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EP4315463A1 - Systeme et procede de refroidissement d'une pile a combustible - Google Patents

Systeme et procede de refroidissement d'une pile a combustible

Info

Publication number
EP4315463A1
EP4315463A1 EP22716234.4A EP22716234A EP4315463A1 EP 4315463 A1 EP4315463 A1 EP 4315463A1 EP 22716234 A EP22716234 A EP 22716234A EP 4315463 A1 EP4315463 A1 EP 4315463A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
circuit
cooling
thermostat
cooling system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22716234.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pascal SMAGUE
Jules SERY
Mickael LOSZKA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP4315463A1 publication Critical patent/EP4315463A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04059—Evaporative processes for the cooling of a fuel cell
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of cooling a fuel cell, in particular an on-board fuel cell, in particular in a vehicle.
  • a fuel cell transforms chemical energy into electrical energy.
  • the chemical reaction implemented is a combustion of hydrogen in oxygen, the reaction of which can be written by the equation:
  • the electrochemical oxidation of hydrogen is carried out at the level of an anode made of a conductive catalytic material, while the electrochemical reduction of oxygen occurs at the level of a cathode. generally made of the same catalytic material.
  • the anodic and cathodic compartments are separated by an electrolyte allowing the exchange of protons or ions.
  • the fuel cells which currently prove to be the most promising are so-called proton exchange membrane cells, operating from a source of hydrogen coming either from a bottle on board the vehicle, or from a unit producing hydrogen directly in the vehicle.
  • hydrogen can be produced directly using a reformer operating with an appropriate fuel, such as methanol, gasoline, diesel fuel, etc.
  • an appropriate fuel such as methanol, gasoline, diesel fuel, etc.
  • the heat generated by the fuel cell is generally waste energy, which could be interesting to recover to increase the overall efficiency of the system.
  • the Rankine cycle is a thermodynamic cycle by which heat from an external heat source is transmitted to a closed circuit which contains a fluid, called working fluid or heat transfer fluid.
  • a fluid called working fluid or heat transfer fluid.
  • ORC organic Rankine cycle
  • This type of cycle generally breaks down into a step during which the working fluid used in liquid form is compressed isentropically, followed by a step where this compressed liquid fluid is heated and vaporized in contact with a heat source. This vapor is then expanded, during another stage, in an isentropic manner in an expansion machine, then, in a final stage, this expanded vapor is cooled and condensed in contact with a cold source.
  • the circuit generally comprises a compressor pump to circulate and compress the fluid in liquid form, an evaporator which is swept by a hot fluid to achieve at least partial vaporization of the compressed fluid, an expansion machine to expand superheated steam, such as a turbine, which transforms the energy of this steam into another energy, such as mechanical or electrical energy, and a condenser through which the heat contained in the steam is transferred to a cold source, generally the outside air which sweeps this condenser or a liquid loop at low temperature, to transform this vapor into a fluid in liquid form.
  • a compressor pump to circulate and compress the fluid in liquid form
  • an evaporator which is swept by a hot fluid to achieve at least partial vaporization of the compressed fluid
  • an expansion machine to expand superheated steam, such as a turbine, which transforms the energy of this steam into another energy, such as mechanical or electrical energy
  • a condenser through which the heat contained in the steam is transferred to a cold source, generally the outside air which sweeps this condenser
  • the conventional Rankine cycles can consist of the insertion of a heat transfer fluid loop for the valuation of the heat losses of the fuel cells, this recovery can be carried out in particular on the cooling circuit of the fuel cell. Under these conditions, the recovery must be controlled in particular under cold fuel cell conditions (in temperature rise) so as not to penalize the rise in temperature of the fuel cell, which could harm its efficiency.
  • the thermostat located downstream of the Rankine circuit exchanger sends the excess calories from the cooling circuit not removed by the Rankine cycle back to the radiator.
  • the increase in cooling needs and the different levels of regulation temperature, namely at high temperature (HT) from 80 to 100°C for the fuel cell and at low temperature (BT) from 30 to 60°C for the electrical machine, the batteries, the electrical components and the fuel cell power supply, require the use of several dedicated and separate cooling circuits as well as the implementation of several radiators to evacuate the calories of each circuit on the front of the vehicle.
  • HT high temperature
  • BT low temperature
  • the space available to house the radiators on the front panel is very limited, and requires the optimization of the available space.
  • Patent application CN 111911254 proposes a cooling device with a shared single air radiator for cooling the ORC system and the fuel cell. This system requires both three and four way valves to allow the use of the radiator for either cooling function. Such a construction is therefore complex, with numerous actuators.
  • the ORC cycle evaporator is placed downstream of one of the valves, which imposes a specific control for the passage of the coolant in the evaporator.
