WO2024132709A1 - Système et procede de gestion des flux gazeux et thermiques en sortie de pile à combustible pour alimenter un moteur thermique a hydrogene ou son dispositif de post-traitement - Google Patents

Système et procede de gestion des flux gazeux et thermiques en sortie de pile à combustible pour alimenter un moteur thermique a hydrogene ou son dispositif de post-traitement Download PDF

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WO
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fuel cell
gas flow
during
threshold value
hydrogen
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PCT/EP2023/085379
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Panagiotis Christou
David Gerard
Marielle Marchand
Gladys MOREAC-NJEIM
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Ampere S.A.S.
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    • H01M8/0687—Reactant purification by the use of membranes or filters

Definitions

  • TITLE SYSTEM AND METHOD FOR MANAGING GAS AND THERMAL FLOWS LEAVING A FUEL CELL TO POWER A HYDROGEN THERMAL ENGINE OR ITS POST-TREATMENT DEVICE
  • the present invention relates to the use of a fuel cell integrated into the traction chain of a hydrogen thermal vehicle.
  • the present invention aims to propose a system and a method which make it possible to manage the gaseous and thermal flows leaving the fuel cell to power the heat engine, and/or its post-treatment device.
  • Vehicle traction systems which comprise a single hydrogen tank which can supply on the one hand a fuel cell which in turn supplies electrical energy to a first electric motor, and on the other hand a second thermal engine of ' hydrogen, so that both engines can move the vehicle forward.
  • the vehicle operates either on the hydrogen thermal engine, particularly in cases of long journey times and high power requirements, or on the electric motor via the fuel cell, particularly in cases of short journeys or when required. low powers, or by using both engines at the same time.
  • the internal combustion of hydrogen generates gases and polluting particles at the outlet of the thermal engine, which must be treated before their emission into the atmosphere, the vehicles are equipped with a post-treatment device for these pollutants to meet the regulations in force, such as the European regulations known as “Euroôd full” or “EuroVI”.
  • This post-treatment device generally contains one or more catalysts as well as one or more particle filters.
  • Catalyzed elements have a variable operating temperature window.
  • the cold trapping catalyst “PNA” (for the anglicism “Passive NOx Adsorber”) can store nitrogen oxides from the lower temperatures, that is to say between one hundred and two hundred degrees Celsius, and releases nitrogen oxides beyond this temperature.
  • a second nitrogen oxide treatment system in series such as the “LNT” (for the English “Lean NOx Trap”) or the SCR (for the English “Selective Catalyzed Reductor”), makes it possible to treat the emissions of nitrogen oxides released when the gas temperature reaches two hundred degrees Celsius and beyond: the nitrogen oxides are reduced to non-polluting gas emitted in the exhaust, in particular nitrogen.
  • LNT for the English “Lean NOx Trap”
  • SCR for the English “Selective Catalyzed Reductor”
  • a particular problem of the invention therefore concerns the optimization of the heat flows generated by the two systems and the use of hydrogen and compressed air, by using the gases leaving the fuel cell to directly supply the hydrogen thermal engine and/or activate its depollution systems.
  • the invention aims to overcome at least some of the aforementioned drawbacks and to propose a system capable of combining performance advantages in terms of services, energy efficiency, simplicity and reliability for its implementation.
  • the invention aims to provide a gas management system in a hydrogen hybrid vehicle, comprising an electric motor and a hydrogen internal combustion engine, a fuel cell supplying energy electric the electric motor, a hydrogen tank supplying hydrogen to the battery and the thermal engine, a post-treatment device adapted for the treatment of the exhaust gases leaving the engine thermal, characterized in that it comprises gas flow management means capable of selectively bringing gas flows from the fuel cell to the post-treatment device and/or to the internal combustion engine, and/or from the hydrogen tank to the fuel cell and/or to the internal combustion engine, and an electronic controller configured to be able to control the gas flow management means as a function of the temperature of a first and/or or a second gas flow emitted at the outlet of the fuel cell.
  • the first gas flow emitted at the outlet of the fuel cell contains hydrogen and the system further comprises a sensor of the temperature of this first flow
  • the gas flow management means comprise a first valve adapted to bring a flow of hydrogen from the hydrogen tank to the fuel cell and/or to the internal combustion engine, and a second valve adapted to bring the first flow containing hydrogen from the fuel cell to the heat engine and/or to the post-treatment device
  • the electronic controller is configured to control the opening and closing of the first and/or second valves as a function of the temperature of the first gas flow.
  • the post-treatment device further comprising a catalyst capable of treating nitrogen oxides from the internal combustion engine
  • the system further comprises a sensor of a concentration of nitrogen oxides in the catalyst
  • the electronic controller is configured to control the opening and closing of the first and/or second valves as a function of the concentration of nitrogen oxides in the catalyst.
  • the invention also relates to a method for implementing the system defined above, comprising the following steps:
  • a first step during which the temperature of the first gas flow emitted at the outlet of the fuel cell is compared to a first threshold value, in the event of exceeding the first threshold value during the first step, a second step during which a nitrogen oxide concentration measured in the catalyst is compared to a second threshold value, in the event of exceeding said second threshold value during the second step, a third step during which the computer controls the second valve to bring the flow containing hydrogen from the fuel cell to the catalyst,
  • a fourth step following the third step during which the hydrogen brought into the catalyst during the third step is used as a reagent in a reduction reaction with the nitrogen oxide present in the catalyst until the lowering the concentration of nitrogen oxide in the catalyst below the second threshold value, in the absence of exceeding the first threshold value during the first step, a fifth step during which the computer controls the second valve to bring the first gas flow containing hydrogen from the fuel cell to the heat engine.
