FR3135571A1 - Système d’alimentation en hydrogène commun à un moteur à combustion interne à hydrogène et une pile à combustible adapté pour alimenter en continu la pile à combustible - Google Patents
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Abstract
Système d’alimentation (1) en hydrogène commun à un moteur à combustion interne (3) à hydrogène et à une pile à combustible (6) adapté pour alimenter en continu la pile à combustible (6), ledit système d’alimentation (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend une vanne trois voies (11): une première voie (12) provenant d’un stockage d’hydrogène (10), une deuxième voie (13) conduisant l’hydrogène vers le moteur à combustion interne (3) et une troisième voie (14) conduisant l’hydrogène vers la pile à combustible (6). Figure de l’abrégé : Figure 1
Description
L’invention se rapporte à un véhicule à moteur à combustion interne et à pile à combustible.
L’invention se rapporte notamment à un circuit d’alimentation en hydrogène commun au moteur à combustion interne et à la pile à combustible.
L’hydrogène est un gaz particulièrement employé comme vecteur d’énergie dans de nombreux dispositifs, en particulier pour le transport routier, ferroviaire ou aérien. Dans le cas des véhicules automobiles, l’hydrogène peut être utilisé pour la dépollution dans la ligne d’échappement mais également pour alimenter les moteurs à combustion interne, où il présente l’avantage de pouvoir générer de forte puissance avec un rendement important, ou encore pour la production d’électricité à partir de piles à combustible permettant d’obtenir des rendements important pour des faible puissance et de générer une puissance électrique sans aucune émission polluante réglementée.
Le véhicule peut ainsi être équipé d’une combinaison d’un moteur à combustion interne d’hydrogène et d’une pile à hydrogène, comme dans le cas de véhicules hybrides. Ces véhicules peuvent alors fonctionner à l’hydrogène qui serait stocké dans le véhicule sous la forme de bouteille sous pression par exemple.
La demande de brevet DE10201930 présente un véhicule hybride comprenant un moteur à combustion interne ainsi qu’un système de pile à combustible fonctionnant tous deux avec de l’hydrogène. La pile à combustible peut également servir à alimenter en énergie les composants électriques du moteur à combustion interne ou d’autres systèmes tels que la climatisation.
Dans cette demande, l’hydrogène est stocké sous forme liquide dans un réservoir et il est conduit dans le moteur à combustion interne par une conduite d’alimentation et dans le système de piles à combustible par une autre conduite.
Sous l’effet du circuit d’alimentation, l’hydrogène est ainsi acheminé soit au moteur à combustion soit au système de piles à combustible par des conduites différentes, ainsi l’utilisateur peut décider d’alimenter l’un des deux systèmes uniquement ou les deux en même temps.
Cependant, cette configuration soulève une problématique concernant la durabilité du système de pile à combustible puisque différents phénomènes peuvent conduire à limiter la durée de vie d’une pile. L’un de ces phénomènes est la corrosion du carbone, c’est-à-dire la dégradation du support catalytique présent dans les électrodes. Ce phénomène apparaît notamment lors des arrêts et démarrages prolongés de la pile. En effet, si l’arrêt de l’alimentation en hydrogène est suffisamment long, de l’air va se diffuser du côté anodique et lorsque la pile va démarrer, l’hydrogène injecté va conduire à la formation d’un front air/hydrogène conduisant à l’accélération de la corrosion du carbone présent dans les électrodes.
Ainsi, il existe un besoin d’un système d’alimentation d’un moteur à combustion interne et d’un système de piles à combustible permettant de limiter le phénomène de corrosion présent dans les électrodes catalytiques.
A cet effet, l’invention propose un système d’alimentation en hydrogène commun à un moteur à combustion interne à hydrogène et à une pile à combustible adapté pour alimenter en continu la pile à combustible. Le système d’alimentation comprend une vanne trois voies : une première voie provenant d’un stockage d’hydrogène, une deuxième voie conduisant l’hydrogène vers le moteur à combustion interne et une troisième voie conduisant l’hydrogène vers la pile à combustible.