  • Patent application CN 110911711 concerns the coupling of a fuel cell air compressor with an ORC turbine, so as to limit the energy required for the air compressor.
  • a single radiator is used for this system, however in this system, the ORC loop is used as a transfer loop, which requires specific integration and does not make it possible to cool the fuel cell without going through the ORC loop.
  • Patent application JP 2009283178 concerns the coupling of an ORC system with a fuel cell for a vehicle. This coupling requires two independent radiators: one for the fuel cell and one for the ORC cycle.
  • patent US10577984 relates to a solution for transferring thermal energy from a hot source (a combustion engine or another converter) to a cooling system which notably comprises an air radiator via an energy recovery system. lost thermal energy: an ORC system.
  • the air radiator is shared between the energy converter, here the thermal engine, and the ORC system which must be cooled at low temperature.
  • several architectures of cooling circuits are proposed. An elementary circuit in which only the ORC circuit is connected to the radiator (figure 1 of this patent). In this configuration, the ORC system must be able to capture all the thermal power from the engine and transfer it to the low temperature radiator via the ORC condenser. Moreover, it does not allow engine cooling in the event of failure of the ORC.
  • the evaporator is placed on a branch of the cooling circuit of the energy converter parallel to a branch equipped with a three-way valve allowing thermostatic regulation.
  • a pump ensures the circulation of the heat transfer fluid between the motor to be cooled and the ORC evaporator.
  • the ORC condenser circuit is connected to the radiator but no circulation pump is used.
  • Other architectures are proposed with one or more three-way valves (thermostated) and several pumps to allow, depending on the case, to transfer the heat from the engine to the radiator via the ORC or directly to the radiator without going through the ORC cycle. when the maximum exchange capacities of the radiator via the ORC are reached. Under these conditions, the temperature of the cooling fluid arriving at the radiator increases, which improves its exchange capacity.
  • the performance of the ORC is then degraded because the temperature of its cold source increases.
  • the ORC evaporator is positioned on a parallel branch and upstream of the three-way valve (thermostat), which makes it possible to offload the heat engine to the radiator in the event of thermal overload that cannot be recovered by it.
  • thermostat three-way valve
  • the aim of the invention is to cool and recover the heat of a fuel cell, with a reduced size (to facilitate its use on board, if necessary), and a simple construction.
  • the present invention relates to a system and a process for cooling a fuel cell using three circuits with a single radiator and a single thermostat, and one of the circuits being a closed circuit according to the Rankine cycle to recover the heat emitted by the fuel cell.
  • the single heat sink and single thermostat simplify the number of components, reducing the system footprint.
  • the invention relates to a system for cooling a fuel cell, in particular a fuel cell able to be embarked in a vehicle, preferably a fuel cell of the proton exchange membrane type, or a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell, said cooling system comprising three closed thermal fluid circulation circuits, a first circuit comprising at least one fuel cell, an evaporator, a first pump, a single thermostat and a heat exchanger, a second circuit comprising at least one condenser, a second pump and a heat exchanger connected in series, and a third circuit, according to the Rankine cycle, comprising at least said evaporator, said condenser, a turbine and a third pump connected in series.
  • a fuel cell able to be embarked in a vehicle, preferably a fuel cell of the proton exchange membrane type, or a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell
  • said cooling system comprising three closed thermal fluid circulation circuits, a first circuit comprising at least
  • said heat exchanger of said first circuit and said heat exchanger of said second circuit are a single and unique heat exchanger, - said evaporator being configured so that said cooling fluid of said first circuit exchanges heat with said working fluid of said third circuit, and
  • the condenser being configured so that said cooling fluid of said second circuit exchanges heat with said working fluid of said third circuit.
  • said first circuit comprises an air heater, preferably in series or in parallel with said evaporator.
  • said second circuit comprises at least one element to be cooled, preferably chosen an electric battery, preferably an electric battery connected to said fuel cell, an electric machine connected to said fuel cell, a supply of pure air or oxygen to said fuel cell, an evacuation of moist air from said fuel cell.
  • said third circuit comprises at least one element to be cooled, preferably a supply of pure air or oxygen to said fuel cell and/or an evacuation of humid air from said fuel cell.
  • said thermostat is a three-way thermostat.
  • said thermostat is a two-way thermostat
  • said second circuit comprises a stopper valve with a non-return valve limiting circulation in one direction only.
  • the invention relates to a method for cooling a fuel cell implementing the system according to one of the preceding characteristics.
  • a step of raising the temperature of said fuel cell is implemented, during which said thermostat is closed, and said first pump is activated.
  • said second pump is also activated.
  • the invention also relates to a method for cooling a fuel cell using the cooling system according to one of the preceding characteristics.
