégagée par une telle diminution de pression est récupérée par la turbine 3. Cette énergie mécanique peut être employée de différentes façons. L’énergie mécanique peut ainsi servir au fonctionnement d’un compresseur d’air 10, capable de récupérer de l’air ambiant afin d’alimenter la pile à combustible 1 en oxygène. Alternativement, si l’énergie mécanique générée est supérieure à l’énergie mécanique nécessaire au fonctionnement du compresseur d’air 10, elle peut être utilisée pour faire fonctionner un générateur électrique 20 qui fournit l’énergie électrique au véhicule. Après son passage dans la turbine 3 et sa détente, l’hydrogène sous forme gazeuse peut être acheminé jusqu’à la pile à combustible 1 par une conduite 21 pour y produire de l’énergie électrique.
L’évaporateur 4 est représenté schématiquement sur les figures 2 à 4. La est une représentation d’une coupe de cet évaporateur 4 selon une vue de face, tandis que les figures 3 et 4 sont des vues de dessus qui représentent des répartitions différentes entre hydrogène sous forme liquide et hydrogène sous forme gazeuse.
L’évaporateur 4 comprend un réceptacle 40 délimité par une enceinte 41. Cette enceinte 41 se compose de deux parois frontales 46 et d’une paroi latérale périphérique 47, qui est disposée entre les parois frontales 46 et les relie. Ces parois frontales 46 sont ici parallèles et opposées l’une à l’autre. Si l’évaporateur 4 présente une forme cylindrique, comme c’est le cas sur les figures 3 et 4, la paroi latérale périphérique 47 s’entend d’une face latérale ou surface cylindrique de cette forme cylindrique. On peut également envisager que l’évaporateur 4 prenne la forme d’un pavé droit, auquel cas la paroi latérale périphérique 47 correspondrait à la continuité de quatre parois latérales contigües de ce pavé droit.
L’évaporateur 4 est équipé d’une alimentation en hydrogène sous forme liquide 61 et d’une évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse 62. Cette alimentation en hydrogène sous forme liquide 61 et cette évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse 62 sont raccordées sur la paroi latérale périphérique 47, par le biais respectivement d’un tube 610 et d’un canal 620. L’hydrogène sous forme liquide est ainsi acheminé jusqu’à l’évaporateur 4 par le tube 610 d’alimentation en hydrogène sous forme liquide, et il quitte cet évaporateur 4 sous forme gazeuse par le canal 620 d’évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse.
Selon l’invention, le réceptacle 40 de l’évaporateur 4 et son enceinte 41 sont traversés de part en part par un conduit de fluide caloporteur 45, au sein duquel ce fluide caloporteur circule. Ce conduit de fluide caloporteur 45 est raccordé sur chacune des parois frontales 46, et s’étend au sein de l’enceinte 41 selon la direction d’un axe médian M. Cet axe médian M peut par exemple correspondre, si le réceptacle 40 a une forme de cylindre, à l’axe de révolution de ce cylindre.
Le conduit de fluide caloporteur 45 est associé à un élément résistif de chauffage 44, qui dans l’exemple illustré, consiste en un fil résistif logé au sein du conduit de fluide refroidissement. Cet élément résistif de chauffage 44 participe, en association avec le fluide caloporteur, à réchauffer l’hydrogène afin de l’évaporer et ainsi de le faire passer de sa forme liquide à sa forme gazeuse, dans laquelle il est apte à alimenter la pile à combustible 1.
Au sein de l’enceinte 41 est disposé un matériau poreux, qui est donc également traversé par le conduit de fluide caloporteur 45. La configuration de ce matériau poreux permet d’augmenter les surfaces d’échange au sein de l’évaporateur 4. Ce matériau poreux est apte à être traversé par l’hydrogène selon un phénomène de capillarité. L’hydrogène arrive en effet dans l’évaporateur 4 par le tube 610 d’alimentation en hydrogène sous forme liquide, et cet hydrogène liquide est aspiré par capillarité au sein de l’évaporateur 4. La capillarité est possible du fait de la coexistence d’hydrogène sous forme liquide et sous forme gazeuse. Lorsqu’il n’y a plus soit d’hydrogène sous forme liquide, soit d’hydrogène sous forme gazeuse, le phénomène de capillarité ne plus intervenir et l’arrivée d’hydrogène liquide au sein de l’évaporateur 4 est donc empêchée. Le système d’alimentation en hydrogène 17 est donc auto-régulé lors de l’étape d’acheminement de cet hydrogène vers l’évaporateur 4.