Le système d’alimentation étant commun au moteur à combustion et à la pile, est ainsi adapté pour alimenter la pile en continue. En effet, l’utilisation de la vanne trois voies permet alors de diriger le flux d’hydrogène soit vers le moteur à combustion soit vers la pile. Ainsi, en laissant la troisième voie toujours ouverte, le flux d’hydrogène passera obligatoirement par la pile à combustible limitant alors le phénomène de corrosion des électrodes catalytiques.
En outre, si un problème survient sur le circuit alimentant la pile à combustible, la deuxième voie menant au moteur à combustion pourra être ouverte tandis que la troisième voie sera fermée le temps de corriger le problème. Ainsi, la vanne trois voies permet également de préserver un niveau de sécurité suffisant dans le circuit pour qu’en cas de problème sur le circuit, la production d’énergie peut continuer le temps d’être corrigé.
Avantageusement et de manière non limitative, l’hydrogène non consommé en sortie de la pile est dirigé vers la deuxième voie à travers une conduite.
Cette conduite a pour but de diriger l’hydrogène sortant de la pile vers le moteur à combustion interne à travers la deuxième voie. Ainsi, si la deuxième voie est fermée par la vanne trois voies, le moteur pourra toujours être alimenté par cette conduite.
Avantageusement et de manière non limitative, la conduite menant vers la deuxième voie comprend une vanne de coupure.
L’utilisation d’une vanne de coupure permet de bloquer l’accès à la deuxième voie ainsi lorsque l’utilisateur veut utiliser uniquement l’énergie produite par la pile à combustible alors la vanne de coupure se fermera pour ne laisser aucun flux d’hydrogène circuler vers le moteur à combustion interne.
Avantageusement et de manière non limitative, le système d’alimentation comprend une boucle de recirculation de l’hydrogène non consommé, ladite boucle de recirculation étant située entre la pile à combustible et la vanne de coupure.
En effet, lors du fonctionnement de la pile, une partie de l’hydrogène n’est pas consommé et va donc se trouver en sortie de celle-ci. Selon l’invention, l’hydrogène non consommé peut être reconduit par une boucle dite « de recirculation » vers la conduite de la troisième voie en entrée de la pile pour être réintroduit dans la pile et consommé par la pile. La boucle de recirculation permet ainsi d’augmenter le rendement de la pile à combustible.
Avantageusement et de manière non limitative, lorsque seule la pile à combustible est en fonctionnement, la troisième voie est ouverte, la vanne de coupure est fermée et la deuxième voie est fermée.
Cette configuration correspond au mode de fonctionnement où seule la pile à combustible est alimentée avec une recirculation de l’hydrogène non consommé.
Cette configuration présente l’avantage de générer des puissances électriques utilisable par le moteur sans aucune émission polluante tout en obtenant un rendement important pour les faibles puissances. Ce mode de fonctionnement est donc par exemple utilisé en ville.
Avantageusement et de manière non limitative, lorsque seul le moteur à combustion est en fonctionnement, la troisième voie est fermée, la vanne de coupure est fermée et la deuxième voie est ouverte.
Cette configuration correspond au mode de fonctionnement où seul le moteur à combustion interne est alimenté sans circulation de l’hydrogène dans la pile.
Le mode de fonctionnement où seul le moteur à combustion est alimenté présente l’avantage de générer de forte puissance avec un rendement important. Ce mode de fonctionnement est donc par exemple utilisé lors de grand trajet sur les autoroutes.
Avantageusement et de manière non limitative, lorsque seul le moteur à combustion est en fonctionnement ou lorsque le moteur à combustion et la pile à combustible sont en fonctionnement, la troisième voie est ouverte, la vanne de coupure est ouverte et la deuxième voie est fermée.
Cette configuration correspond au mode de fonctionnement où la pile à combustible est alimentée en continue qu’elle génère un courant ou non.