  • the second gas flow emitted at the outlet of the fuel cell contains oxygen
  • the system further comprises a sensor of the temperature of this second gas flow
  • the gas flow management means comprise a third valve adapted to bring the second gas flow containing oxygen from the fuel cell to the particle filter, and a fourth valve adapted to bring the second gas flow containing oxygen from the fuel cell to the engine internal combustion, the electronic controller being able to control the opening and closing of the third and/or fourth valves as a function of the temperature of the second gas flow
  • the post-treatment device comprising a particle filter capable of trapping nitrogen oxides from the heat engine
  • the system further comprises an oxygen richness sensor of the second gas flow
  • the controller electronic is configured to control the opening and closing of the third and/or fourth valves as a function of the oxygen concentration of the second gas flow
  • the invention also relates to a method for implementing the system comprising the following steps: the first step during which the temperature of the second gas flow emitted at the outlet of the fuel cell is further compared to a third threshold value, in case of exceeding the third threshold value during the first step, a sixth step during which the oxygen concentration of the second gas flow leaving the fuel cell at a fourth threshold value, in the absence of exceeding said fourth threshold value during the sixth step, a seventh step during which the computer controls the third valve to bring the second flow gas containing oxygen from the fuel cell to the particle filter,
  • an eighth step directly following the seventh step during which the oxygen brought into the particle filter during the seventh step is used as a reagent for an oxidation reaction with the nitrogen oxide present in the particle filter particle until the concentration of nitrogen oxide in the particle filter falls below the fourth threshold value, in the event of said fourth threshold value being exceeded by said oxygen concentration during the sixth step, a ninth step during which the computer controls the fourth valve to bring the second gas flow containing oxygen from the fuel cell to the heat engine.
  • both the temperature of the first gas flow containing hydrogen emitted at the outlet of the fuel cell is compared to the first threshold value and the temperature of the second gas flow containing oxygen. emitted at the output of the fuel cell at the third threshold value, the first step continuing on the one hand by the second step in the event of exceeding the first threshold value and on the other hand by the sixth step in the event of exceeding the third threshold value.
  • the invention also relates to a vehicle comprising the preceding system for implementing the method as defined above.
  • FIG 1 schematically represents the architecture of a gas management system according to the invention.
  • FIG 2 represents the steps of the process implemented by the system. detailed description
  • Figure 1 illustrates the system according to the invention, which aims to provide a gas management system 1 in a hydrogen hybrid vehicle.
  • the system 1 comprises an electric motor 2 and a hydrogen internal combustion engine 3, a fuel cell 4 which supplies electrical energy to the motor 2, a hydrogen tank 5 which supplies hydrogen to the cell 4 and the motor thermal 3, and a post-treatment device 6 adapted for the treatment of the exhaust gases leaving the thermal engine 3.
  • System 1 includes gas flow management means 16, 17, 18, 19.
  • the management means 16, 17, 18, 19 are capable of selectively bringing gas flows from the fuel cell 4 to the post-treatment device 6 and/or to the heat engine 3, and/or from the tank of hydrogen 5 to the fuel cell 4 and/or to the heat engine 3.
  • the system further comprises an electronic controller 15 configured to be able to control the management means 16, 17, 18, 19 as a function of the temperature of a first and/or a second gas flow emitted at the outlet of the fuel cell. 4.
  • the hot gas is emitted from the fuel cell at a temperature greater than or equal to substantially one hundred and sixty degrees Celsius.
  • the first gas flow emitted at the outlet of the fuel cell 4 contains, for example, hydrogen.
  • system 1 may also include a temperature sensor of this first gas flow.
  • System 1 can also include a catalyst 7 capable of treating nitrogen oxides from the heat engine 3.
  • the catalyst 7 is coupled to the post-treatment device 6, and it is for example of the “PNA” or “LNT” type.
  • the gas flow management means 16, 17, 18, 19 then further comprise a first valve 16 adapted to be able to bring the flow of hydrogen from the hydrogen tank 5 to the fuel cell 4 and/or up to 'to the heat engine 3, and a second valve 17 adapted to be able to bring the first gas flow, containing hydrogen, from the fuel cell 4 to the heat engine 3 and/or to the post-treatment device 6, the electronic controller 15 being configured to control the opening and closing of the first and/or second valves 16, 17 as a function of the temperature of the first gas flow.
  • the gas flow management means 16, 17, 18, 19 may further comprise an air filter 9 and an air compressor 10, coupled to an air inlet 11 and to a cooler 13 and to a humidifier 15 of this air, as well as a pump 15 and a silencer 20 coupled to said pump 15, coupled to the fluid distribution network in the vehicle, and optionally controlled by the controller 15.
  • the post-treatment device (6) further comprising a catalyst (7) capable of treating nitrogen oxides coming from the heat engine 3, the system 1 can also comprise a sensor of a concentration of nitrogen oxides in the catalyst 7.
  • the electronic controller 15 is then configured to control the opening and closing of the first and/or second valves as a function of the concentration of nitrogen oxides in the catalyst 7.
  • Figure 2 illustrates the method of implementing the system as described previously, in which the hot gas contains hydrogen.
  • the process includes the following steps:
  • a first step E l during which the temperature of the first gas flow emitted at the outlet of the fuel cell 4 is compared to a first threshold value, in the event of exceeding the first threshold value during the first step E l, a second step E2 during which a concentration of nitrogen oxide measured in the catalyst 7 is compared to a second threshold value, in the event of exceeding said second threshold value during the second step E2, a third step E3 during which the computer 15 controls the second valve 17 to bring the flow containing hydrogen from the fuel cell 4 to the catalyst 7,
  • step E4 following the third step E3, during which the hydrogen brought into the catalyst 7 during the third step E3 is used as a reagent for a reduction reaction with the nitrogen oxide present in the catalyst 7 until the concentration of nitrogen oxide in catalyst 7 falls below the second threshold value, in the absence of exceeding the first threshold value during the first step E l, a fifth step E2 during which the computer 15 controls the second valve 17 to bring the first gas flow containing hydrogen from the cell to fuel 4 to the heat engine 3.