  • an energy recovery step is implemented, during which said thermostat is closed and said first, second and third pumps are activated.
  • the invention relates to a method for cooling a fuel cell using the cooling system according to one of the preceding characteristics.
  • a step of operation with full charge of said fuel cell is implemented, during which said thermostat is opened and said first and second pumps are activated.
  • the invention relates to a vehicle, in particular a motor vehicle or heavy goods vehicle, comprising a fuel cell supplying power to at least one electric machine, and a cooling system according to one of the preceding characteristics, in which said heat exchanger is arranged near an air inlet.
  • FIG. 1 illustrates a fuel cell cooling system according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 illustrates a fuel cell cooling system according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 illustrates a fuel cell cooling system according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 illustrates a fuel cell cooling system according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates a fuel cell cooling system according to a fifth embodiment of the invention.
  • FIG. 6 illustrates a fuel cell cooling system according to a sixth embodiment of the invention.
  • FIG. 7 illustrates a fuel cell cooling system according to the fourth embodiment during a fuel cell temperature rise step.
  • FIG. 8 illustrates a fuel cell cooling system according to the fifth embodiment during a fuel cell temperature rise step.
  • FIG. 9 illustrates a fuel cell cooling system according to the fourth embodiment during an energy recovery step.
  • FIG. 10 illustrates a fuel cell cooling system according to the fourth embodiment during a high load/full load operating stage of the fuel cell.
  • FIG. 11 illustrates a fuel cell cooling system according to the fifth embodiment during a high load/full load operation stage of the fuel cell.
  • the present invention relates to a cooling system for a fuel cell, preferably a fuel cell for an on-board application.
  • the cooling system includes three closed thermal fluid circulation circuits:
  • a first circuit which comprises at least one fuel cell (for its cooling), an evaporator, a first pump, a single thermostat (single thermostat of the cooling system), and a heat exchanger,
  • a second circuit which comprises, in series, at least one condenser, a second pump and a heat exchanger, which is separated from the first circuit by the thermostat of the cooling system and operates at a temperature lower than that of the first circuit.
  • this third circuit allows the recovery of energy and its valorization in the form of work.
  • a single and unique cooling fluid circulates in the liquid state in the first and second circuits, and a working fluid circulates in the third circuit alternately in the liquid state or in the gaseous state according to the zones of the circuit
  • the heat exchanger of the first circuit and the heat exchanger of the second circuit are a single and unique heat exchanger.
  • a single heat exchanger if applicable a radiator is used by the cooling system, which makes it possible to limit the size of the system.
  • the cooling fluid of the first circuit exchanges heat with the working fluid of the third circuit
  • the cooling fluid of the second circuit exchanges heat with the working fluid of the third circuit.
  • third circuit work.
  • the cooling of the fuel cell heats the cooling fluid, which heats the working fluid of the third circuit, this heat being used in the turbine of the third circuit to generate energy, for example electrical energy.
  • the single thermostat of the system according to the invention makes it possible to simplify the number of components, also reducing the bulk of the system while ensuring the functionality of regulating the temperature of the circuit.
  • a cooling system of a fuel cell integrating a Rankine cycle is achieved in a simple manner.
  • each circuit the components are connected by pipes adapted to the fluid used and to their operating conditions (in particular temperature and pressure).
  • the fuel cell can be a low-temperature fuel cell, for example a proton-exchange polymer membrane (PEM) fuel cell.
  • PEM proton-exchange polymer membrane
  • the fuel cell can be a high temperature fuel cell, for example SOFC from the English “Solid Oxide Fuel Cell” which can be translated as solid oxide fuel cell or MCFC from the English “Molten Carbonate Fuel Cell”. which can be translated as molten carbonate fuel cell.
  • the first circuit can comprise a heater.
  • This embodiment is particularly suitable for a fuel cell on board a vehicle.
  • the air heater can be used in particular for heating the passenger compartment of the vehicle, while allowing the heat to be evacuated from the fuel cell.
  • the first circuit may further comprise a bypass of the air heater, in particular when the passenger compartment of the vehicle does not need to be heated.
  • the air heater can be mounted in series with the evaporator.
  • the unit heater is the first element crossed by the cooling fluid at the outlet of the fuel cell.
  • the air heater can be mounted in parallel with the evaporator.
  • the second circuit may comprise at least one additional element to be cooled.
  • the additional element to be cooled is linked to the fuel cell: for example an electric battery connected to the fuel cell, an electric machine powered by the fuel cell, a supply of air or pure oxygen to the fuel cell fuel, and a water drain from the fuel cell, or any other element. Cooling the air or pure oxygen supply to the fuel cell can cool the compressed oxygen used within the fuel cell. Moisture-saturated air escaping from the fuel cell can also be cooled.