Le mode de fonctionnement où la pile est alimentée en continue de limiter le phénomène de corrosion des électrodes lors du démarrage de la pile à combustible.
Le cas où la pile à combustible est alimentée avec le moteur à combustion présente l’avantage fournir de forte puissance avec un rendement important tout en diminuant les émissions polluantes générées par le moteur à combustion interne puisqu’une partie de la puissance électrique est générée par la pile à combustible.
L’invention se rapporte également à un procédé de commande d’un système d’alimentation selon l’invention. Lorsque seule la pile à combustible est en fonctionnement, on commande l’ouverture de la troisième voie, et la fermeture de la vanne de coupure et la deuxième voie. Lorsque seul le moteur à combustion est en fonctionnement, on commande la fermeture de la troisième voie, la fermeture de la vanne de coupure et l’ouverture de la deuxième voie. Lorsque seul le moteur à combustion en fonctionnement ou lorsque le moteur à combustion et la pile à combustible sont alimentés, on commande l’ouverture de la troisième voie, l’ouverture de la vanne de coupure et la fermeture de la deuxième voie.
Le procédé de commande permet ainsi d’automatiser le système d’alimentation pour que la vanne trois voies et la vanne de coupure soit ouverte ou fermée suivant le mode de fonctionnement à appliquer.
L’invention se rapporte à un dispositif de commande du procédé de commande décrit précédemment, le dispositif comprend des moyens de commande de l’ouverture ou de la fermeture de la vanne trois voies et de la vanne de coupure.
Le dispositif de commande selon l’invention comprend ici un processeur.
L’invention se rapporte également à un véhicule automobile équipé d’un stockage à hydrogène alimentant un moteur à combustion interne et une pile à combustible selon le système d’alimentation présenté précédemment.
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatifs, en référence à la figure unique :
La présente un ensemble 2 de production de l’énergie permettant de faire avancer un véhicule ainsi que le système d’alimentation 1 de cet ensemble. Ces derniers sont embarqués dans un véhicule automobile.
L’ensemble 2 de production de l’énergie comprend un moteur à combustion interne 3 fonctionnant à l’hydrogène et un moteur électrique 4.
Le moteur à combustion 3 est relié à l’axe de transmission 5 qui est relié aux roues permettant ainsi de faire avancer le véhicule.
Sur l’axe de transmission 5, le moteur électrique 4 est également représenté. Le moteur électrique 4 permet également de mettre en mouvement l’axe de transmission 5 pour faire avancer le véhicule. Le moteur électrique est alimenté en électricité par la pile à combustible 6 ainsi qu’une batterie tampon 7.
En effet, la pile à combustible 6 génère un courant continu qui va être converti par un convertisseur DC/DC 8. Le courant généré par la pile à combustible 6 permet d’alimenter le moteur électrique 4 mais également d’alimenter les circuits électriques annexes adapté pour faire fonctionner les différents accessoires du véhicule.
Cependant, lorsque la pile à combustible 6 ne fonctionne pas, les circuits électriques annexes ne sont pas fournis en énergie ainsi une batterie tampon 7 est utilisée pour produire l’énergie suffisante pour leur fonctionnement. De plus, lorsque la pile 6 démarre, la batterie tampon 7 permet fournir l’énergie électrique suffisante pour son fonctionnement dès le début.
Avant d’arriver au moteur électrique 4, l’énergie électrique est également convertie par un convertisseur DC/AC 9.
La pile à combustible 6 ainsi que le moteur à combustion interne 3 sont alimentés par de l’hydrogène provenant d’un stockage de l’hydrogène 10. Le stockage 10 comprend une interface pour son remplissage non représenté ainsi qu’une sortie reliée au système d’alimentation 1.
Le système d’alimentation 1 de l’hydrogène est commun à la pile à combustible 6 et au moteur à combustion interne 3. Pour cela, le système d’alimentation 1 comprend une vanne trois voies 11. La première voie 12 correspond à la conduite menant au stockage d’hydrogène 10. La deuxième voie 13 correspond quant à elle à la conduite menant vers l’entrée du moteur à combustion interne 3. Enfin, la troisième voie 14 correspond à la conduite menant à l’entrée de la pile à combustible 6.