  • the hydrogen emitted by the anode of the cell can then be used hot for the reduction of these nitrogen oxides.
  • the hydrogen emitted by the anode can be injected into the combustion chamber of the heat engine with hydrogen 2 as fuel, and a new combustion cycle can then take place.
  • the second gas flow emitted at the outlet of the fuel cell 4 contains oxygen in addition to or as an alternative to the hydrogen emitted, and the system 1 and the process differ.
  • the system 1 further comprises a sensor of the temperature of this second gas flow.
  • the gas flow management means 16, 17, 18, 19 comprise a third valve 18 adapted to bring the second gas flow containing oxygen from the fuel cell 4 to the particle filter 8, and a fourth valve 19 adapted to be able to direct a flow of oxygen from the fuel cell 4 to the heat engine 3, the electronic controller 15 being able to control the opening and closing of the third and/or fourth valves 18, 19 in function of the temperature of the second gas flow.
  • the post-treatment device 6 comprising a particle filter 8 capable of trapping nitrogen oxides from the heat engine 3, it is also possible to provide to add an oxygen richness sensor of the second gas flow, the electronic controller 15 being configured to control the opening and closing of the third and/or fourth valves 18, 19 as a function of the oxygen concentration of said second flow gaseous.
  • the process comprises the following steps: the first step E l during which the temperature of the second gas flow emitted at the outlet is further compared of the fuel cell 4 to a third threshold value, in the event of exceeding the third threshold value during the first step E l, a sixth step E6 during which the oxygen concentration of the second gas flow at the outlet of the fuel cell 4 at a fourth threshold value, in the absence of exceeding said fourth threshold value during the sixth step E6, a seventh step E7 during which the computer 15 controls the third valve 18 to bring the second gas flow containing oxygen from the fuel cell 4 to the particle filter 8,
  • This process is compatible with the process described previously for the case where the hot gas emitted at the outlet of the fuel cell 4 contains hydrogen.
  • the system 1 can also provide that the hot gas emitted at the outlet of the fuel cell 4 contains both hydrogen and oxygen.
  • the gas flow management means 16, 17, 18, 19 can then include first, second, third and fourth valves 16, 17, 18, 19, and provide that the electronic controller 15 is configured to be able to control said valves.
  • such a system is implemented by a method combining the methods described previously evaluating the temperature of a hot gas emitted at the outlet of fuel cell 4, and during the first step E l, we compare both the temperature of the first gas flow containing hydrogen emitted at the outlet of the fuel cell 4 at the first threshold value and the temperature of the second gas flow containing oxygen emitted at the outlet of the fuel cell 4 at the first threshold value and the temperature of the oxygen of the hot gas emitted at the outlet of the fuel cell 4 at the third threshold value.
  • the first step E l continues on the one hand with the second step E2 in the event of exceeding the first threshold value and on the other hand with the sixth step E6 in the event of exceeding the third threshold value.
  • the invention also relates to a vehicle comprising the preceding system for implementing the method described, in particular a motor vehicle.

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Abstract

Ce système de gestion de gaz dans un véhicule hybride hydrogène (1), comportant un moteur électrique (2) et un moteur thermique à combustion interne d'hydrogène (3), une pile à combustible (4) alimentant en énergie électrique le moteur électrique (2), un réservoir d'hydrogène (5) alimentant en hydrogène la pile (4) et le moteur thermique (3), un dispositif de post-traitement (6) adapté pour le traitement des gaz d'échappement en sortie du moteur thermique (3), le système comportant des moyens de gestion de flux gazeux (16,17,18,19) aptes à amener sélectivement des flux gazeux depuis la pile à combustible (4) jusqu'au dispositif de post-traitement (6) et /ou jusqu'au moteur thermique (3), et/ou depuis le réservoir d'hydrogène (5) jusqu'à la pile à combustible (4) et/ou jusqu'au moteur thermique (3), et un contrôleur électronique (15) configuré pour pouvoir commander les moyens de gestion de flux gazeux (16,17,18,19) en fonction de la température d'un premier et/ou d'un deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible (4).

Description

TITRE : SYSTÈME ET PROCEDE DE GESTION DES FLUX GAZEUX ET THERMIQUES EN SORTIE DE PILE À COMBUSTIBLE POUR ALIMENTER UN MOTEUR THERMIQUE A HYDROGENE OU SON DISPOSITIF DE POST-TRAITEMENT
Domaine technique
La présente invention concerne l ’utilisation d’une pile à combustible intégrée à la chaîne de traction d’un véhicule thermique à hydrogène.
La présente invention vise à proposer un système et une méthode qui permettent de gérer les flux gazeux et thermiques en sortie de la pile à combustible pour alimenter le moteur thermique, et/ou son dispositif de posttraitement.
Techniques antérieures
On connaît des systèmes de traction de véhicule qui comportent un réservoir d’ hydrogène unique qui peut alimenter d’une part une pile à combustible qui alimente à son tour en énergie électrique un premier moteur électrique, et d’ autre part un deuxième moteur thermique d’ hydrogène, de sorte que les deux moteurs permettent de faire avancer le véhicule.
Le véhicule fonctionne soit sur le moteur thermique à hydrogène, notamment dans les cas de longs temps de parcours et des besoins de fortes puissances, soit sur le moteur électrique via la pile à combustible, notamment dans les cas de courts traj ets ou lors des besoins de faibles puissances, soit en utilisant les deux moteurs à la fois.