Au sein du matériau poreux, il est possible de délimiter deux portions, à savoir une première portion 42 correspondant à la portion du matériau poreux où l’hydrogène circule sous sa forme liquide, et une deuxième portion 43 correspondant à la portion du matériau poreux où l’hydrogène circule sous sa forme gazeuse. Tel que cela est visible sur les figures, il n’existe pas de séparation physique entre la première portion 42 et la deuxième portion 43, les traits pointillés étant représentés ici pour illustrer cette séparation abstraite. Les volumes des deux portions sont variables, et dépendent respectivement de la proportion en hydrogène liquide et en hydrogène gazeux dans le réceptacle 40 de l’évaporateur 4. Les figures 3 et 4 illustrent ces différences de proportion, la deuxième portion 43 correspondant à l’hydrogène gazeux étant plus importante sur la que sur la .
Cette proportion en hydrogène liquide et en hydrogène gazeux est influencée par l’action du fluide caloporteur, qui circule au sein du conduit de fluide caloporteur 45, et de l’élément résistif de chauffage 44 qui est également disposé dans le conduit de fluide caloporteur 45. En effet, le fluide caloporteur et l’élément résistif de chauffage 44 réchauffant l’hydrogène, ils influent sur la proportion d’hydrogène liquide et d’hydrogène gazeux puisqu’un tel réchauffement résulte en l’évaporation de cet hydrogène. Par conséquent, la délimitation entre la première portion 42 et la deuxième portion 43 est évolutive en fonction du différentiel de température entre le fluide caloporteur et l’hydrogène liquide.
L’élément résistif de chauffage 44 est apte à réchauffer l’hydrogène de différentes façons. Il peut ainsi le réchauffer de façon indirecte, en réchauffant le fluide caloporteur qui à son tour réchauffe l’hydrogène, ou de façon directe, puisqu’il réchauffe le matériau poreux où circule l’hydrogène qui se trouve à son voisinage.
L’élément résistif de chauffage a notamment pour fonction de réchauffer le fluide caloporteur au sein du conduit, notamment au démarrage du véhicule, afin de s’assurer que le fluide caloporteur, qui est au voisinage de l’hydrogène sous forme liquide à -253°C, ne gèle pas. L’élément résistif de chauffage 44 est de ce fait tout particulièrement utilisé lors de la mise en œuvre du système 16 de pile à combustible 1. Le fluide caloporteur peut ainsi se liquéfier, passant de l’état solide dans lequel il est gelé lors de l’arrêt du véhicule à l’état liquide dans lequel il peut circuler. L’élément résistif de chauffage peut néanmoins être utilisé lorsque le fluide caloporteur est liquéfié, accélérant ainsi l’évaporation de l’hydrogène.
On comprend que puisque le conduit de fluide caloporteur 45 est l’élément de l’évaporateur 4 à partir duquel la chaleur diffuse dans cet évaporateur 4, plus on s’éloigne du conduit de fluide caloporteur 45 et plus la proportion en hydrogène liquide augmente. Il en résulte que la première portion 42 dans laquelle circule l’hydrogène sous forme liquide est plus éloignée de ce conduit de fluide caloporteur 45 que la deuxième portion 43 dans laquelle circule l’hydrogène sous forme gazeuse. Ce phénomène est illustré aux figures 3 et 4, dans lesquelles le conduit de fluide caloporteur 45, la première portion 42 et la deuxième portion 43 sont représentées sous forme de disques concentriques au sein de l’enceinte 41 de l’évaporateur 4.