En plus de pouvoir diriger le flux dans la bonne conduite, la vanne trois voies 11 permet également de bloquer l’accès à une conduite suivant le mode de fonctionnement. On dit alors que la voie est fermée si le flux d’hydrogène ne peut pas se diriger vers cette voie.
En sortie de la pile 6, l’hydrogène non consommé est dirigé par une conduite 15 qui mène à deux conduites différentes : une conduite 16 mène à la deuxième voie et une autre conduite 17 mène à une boucle de recirculation.
Ainsi, le système d’alimentation 1 comprend une boucle de recirculation 18 situé au niveau de la pile à combustible 6. La boucle de recirculation 18 permet à l’hydrogène non consommé par la pile d’être dirigé vers la conduite de la troisième voie 14 pour être réinjecté à l’entrée de la pile à combustible 6. L’opération va permettre d’augmenter le rendement de la pile 6.
Le système d’alimentation 1 comprend également une conduite 18 menant vers la deuxième voie 13. Ainsi, en sortie de la pile l’hydrogène non consommé peut être dirigé vers le moteur à combustion interne 3. La conduite présente une vanne de coupure 19 permettant d’ouvrir ou de fermer l’accès à la deuxième voie 13 suivant le mode de fonctionnement.
Le système d’alimentation 1 présente trois modes de fonctionnement possibles.
Le premier mode de fonctionnement correspond à lorsque seule la pile à combustible 6 est alimentée et que celle-ci génère un courant. Dans ce premier mode de fonctionnement, la troisième voie 14 est ouverte, la vanne de coupure 19 est fermée et la deuxième voie 13 est fermée.
Dans ce premier mode de fonctionnement le stockage d’hydrogène 10 alimente la pile à combustible 6 en hydrogène par la troisième voie 14 dont l’accès est ouvert au niveau de la vanne trois voies 11.
La vanne de coupure 19 et la deuxième voie 13 sont quant à elles fermées pour ne pas alimenter le moteur à combustion 3 en hydrogène puisque la production d’énergie par ce moyen n’est pas nécessaire.
Ce premier mode de fonctionnement présente l’avantage de générer des puissances électriques utilisable par le moteur sans aucune émission polluante tout en obtenant un rendement important pour les faibles puissances. Ce premier mode de fonctionnement est donc par exemple utilisé en ville.
Le deuxième mode de fonctionnement correspond à lorsque seul le moteur à combustion 3 est alimenté et qu’il fournit de l’énergie. Dans ce deuxième mode de fonctionnement, la troisième voie est fermée 14, la vanne de coupure 19 est fermée et la deuxième voie 13 est ouverte.
Dans ce deuxième mode de fonctionnement le stockage d’hydrogène 10 alimente le moteur à combustion interne 3 en hydrogène par la deuxième voie 13 dont l’accès est ouvert au niveau de la vanne trois voies 11.
La vanne de coupure 19 et la troisième voie 14 sont quant à elles fermées pour ne pas alimenter la pile à combustible 6 en hydrogène puisque la production d’énergie par ce moyen n’est pas nécessaire.
Cependant, le deuxième mode de fonctionnement n’est pas apte à alimenter la pile à combustible en continue. Le phénomène de corrosion n’est donc pas limité. Ainsi le deuxième mode de fonctionnement ne sera pas privilégié pour optimiser la durabilité de la pile.
Enfin, le troisième mode de fonctionnement correspond à lorsque seul le moteur à combustion 3 est alimenté et fourni de l’énergie ou lorsque le moteur à combustion 3 et la pile à combustible 6 sont alimentés et fournissent de l’énergie. Dans ce troisième mode de fonctionnement, la troisième voie 14 est ouverte, la vanne de coupure 19 est ouverte et la deuxième voie 13 est fermée.