La combustion interne d’ hydrogène générant des gaz et des particules polluantes en sortie du moteur thermique, qui doivent être traités avant leur émission dans l ’ atmosphère, on équipe les véhicules d’un dispositif de posttraitement de ces polluants pour répondre à la réglementation en vigueur, telle que la réglementation européenne dite « Euroôd full » ou « EuroVI » .
Ce dispositif de post-traitement contient en général un ou plusieurs catalyseurs ainsi qu’un ou plusieurs filtres à particules.
Les éléments catalysés ont une fenêtre de température de fonctionnement variable.
A titre d’ exemple, le catalyseur de piégeage à froid « PNA » (pour l ’ anglicisme « Passive NOx Adsorber ») peut stocker les oxydes d’ azote dès les plus basses températures, c'est-à-dire entre cent et deux cents degrés Celsius, et relargue les oxydes d’ azote au-delà de cette température.
L’ association d’un second système de traitement des oxydes d’ azote en série, tel que le « LNT » (pour l ’ anglicisme « Lean NOx Trap ») ou le SCR (pour l ’ anglicisme « Selective Catalyzed Reductor »), permet de traiter les émissions d’ oxydes d’ azote relargués lorsque la température des gaz atteint deux cents degrés Celsius et au-delà : les oxydes d’ azote sont réduits en gaz non polluant émis à l ’ échappement, notamment en azote.
Dans le cadre d’une pile « PEMFC » (pour l ’ anglicisme « Proton Exchange Membrane Fuel Cell ») fonctionnant au-delà de cent soixante degrés Celsius, sont émis en sortie de pile des gaz chauds, qui contiennent encore de l ’ hydrogène issu de l ’ anode de la pile et un air appauvri en oxygène issu de la cathode de la pile.
Ces flux gazeux sont généralement relargués directement dans l ’ atmosphère, ce qui est nocif pour l ’ environnement et sous-optimal .
Une problématique particulière de l ’ invention concerne donc l ’ optimisation des flux thermiques générés par les deux systèmes et de l ’utilisation de l ’ hydrogène et de l ’ air comprimé, en utilisant les gaz sortant de la pile à combustible pour alimenter directement le moteur thermique d’ hydrogène et/ou activer ses systèmes de dépollution.
Aucun moyen de contrôle et de gestion des différents flux thermiques et énergétiques n’ existe dans l ’ état de la technique pour l ’utilisation de l ’ hydrogène ou de l ’ oxygène chauds émis par une pile à combustible pour le post-traitement des émissions gazeuses.
Exposé de l’ invention
L’invention a pour but de pallier au moins certains des inconvénients précités et de proposer un système capable de cumuler des avantages de performance en termes de prestations, d’ efficacité énergétique, de simplicité et de fiabilité pour sa mise en œuvre.
Au vu de ce qui précède, l ’ invention a pour obj et un système de de gestion de gaz dans un véhicule hybride à hydrogène, comportant un moteur électrique et un moteur thermique à combustion interne d’ hydrogène, une pile à combustible alimentant en énergie électrique le moteur électrique, un réservoir d’ hydrogène alimentant en hydrogène la pile et le moteur thermique, un dispositif de posttraitement adapté pour le traitement des gaz d’ échappement en sortie du moteur thermique, caractérisé en ce qu’ il comporte des moyens de gestion de flux gazeux aptes à amener sélectivement des flux gazeux depuis la pile à combustible jusqu’ au dispositif de post-traitement et/ou jusqu’ au moteur à combustion interne, et/ou depuis le réservoir d’hydrogène jusqu’ à la pile à combustible et/ou jusqu’ au moteur à combustion interne, et un contrôleur électronique configuré pour pouvoir commander les moyens de gestion de flux gazeux en fonction de la température d’un premier et/ou d’un deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible.
Dans un mode de réalisation, le premier flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible contient de l ’ hydrogène et le système comporte en outre un capteur de la température de ce premier flux, et les moyens de gestion de flux gazeux comportent une première vanne adaptée pour amener un flux d’hydrogène depuis le réservoir d’ hydrogène jusqu’ à la pile à combustible et/ou jusqu’ au moteur à combustion interne, et une deuxième vanne adaptée pour amener le premier flux contenant de l ’ hydrogène depuis la pile à combustible jusqu’ au moteur thermique et/ou jusqu’ au dispositif de post-traitement, le contrôleur électronique est configuré pour commander l ’ ouverture et la fermeture des première et/ou deuxième vannes en fonction de la température du premier flux gazeux.
Par exemple, le dispositif de post-traitement comportant en outre un catalyseur apte à traiter des oxydes d’ azote issus du moteur à combustion interne, le système comporte en outre un capteur d’une concentration en oxydes d’ azote dans le catalyseur, et le contrôleur électronique est configuré pour commander l ’ ouverture et la fermeture des première et/ou deuxième vannes en fonction de la concentration en oxydes d’ azote dans le catalyseur.
L'invention concerne également un procédé pour la mise en œuvre du système défini ci-dessus, comportant les étapes suivantes :
- une première étape lors de laquelle on compare la température du premier flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible à une première valeur seuil, en cas de dépassement de la première valeur seuil lors de la première étape, une deuxième étape lors de laquelle on compare une concentration en oxyde d’ azote mesurée dans le catalyseur à une deuxième valeur seuil, en cas de dépassement de ladite deuxième valeur seuil lors de la deuxième étape, une troisième étape lors de laquelle le calculateur commande la deuxième vanne pour amener le flux contenant de l ’ hydrogène issu de la pile à combustible jusqu’ au catalyseur,
- une quatrième étape suivant la troisième étape, lors de laquelle on utilise l ’hydrogène amené dans le catalyseur lors de la troisième étape comme réactif d’une réaction de réduction avec l ’ oxyde d’ azote présent dans le catalyseur jusqu’ à l’ abaissement de la concentration en oxyde d’ azote dans le catalyseur en-dessous de la deuxième valeur seuil, en l ’ absence de dépassement de la première valeur seuil lors de la première étape, une cinquième étape lors de laquelle le calculateur commande la deuxième vanne pour amener le premier flux gazeux contenant de l ’ hydrogène issu de la pile à combustible jusqu’ au moteur thermique.