Ces figures 3 et 4 illustrent également le fait que le conduit de fluide caloporteur 45 est décentré par rapport à l’axe médian M traversant les parois frontales 46, ces parois frontales étant visibles en . Ainsi, une distance la plus courte D1 mesurée entre le conduit de fluide caloporteur 45 et l’évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse 62 est inférieure à une distance la plus courte D2 mesurée entre le conduit de fluide caloporteur 45 et l’alimentation en hydrogène sous forme liquide 61. Cette différence entre la distance de l’évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse 62 au conduit de fluide caloporteur 45 et la distance de l’alimentation en hydrogène sous forme liquide 61 au conduit de fluide caloporteur 45 permet de s’assurer que l’hydrogène sortant par l’évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse 62 est bien gazeux. L’hydrogène sous forme gazeuse est en effet formé plus rapidement au voisinage de la paroi latérale périphérique 47 porteuse de l’évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse 62, et donc de proche en proche l’hydrogène liquide arrivant à proximité de cette paroi latérale périphérique 47 porteuse de l’évacuation d'hydrogène sous forme gazeuse 62 est vaporisé.
Le système d’alimentation en hydrogène 17 de la pile à combustible 1 est ainsi formé, notamment, de l’évaporateur 4, de la turbine 3 et de la pile à combustible 1. Le système 16 de pile à combustible 1 comprend, en parallèle de ce système d’alimentation en hydrogène 17, un système de régulation thermique 18 visible sur la . Ce système de régulation thermique 18 permet de réguler la température à la fois au sein de l’évaporateur 4, en amenant le fluide caloporteur à une température appropriée, et de la pile à combustible 1.
Un premier exemple de réalisation, simplifié, du système de régulation thermique 18 est illustré sur la .
La régulation de la température de fluide caloporteur est nécessaire, notamment pour participer à éviter le gel du fluide caloporteur au sein du conduit de fluide caloporteur 45 tel qu’expliqué précédemment. Le conduit de fluide caloporteur 45 est ainsi intégré dans le système de régulation thermique 18, qui fait par ailleurs intervenir un organe de régulation 34. Cet organe de régulation 34, par exemple un thermostat, a pour fonction d’orienter le fluide caloporteur selon deux voies différentes selon que sa température est suffisante ou non.
Si la température du fluide caloporteur est trop élevée, c’est-à-dire au-delà de la température optimale de fonctionnement de la pile à combustible 1, celui-ci est orienté par l’organe de régulation 34 vers un échangeur de chaleur 30, qui peut notamment être un radiateur. Lorsque le fluide caloporteur passe dans l’échangeur de chaleur 30 il cède des calories, qui peuvent par exemple être utilisées pour participer au chauffage de l’habitacle du véhicule. Le fluide caloporteur perdant des calories, il est refroidi. À l’inverse, lorsque la température du fluide caloporteur n’est pas suffisamment importante pour lui permettre de céder des calories tout en assurant la fonction de vaporisation d’hydrogène, l’organe de régulation 34 oriente le fluide caloporteur vers une dérivation ou bypass 35. Cette dérivation 35 permet au fluide caloporteur de contourner l’échangeur de chaleur 30.
Le système de régulation thermique 18 permet, par le biais de l’organe de régulation 34, de réguler à la fois la température du fluide caloporteur qui passe dans la pile à combustible 1 et celle du fluide caloporteur qui traverse l’évaporateur 4. Cela s’explique du fait de la configuration de ce système de régulation thermique 18, qui comprend plusieurs branches. Une première branche 36 est dédiée à la régulation de la température de la pile à combustible 1. Le fluide caloporteur circulant dans cette première branche 36 peut ainsi réguler la température de la pile à combustible 1, et notamment la réchauffer afin qu’elle atteigne sa température optimale, à savoir entre 50 et 70 °C environ. Une deuxième branche 38 participe à la régulation de la température au sein de l’évaporateur 4. Le fluide caloporteur circulant dans cette deuxième branche 38 est réchauffé par la pile à combustible de façon à pouvoir à son tour réchauffer l’hydrogène présent au sein de l’évaporateur 4, et donc de façon à pouvoir l’évaporer.