La configuration adoptée dans ce troisième mode de fonctionnement est de faire circuler l’hydrogène dans la pile qu’il soit consommé ou non.
Si la pile à combustible 6 génère un courant alors une partie du débit d’hydrogène va alimenter la pile 6 puis l’hydrogène non consommé en sortie de pile 6 sera en partie recyclé par la boucle de recirculation et il sera en partie conduit vers la deuxième voie 13 pour alimenter le moteur à combustion 3.
Si la pile à combustible 6 ne génère pas de courant, l’hydrogène ne fera que balayer l’anode de la pile 6 avant de sortir. Puis en sortie de la pile, l’hydrogène va circuler à travers la vanne de coupure 19 pour être conduit vers la deuxième voie 13 et ainsi alimenter le moteur à combustion 3.
Dans cette configuration, l’hydrogène circule en continue dans la pile à combustible 6 même s’il n’est pas consommé par celle-ci. Ainsi, aucun air ne peut pénétrer dans l’enceinte et il n’y a pas de front air/hydrogène qui se crée lors du démarrage de la pile. Le phénomène de corrosion est donc limité ce qui optimise la durabilité de la pile à combustible 6.
Claims (10)
- Système d’alimentation (1) en hydrogène commun à un moteur à combustion interne (3) à hydrogène et à une pile à combustible (6) adapté pour alimenter en continu la pile à combustible (6), ledit système d’alimentation (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend une vanne trois voies (11): une première voie (12) provenant d’un stockage d’hydrogène (10), une deuxième voie (13) conduisant l’hydrogène vers le moteur à combustion interne (3) et une troisième voie (14) conduisant l’hydrogène vers la pile à combustible (6).
- Système d’alimentation (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’hydrogène non consommé en sortie de la pile (6) est dirigé vers la deuxième voie (13) à travers une conduite (16).
- Système d’alimentation (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conduite (16) menant vers la deuxième voie (13) comprend une vanne de coupure (19).
- Système d’alimentation (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’il comprend une boucle de recirculation (18) de l’hydrogène non consommé, ladite boucle de recirculation (18) étant située entre la pile à combustible (6) et la vanne de coupure (19).
- Système d’alimentation (1) selon l’une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que lorsque seule la pile à combustible (6) est en fonctionnement, la troisième voie (14) est ouverte, la vanne de coupure (19) est fermée et la deuxième voie (13) est fermée.
- Système d’alimentation (1) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lorsque seul le moteur à combustion (3) est en fonctionnement, la troisième voie (14) est fermée, la vanne de coupure (19) est fermée et la deuxième voie (13) est ouverte.
- Système d’alimentation (1) selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que lorsque seul le moteur à combustion (3) est en fonctionnement ou lorsque le moteur à combustion (3) et la pile à combustible (6) sont en fonctionnement, la troisième voie (14) est ouverte, la vanne de coupure (19) est ouverte et la deuxième voie (13) est fermée.
- Procédé de commande d’un système d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que
lorsque seule la pile à combustible (6) est en fonctionnement, on commande l’ouverture de la troisième voie (14), et la fermeture de la vanne de coupure (19) et la deuxième voie (13) ;
lorsque seul le moteur à combustion (3) est en fonctionnement, on commande la fermeture de la troisième voie (14), la fermeture de la vanne de coupure (19) et l’ouverture de la deuxième voie (13) ; et
lorsque seul le moteur à combustion (3) est en fonctionnement ou lorsque le moteur à combustion (3) et la pile à combustible (6) sont en fonctionnement, on commande l’ouverture de la troisième voie (14), l’ouverture de la vanne de coupure (19) et la fermeture de la deuxième voie (13). - Dispositif de commande du procédé de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de commande de l’ouverture ou de la fermeture de la vanne trois voies et de la vanne de coupure.
- Véhicule automobile équipé d’un stockage à hydrogène (10) alimentant un moteur à combustion interne (3) et une pile à combustible (6) selon le système d’alimentation (1) revendiqué dans les revendications 1 à 7.
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