De préférence, le deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible contient de l ’ oxygène, et le système comporte en outre un capteur de la température de ce deuxième flux gazeux, et les moyens de gestion de flux gazeux comportent une troisième vanne adaptée pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène depuis la pile à combustible jusqu’ au filtre à particules, et une quatrième vanne adaptée pour amener le deuxième flux gazeux contenant de T ’ oxygène depuis la pile à combustible jusqu’ au moteur à combustion interne, le contrôleur électronique étant apte à commander l ’ ouverture et la fermeture des troisième et/ou quatrième vannes en fonction de la température du deuxième flux gazeux
Dans un mode de réalisation du système, le dispositif de post-traitement comportant un filtre à particules apte à piéger des oxydes d’ azote issus du moteur thermique, le système comporte en outre un capteur de richesse en oxygène du deuxième flux gazeux, le contrôleur électronique est configuré pour commander l ’ ouverture et la fermeture des troisième et/ou quatrième vannes en fonction de la concentration en oxygène du deuxième flux gazeux
L’invention concerne également un procédé pour la mise en œuvre du système comportant les étapes suivantes : la première étape lors de laquelle on compare en outre la température du deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible à une troisième valeur seuil, en cas de dépassement de la troi sième valeur seuil lors de la première étape, une sixième étape lors de laquelle on compare la concentration en oxygène du deuxième flux gazeux en sortie de la pile à combustible à une quatrième valeur seuil, en l ’ absence de dépassement de ladite quatrième valeur seuil lors de la sixième étape, une septième étape lors de laquelle le calculateur commande la troisième vanne pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène issu de la pile à combustible jusqu’ au filtre à particules,
- une huitième étape suivant directement la septième étape, lors de laquelle on utilise l ’ oxygène amené dans le filtre à particules lors de la septième étape comme réactif d’une réaction d’ oxydation avec l ’ oxyde d’ azote présent dans le filtre à particule jusqu’ à l ’ abaissement de la concentration en oxyde d’ azote dans le filtre à particule en-dessous de la quatrième valeur seuil, en cas de dépassement de ladite quatrième valeur seuil par ladite concentration en oxygène lors de la sixième étape, une neuvième étape lors de laquelle le calculateur commande la quatrième vanne pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène issu de la pile à combustible jusqu’ au moteur thermique.
De préférence, lors de la première étape, on compare à la fois la température du premier flux gazeux contenant de l ’ hydrogène émis en sortie de la pile à combustible à la première valeur seuil et la température du deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène émis en sortie de la pile à combustible à la troisième valeur seuil, la première étape se poursuivant d’une part par la deuxième étape en cas de dépassement de la première valeur seuil et d’ autre part par la sixième étape en cas de dépassement de la troisième valeur seuil .
L'invention concerne également un véhicule comportant le système précédant pour la mi se en œuvre du procédé tel que défini ci-dessus.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée d’un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels :
[Fig 1 ] représente schématiquement l ’ architecture d’un système de gestion de gaz selon l ’ invention.
[Fig 2] représente les étapes du procédé mis en œuvre par le système. Description détaillée
La Figure 1 illustre le système selon l ’ invention, qui a pour obj et un système 1 de gestion de gaz dans un véhicule hybride à hydrogène. Le système 1 comporte un moteur électrique 2 et un moteur thermique à combustion interne d’ hydrogène 3 , une pile à combustible 4 qui alimente en énergie électrique le moteur 2, un réservoir d’ hydrogène 5 qui alimente en hydrogène la pile 4 et le moteur thermique 3 , et un dispositif de post-traitement 6 adapté pour le traitement des gaz d’ échappement en sortie du moteur thermique 3.
Le système 1 comporte des moyens de gestion de flux gazeux 16, 17, 18, 19.
Les moyens de gestion 16, 17, 18, 19 sont aptes à amener sélectivement des flux gazeux depuis la pile à combustible 4 jusqu’ au dispositif de post-traitement 6 et/ou jusqu’ au moteur thermique 3 , et/ou depuis le réservoir d’ hydrogène 5 jusqu’ à la pile à combustible 4 et/ou jusqu’ au moteur thermique 3.
Le système comporte en outre un contrôleur électronique 15 configuré pour pouvoir commander les moyens de gestion 16, 17, 18, 19 en fonction de la température d’un premier et/ou d’un deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible 4.
Le gaz chaud est émis de la pile à combustible à une température supérieure ou égale à sensiblement cent soixante degrés Celsius.
Le premier flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible 4 contient par exemple de l ’ hydrogène.
Dans ce cas, le système 1 peut comporter en outre un capteur de la température de ce premier flux gazeux.
Le système 1 peut aussi comporter un catalyseur 7 apte à traiter des oxydes d’ azote issus du moteur thermique 3.
Le catalyseur 7 est couplé au dispositif de post-traitement 6, et il est par exemple de type « PNA » ou « LNT » .