On va maintenant décrire une variante du système de pile à combustible en référence à la , qui comporte comme précédemment, un évaporateur comprenant une enceinte au sein de laquelle est disposé un matériau poreux, l’enceinte étant traversée par un conduit de fluide caloporteur, et qui diffère notamment dans la conception du système de régulation thermique et le nombre et l’agencement des branches qui le constituent. Il convient de noter qu’une sélection des modifications présentes sur le système de pile à combustible de la variante illustrée sur la et qui vont être décrites ci-après pourraient être mise en œuvre sans que l’on sorte pour autant de l’invention.
Plus particulièrement, dans cette variante, la deuxième branche 38 est reliée à l’une de ses extrémités à la première branche par l’intermédiaire d’une vanne réglable 50, par exemple de type vanne à trois voies. Comme précédemment, l’organe de régulation 34, par exemple un thermostat, permet de réguler à la fois la température du fluide caloporteur qui passe dans la pile à combustible 1 et celle du fluide caloporteur qui traverse l’évaporateur 4, tandis que la vanne réglable 50 permet de réguler le débit du caloporteur qui traverse l’évaporateur 4, en permettant de dériver une partie du débit, c’est-à-dire de 0 à 100% du débit, venant principalement de la pile à combustible 1, par la branche 38 raccordée à la vanne réglable 50, en direction de l’évaporateur 4.
Selon la puissance à fournir par la pile à combustible 1, la quantité d’hydrogène varie, notamment augmente, de sorte que la vanne réglable 50 module la section d’ouverture de sa sortie en connexion fluidique avec la branche de dérivation traversant l’évaporateur, ce qui tend à augmenter le débit du fluide caloporteur dans l’évaporateur. En augmentant le débit du fluide caloporteur, l’échange thermique opéré au sein de l’évaporateur tend à augmenter la quantité d’hydrogène à l’état gazeux en sortie de l’évaporateur 4.
Le système de pile à combustible dans cette variante diffère aussi de ce qui précède en ce qu’il comporte une troisième branche 37 sur laquelle est disposé un refroidisseur 12 d’air comprimé circulant dans le circuit d’alimentation en air de la pile à combustible 1. Le refroidisseur 12 permet de refroidir l’air comprimé pour augmenter la performance de la pile à combustible afin qu’elle délivre une puissance électrique augmentée sans incidence quant à sa taille.
Le système de pile à combustible dans cette variante diffère aussi dans la présence d’une branche additionnelle dans laquelle est disposé un vase d’expansion 33 du circuit d’eau, qui peut notamment former un branche de contournement du radiateur 30. Le débit de fluide caloporteur circulant dans le vase d’expansion 33 est inférieur à celui du fluide circulant dans la deuxième branche 38. Cette branche additionnelle, ou branche de contournement, permet de limiter la montée en pression du circuit lorsque le liquide de refroidissement se dilate avec la température. Le vase d’expansion permet le remplissage du circuit en fluide caloporteur. Il permet également d’opérer le dégazage du circuit, notamment après une vidange.
Par ailleurs, un système de pile à combustible selon l’invention peut comporter, tel qu’illustré sur la , au moins l’un de ces éléments additionnels parmi lesquels un filtre 11, un échangeur d’humidité 13 ou un circuit de recyclage de l’hydrogène.
Le filtre 11 est disposé en amont du compresseur 10 du circuit d’alimentation en air pour éliminer les particules indésirables pour le fonctionnement optimal de la pile à combustible.
L’échangeur d’humidité 13 air/air est destiné à transmettre l’humidité de l’air sortant de la pile à combustible à l’air entrant dans la pile à combustible. La réaction électrochimique de l’hydrogène avec l’oxygène produisant de l’eau, l’air sortant de la pile est ainsi appauvri en oxygène mais chargé en humidité. L’échangeur 13 permet un transfert de l’humidité de l’air sortant à l’air entrant, ce qui tend à améliorer le fonctionnement de la pile.
Le circuit de recyclage de l’hydrogène sortant de la pile comporte une branche de retour dans laquelle est disposée un dispositif 8 d’aspiration de l’hydrogène qui peut être une tuyère ou une pompe. L’hydrogène circulant au travers de la pile à combustible 1 n’étant généralement pas consommée intégralement, le circuit de recyclage vise à réintroduire en entrée de la pile à combustible l’hydrogène restant tel qu’il est présent en sortie.