Les moyens de gestion de flux gazeux 16, 17, 18, 19 comportent alors en outre une première vanne 16 adaptée pour pouvoir amener le flux d’ hydrogène depuis le réservoir d’hydrogène 5 jusqu’ à la pile à combustible 4 et/ou jusqu’ au moteur thermique 3 , et une deuxième vanne 17 adaptée pour pouvoir amener le premier flux gazeux, contenant de l ’ hydrogène, depuis la pile à combustible 4 jusqu’ au le moteur thermique 3 et/ou jusqu’ au dispositif de post-traitement 6, le contrôleur électronique 15 étant configuré pour commander l ’ ouverture et la fermeture des première et/ou deuxième vannes 16, 17 en fonction de la température du premier flux gazeux. Les moyens de gestion de flux gazeux 16, 17, 18, 19 peuvent comporter en outre un filtre à air 9 et un compresseur d’ air 10, couplés à une arrivée d’ air 1 1 et à un refroidisseur 13 et à un humidificateur 15 de cet air, ainsi qu’une pompe 15 et un silencieux 20 couplé à ladite pompe 15, couplés à réseau de distribution des fluides dans le véhicule, et optionnellement commandés par le contrôleur 15.
Le dispositif de post-traitement (6) comportant en outre un catalyseur (7) apte à traiter des oxydes d’ azote issus du moteur thermique 3 , le système 1 peut comporter en outre un capteur d’une concentration en oxydes d’ azote dans le catalyseur 7.
Le contrôleur électronique 15 est alors configuré pour commander l ’ ouverture et la fermeture des première et/ou deuxième vannes en fonction de la concentration en oxydes d’ azote dans le catalyseur 7.
Grâce à ce système 1 , le roulage du véhicule comportant le système 1 se fait en partie ou entièrement grâce au fonctionnement de la pile à combustible 4, l ’ hydrogène étant consommé à l ’ anode de ladite pile 4, et l’ excès d’ hydrogène se retrouve en sortie de ladite pile 4 peut être réutilisé.
La Figure 2 illustre le procédé de mise en œuvre du système tel que décrit précédemment, dans lequel le gaz chaud comporte de l ’hydrogène.
Le procédé comporte les étapes suivantes :
- une première étape E l lors de laquelle on compare la température du premier flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible 4 à une première valeur seuil, en cas de dépassement de la première valeur seuil lors de la première étape E l , une deuxième étape E2 lors de laquelle on compare une concentration en oxyde d’ azote mesurée dans le catalyseur 7 à une deuxième valeur seuil, en cas de dépassement de ladite deuxième valeur seuil lors de la deuxième étape E2, une troisième étape E3 lors de laquelle le calculateur 15 commande la deuxième vanne 17 pour amener le flux contenant de l ’ hydrogène issu de la pile à combustible 4 jusqu’ au catalyseur 7,
- une quatrième étape E4 suivant la troisième étape E3 , lors de laquelle on utilise l ’ hydrogène amené dans le catalyseur 7 lors de la troisième étape E3 comme réactif d’une réaction de réduction avec l ’ oxyde d’ azote présent dans le catalyseur 7 jusqu’ à l ’ abaissement de la concentration en oxyde d’ azote dans le catalyseur 7 en-dessous de la deuxième valeur seuil, en l ’ absence de dépassement de la première valeur seuil lors de la première étape E l , une cinquième étape E2 lors de laquelle le calculateur 15 commande la deuxième vanne 17 pour amener le premier flux gazeux contenant de l ’ hydrogène issu de la pile à combustible 4 jusqu’ au moteur thermique 3.
Ce procédé permet la détection et l ’utilisation optimale de l ’ hydrogène en excès en sortie de pile à combustible 4 ce qui n’ est possible avec aucun système de l ’ art antérieur.
En effet, d’une part, si le stockage des oxydes d’ azote dans le catalyseur 7 piégeant les oxydes d’ azote nécessite d’ entrer en phase de réduction, l ’ hydrogène émis par l ’ anode de la pile peut alors être utilisé à chaud pour la réduction de ces oxydes d’ azote.
D'autre part, si la réduction des oxydes d’ azote dans le catalyseur 7 piégeant les oxydes d’ azote n’ est pas nécessaire, alors l ’ hydrogène émis par l ’ anode peut être inj ecté dans la chambre de combustion du moteur thermique à hydrogène 2 comme carburant, et un nouveau cycle de combustion peut alors avoir lieu.
Selon une forme de réalisation, le deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible 4 contenant de l ’ oxygène en complément ou en alternative de l ’ hydrogène émis, et le système 1 et le procédé diffèrent.
En effet, lorsque le roulage du véhicule comportant le système 1 se fait en partie ou entièrement grâce au fonctionnement de la pile à combustible 4, un excès d’ oxygène peut se retrouver en sortie de ladite pile 4.
Le système 1 permet également d’ optimiser la gestion de cet oxygène.
Dans ce cas où le deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible 4 comporte de l’ oxygène, le système 1 comporte en outre un capteur de la température de ce deuxième flux gazeux.
De plus, les moyens de gestion de flux gazeux 16, 17, 18, 19 comportent une troisième vanne 18 adaptée pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène depuis la pile à combustible 4 jusqu’ au filtre à particules 8, et une quatrième vanne 19 adaptée pour pouvoir orienter un flux d’ oxygène depuis la pile à combustible 4 jusqu’ au moteur thermique 3 , le contrôleur électronique 15 étant apte à commander l ’ ouverture et la fermeture des troisième et/ou quatrième vannes 18, 19 en fonction de la température du deuxième flux gazeux.
Le dispositif de post-traitement 6 comportant un filtre à particules 8 apte à piéger des oxydes d’ azote issus du moteur thermique 3 , on peut prévoir en outre d’ aj outer un capteur de richesse en oxygène du deuxième flux gazeux, le contrôleur électronique 15 étant configuré pour commander l ’ ouverture et la fermeture des troi sième et/ou quatrième vannes 18, 19 en fonction de la concentration en oxygène dudit deuxième flux gazeux.
Ainsi, on obtient un système qui permet que si le stockage des particules dans le filtre à particules 6 de la ligne d’ échappement du moteur thermique 2 nécessite d’ entrer en phase d’ oxydation, l ’ oxygène émis par la cathode de la pile 4 peut alors être utilisé à chaud pour l ’ oxydation de ces particules.
En revanche, si le stockage des particules dans le filtre à particules 6 de la ligne d’ échappement du moteur thermique 2 n’ est pas nécessaire, et qu’un mélange pauvre est envisagé dans la chambre de combustion, c'est-à-dire que l ’ air en sortie de pile 4 est appauvri en oxygène car une partie en a été consommée, alors l ’ oxygène émis par la cathode peut être inj ecté comme comburant, et un nouveau cycle de combustion peut alors avoir lieu.
Dans ce cas gaz où le chaud émis en sortie de la pile à combustible 4 comporte de l ’ oxygène, le procédé comporte les étapes suivantes : la première étape E l lors de laquelle on compare en outre la température du deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible 4 à une troisième valeur seuil, en cas de dépassement de la troisième valeur seuil lors de la première étape E l , une sixième étape E6 lors de laquelle on compare la concentration en oxygène du deuxième flux gazeux en sortie de la pile à combustible 4 à une quatrième valeur seuil, en l ’ absence de dépassement de ladite quatrième valeur seuil lors de la sixième étape E6, une septième étape E7 lors de laquelle le calculateur 15 commande la troisième vanne 18 pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène issu de la pile à combustible 4 jusqu’ au filtre à particules 8,
- une huitième étape E8 suivant directement la septième étape E7, lors de laquelle on utilise l ’ oxygène amené dans le filtre à particules 8 lors de la septième étape E7 comme réactif d’une réaction d’ oxydation avec l ’ oxyde d’ azote présent dans le filtre à particules 8 jusqu’ à l ’ abaissement de la concentration en oxyde d’ azote dans ledit filtre à particules 8 en-dessous de la quatrième valeur seuil, en cas de dépassement de ladite quatrième valeur seuil par ladite concentration en oxygène lors de la sixième étape E6, une neuvième étape E9 lors de laquelle le calculateur 15 commande la quatrième vanne 19 pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène issu de la pile à combustible 4 jusqu’ au moteur thermique 3.
Ce procédé est compatible avec le procédé décrit précédemment pour le cas où le gaz chaud émis en sortie de la pile à combustible 4 comporte de l ’ hydrogène.
En effet, le système 1 peut prévoir en outre que le gaz chaud émis en sortie de la pile à combustible 4 comporte à la fois de l ’ hydrogène et de l ’ oxygène.
Les moyens de gestion de flux gazeux 16, 17, 18, 19 peuvent alors comporter des première, deuxième, troisième et quatrième vannes 16, 17, 18, 19, et prévoir que le contrôleur électronique 15 soit configuré pour pouvoir commander lesdites vannes.
De préférence, un tel système est mis en œuvre par un procédé combinant les procédés décrit précédemment évaluant la température d’un gaz chaud émis en sortie de pile à combustible 4, et lors de la première étape E l , on compare à la fois la température du premier flux gazeux contenant de l ’ hydrogène émis en sortie de la pile à combustible 4 à la première valeur seuil et la température du deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène émis en sortie de la pile à combustible 4 à la première valeur seuil et la température de l ’ oxygène du gaz chaud émis en sortie de la pile à combustible 4 à la troisième valeur seuil .
La première étape E l se poursuit d’une part par la deuxième étape E2 en cas de dépassement de la première valeur seuil et d’ autre part par la sixième étape E6 en cas de dépassement de la troisième valeur seuil .
L'invention concerne également un véhicule comportant le système précédant pour la mise en œuvre du procédé décrit, notamment un véhicule automobile.
On obtient ainsi une solution permettant l ’ implémentation d’une stratégie de gestion des flux de sortie de la pile à combustible 4 jusqu’ au moteur thermique à hydrogène 2 et/ou son système de post-traitement 6, ce qui permet de limiter substantiellement la consommation de l ’ hydrogène comme carburant, ainsi que d’ oxygène comprimé utilisé comme comburant, en optimisant leur usage et en permettant une meilleure gestion de la thermique des deux systèmes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de gestion de gaz dans un véhicule hybride à hydrogène (1), comportant un moteur électrique (2) et un moteur thermique à combustion interne d’hydrogène (3), une pile à combustible (4) alimentant en énergie électrique le moteur électrique (2), un réservoir d’hydrogène (5) alimentant en hydrogène la pile (4) et le moteur thermique (3), un dispositif de post-traitement (6) adapté pour le traitement des gaz d’échappement en sortie du moteur thermique (3), caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de gestion de flux gazeux (16,17,18,19) aptes à amener sélectivement des flux gazeux depuis la pile à combustible (4) jusqu’au dispositif de post-traitement (6) et/ou jusqu’au moteur thermique (3), et/ou depuis le réservoir d’hydrogène (5) jusqu’à la pile à combustible (4) et/ou jusqu’au moteur thermique (3), et un contrôleur électronique (15) configuré pour pouvoir commander les moyens de gestion de flux gazeux (16,17,18,19) en fonction de la température d’un premier et/ou d’un deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible (4).
2. Système (1) selon la revendication 1, dans lequel, le premier flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible (4) contenant de l’hydrogène, le système (1) comporte en outre un capteur de la température de ce premier flux, moteur thermique les moyens de gestion de flux gazeux (16,17,18,19) comportent une première vanne (16) adaptée pour amener un flux d’hydrogène depuis le réservoir d’hydrogène (5) jusqu’à la pile à combustible (4) et/ou jusqu’au moteur thermique (3), et une deuxième vanne (17) adaptée pour amener le premier flux contenant de l’hydrogène depuis la pile à combustible (4) jusqu’au moteur thermique (3) et/ou jusqu’au le dispositif de post-traitement (6), le contrôleur électronique (15) est configuré pour commander l’ouverture et la fermeture des première et/ou deuxième vannes (16,17) en fonction de la température du premier flux gazeux.