La présente invention propose ainsi un système d’alimentation en hydrogène d’une pile à combustible faisant intervenir un processus d’évaporation autorégulé, qui permet de stocker de l’hydrogène sous forme liquide, et qui permet de compenser la consommation d’énergie survenue lors de l’étape de liquéfaction de l’hydrogène nécessaire à son stockage. Un tel système d’alimentation permet ainsi d’optimiser le rendement global du système de pile à combustible.
La présente invention ne saurait toutefois se limiter aux moyens et configurations décrits et illustrés ici et elle s’étend également à tout moyen et toute configuration équivalents ainsi qu’à toute combinaison techniquement opérante de tels moyens.

Claims (12)

  1. Système d’alimentation en hydrogène (17) d’une pile à combustible (1) pour véhicule, comportant un évaporateur (4) équipé d’une alimentation en hydrogène sous forme liquide (61) et d’une évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse (62), cet évaporateur (4) comprenant une enceinte (41) au sein de laquelle est disposé un matériau poreux, l’enceinte (41) étant traversée par un conduit de fluide caloporteur (45).
  2. Système d’alimentation (17) selon la revendication précédente, dans lequel l’enceinte (41) comprend deux parois frontales (46) sur lesquelles est raccordé le conduit de fluide caloporteur (45), ainsi qu’une paroi latérale périphérique (47) reliant les parois frontales (46) et sur laquelle sont raccordées l’alimentation en hydrogène sous forme liquide (61) et l’évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse (62).
  3. Système d’alimentation (17) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit de fluide caloporteur (45) comprend un élément électrique de chauffage (44).
  4. Système d’alimentation (17) selon l’une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 2, dans lequel le conduit de fluide caloporteur (45) est décentré par rapport à un axe médian (M) de l’enceinte traversant les parois frontales (46), une distance la plus courte (D1) mesurée entre le conduit de fluide caloporteur (45) et l’évacuation d’hydrogène sous forme gazeuse (62) étant inférieure à une distance la plus courte (D2) mesurée entre le conduit de fluide caloporteur (45) et l’alimentation en hydrogène sous forme liquide (61).
  5. Système d’alimentation (17) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une turbine (3), cette turbine (3) étant disposée entre le conduit d’évacuation en hydrogène sous forme gazeuse (62) et la pile à combustible (1).
  6. Système d’alimentation (17) selon la revendication précédente comprenant au moins une vanne (5, 5b) apte à réguler une pression au sein du système d’alimentation (17) et étant disposée entre l’évaporateur (4) et la turbine (3).
  7. Système d’alimentation (17) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit de fluide caloporteur (45) fait partie d’un système de régulation thermique (18) comprenant un organe de régulation (34), cet organe de régulation (34) étant destiné à orienter le passage du fluide caloporteur entre un échangeur de chaleur (30) et une dérivation (35).
  8. Système d’alimentation (17) selon la revendication précédente, dans lequel le système de régulation thermique (18) comprend une première branche (36) apte à réguler la température de la pile à combustible (1).
  9. Système d’alimentation (17) selon la revendication 8, dans lequel le système de régulation thermique (18) comprend une deuxième branche (38) apte à réguler la température au sein de l’évaporateur (4).
  10. Procédé d’alimentation en hydrogène d’une pile à combustible (1), comprenant une étape d’acheminement de l’hydrogène à l’évaporateur (4), une étape d’évaporation et de montée en pression de l’hydrogène et une étape de transmission de l’hydrogène à la pile à combustible (1).
  11. Procédé d’alimentation selon la revendication précédente en combinaison avec la revendication 6, comprenant une sous-étape de contrôle de pression, cette sous-étape de contrôle étant au moins en partie assurée par l’au moins une vanne (5, 5b).
  12. Véhicule électrique, étant équipé d’un système d’alimentation (17) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 et/ou étant alimenté en hydrogène selon un procédé d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 10 et 11.
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