3. Système (1) selon la revendication 2, le dispositif de post-traitement (6) comportant en outre un catalyseur (7) apte à traiter des oxydes d’azote issus du moteur thermique (3), le système comporte en outre un capteur d’une concentration en oxydes d’azote dans le catalyseur (7), et le contrôleur électronique (15) est configuré pour commander l’ouverture et la fermeture des première et/ou deuxième vannes (16,17) en fonction de la concentration en oxydes d’azote dans le catalyseur (7).
4. Procédé pour la mise en œuvre d’un système (1) selon l’une quelconque des revendications 2 et 3, comportant les étapes suivantes :
- une première étape (El) lors de laquelle on compare la température du premier flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible (4) à une première valeur seuil, en cas de dépassement de la première valeur seuil lors de la première étape (El), une deuxième étape (E2) lors de laquelle on compare une concentration en oxyde d’azote mesurée dans le catalyseur (7) à une deuxième valeur seuil, en cas de dépassement de ladite deuxième valeur seuil lors de la deuxième étape (E2), une troisième étape (E3) lors de laquelle le calculateur (15) commande la deuxième vanne (17) pour amener le flux contenant de T’hydrogène issu de la pile à combustible (4) jusqu’au catalyseur (7),
- une quatrième étape (E4) suivant la troisième étape (E3), lors de laquelle on utilise l’hydrogène amené dans le catalyseur (7) lors de la troisième étape (E3) comme réactif d’une réaction de réduction avec l’oxyde d’azote présent dans le catalyseur (7) jusqu’à l’abaissement de la concentration en oxyde d’azote dans le catalyseur (7) en-dessous de la deuxième valeur seuil, en l’absence de dépassement de la première valeur seuil lors de la première étape (El), une cinquième étape (E2) lors de laquelle le calculateur (15) commande la deuxième vanne (17) pour amener le premier flux gazeux contenant de T’hydrogène issu de la pile à combustible (4) jusqu’au moteur thermique (3).
5. Système (1) selon Tune quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible (4) contenant de l’oxygène, le système (1) comporte en outre un capteur de la température de ce deuxième flux gazeux, les moyens de gestion de flux gazeux
(16.17.18.19) comportant une troisième vanne (18) adaptée pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l’oxygène depuis la pile à combustible (4) jusqu’au filtre à particules (8), et une quatrième vanne (19) adaptée pour amener le deuxième flux gazeux contenant de T’oxygène depuis la pile à combustible (4) jusqu’au moteur thermique (3), le contrôleur électronique (15) étant apte à commander l’ouverture et la fermeture des troisième et/ou quatrième vannes
(18.19) en fonction de la température dudit deuxième flux gazeux.
6. Système (1) selon la revendication 5, le dispositif de post-traitement (6) comportant un filtre à particules (8) apte à piéger des oxydes d’azote issus du moteur thermique (3), le système comportant en outre un capteur de richesse en oxygène du deuxième flux gazeux, le contrôleur électronique ( 15) est configuré pour commander l ’ ouverture et la fermeture des troisième et/ou quatrième vannes ( 18, 19) en fonction de la concentration en oxygène dudit deuxième flux gazeux.
7. Procédé pour la mise en œuvre d’un système ( 1 ) selon l ’une quelconque des revendications 5 et 6, comportant les étapes suivantes : la première étape (El ) lors de laquelle on compare en outre la température du deuxième flux gazeux émis en sortie de la pile à combustible (4) à une troisième valeur seuil, en cas de dépassement de la troisième valeur seuil lors de la première étape (E l ), une sixième étape (E6) lors de laquelle on compare la concentration en oxygène du deuxième flux gazeux en sortie de la pile à combustible (4) à une quatrième valeur seuil, en l ’ absence de dépassement de ladite quatrième valeur seuil lors de la sixième étape (E6), une septième étape (E7) lors de laquelle le calculateur ( 15) commande la troisième vanne ( 18) pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène issu de la pile à combustible (4) jusqu’ au filtre à particules (8),
- une huitième étape (E8) suivant directement la septième étape (E7), lors de laquelle on utilise l ’ oxygène amené dans le filtre à particules (8) lors de la septième étape (E7) comme réactif d’une réaction d’ oxydation avec l ’ oxyde d’ azote présent dans le filtre à particule (8) jusqu’ à l ’ abaissement de la concentration en oxyde d’ azote dans le filtre à particule (8) en-dessous de la quatrième valeur seuil, en cas de dépassement de ladite quatrième valeur seuil par ladite concentration en oxygène lors de la sixième étape (E6), une neuvième étape (E9) lors de laquelle le calculateur ( 15) commande la quatrième vanne ( 19) pour amener le deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène issu de la pile à combustible (4) jusqu’ au moteur thermique (3).
8. Procédé selon la revendication 5, dans lequel lors de la première étape (E l ), on compare à la fois la température du premier flux gazeux contenant de l ’ hydrogène émis en sortie de la pile à combustible (4) à la première valeur seuil et la température du deuxième flux gazeux contenant de l ’ oxygène émis en sortie de la pile à combustible (4) à la troisième valeur seuil, la première étape (E l ) se poursuivant d’une part par la deuxième étape (E2) en cas de dépassement de la première valeur seuil et d’ autre part par la sixième étape (E6) en cas de dépassement de la troisième valeur seuil .
9. Véhicule comportant un système ( 1 ) selon l ’une quelconque des revendications 1 à 4 et 6 à 7, pour la mise en œuvre d’un procédé selon l ’une quelques des revendications 5 et 9.
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