  • the cooling system makes it possible to cool the fuel cell as well as other elements of the vehicle's powertrain, moreover in a compact way.
  • the third circuit may comprise at least one additional element to be cooled.
  • the element to be cooled is linked to the fuel cell: a supply of air or pure oxygen to the fuel cell, and an evacuation of moist air from the fuel cell.
  • the cooling of the compressed air or pure oxygen supply of the fuel cell can also be carried out by this additional exchanger in the ORC loop.
  • the humid air produced at the exhaust of the fuel cell can also be cooled.
  • the cooling system makes it possible to cool the fuel cell, its compressed air supply as well as its humid air exhaust, in a more compact manner.
  • the system can include several types of heat exchangers.
  • the air heater (if applicable) and the heat exchanger (the radiator), can be exchangers of the liquid/air type.
  • the exchangers in the fuel cell, in the electrical machine (if applicable) and the batteries (if applicable) can be conduction exchangers between a hot body and a liquid circuit.
  • the evaporator and the condenser can be exchangers of the liquid/liquid type.
  • the single thermostat can be a three-way thermostat, having an input downstream of the cooling of the fuel cell, a first output connected to the heat exchanger (radiator), and a second output connected to a branch of the second circuit downstream of the condenser.
  • the single thermostat can be a two-way thermostat, having an inlet downstream of the fuel cell cooling, and an outlet connected to the heat exchanger.
  • a branch of the second circuit connected to the heat exchanger may comprise a valve limiting circulation in one direction in this branch of the second circuit, to prevent the cooling fluid downstream of the fuel cell from entering in this branch of the second circuit.
  • This one-way flow-limiting valve can be a pilot-operated plug valve that opens or closes electrically on demand, which includes a check valve (passes in one direction only by means of a pressure differential).
  • the coolant may comprise a mixture of ethylene glycol and water, for example up to 30 to 40% to allow frost resistance down to -20/-30°C.
  • the coolant may further comprise an anti-corrosion additive.
  • the cooling liquid can be of any type suitable for the temperatures used by the fuel cell.
  • the second circuit can comprise a temperature sensor for measuring the temperature of the cooling fluid entering the heat exchanger.
  • This temperature measurement allows the monitoring of the temperature in the second circuit, and thus allows the control of the recovery by the ORC (the third circuit). Beyond a certain temperature threshold measured by this temperature sensor, and corresponding to the opening of the thermostat, recovery can be stopped by the ORC by deactivating the third, because this means that the hot fluid of the first circuit has mixed with the cold fluid from the second circuit, and that the cooling of the ORC could be insufficient to justify continuing the recovery.
  • Figure 1 illustrates, schematically and in a non-limiting way, a cooling system of a fuel cell according to a first embodiment of the invention.
  • the cooling system comprises a first circuit c1 (dotted lines), a second circuit c2 (broken line formed by an alternation of a dash and two dots) and a third circuit c3 (continuous line formed by an alternation of a dot dash).
  • the first circuit c1 allows the cooling of the fuel cell 1.
  • the fuel cell comprises a three-way thermostat 3, a heat exchanger 6 (radiator) and an evaporator 5, and pipes for connecting the various components, in particular by forming two parallel branches downstream of the cooling of the fuel cell: one comprising the evaporator 5, and one comprising the thermostat 3 and the heat exchanger 6.
  • the second circuit c2 comprises , in series and connected by pipes, a second pump 7 and a condenser 8.
  • the second circuit c2 comprises a temperature sensor 15 upstream of the heat exchanger 6.
  • the third circuit c3 is a closed circuit according to the Rankine cycle, comprises in series and connected by pipes, an evaporator 5, a turbine 12, a condenser 8 and a third pump 11.
  • the first and second circuits c1 and c2 share a single cooling fluid.
  • the evaporator 5 of the first circuit c1 corresponds to the evaporator 5 of the third circuit c3, in which the cooling fluid of the first circuit c1 exchanges heat with the working fluid of the third circuit c3.
  • the condenser 8 of the second circuit c2 corresponds to the condenser 8 of the third circuit c3, within which the cooling fluid of the second circuit c2 exchanges heat with the working fluid of the third circuit c3.
  • Figure 2 illustrates, schematically and in a non-limiting way, a cooling system of a fuel cell according to a second embodiment of the invention. Only the elements different from the first embodiment are described.
  • the first circuit c1 further comprises a heater 4.
  • the heater 4 is placed on the branch of the first circuit c1 which includes the evaporator 5, the heater 4 being arranged between the fuel cell 1 and the evaporator 5.
  • the second circuit c2 comprises two additional elements to be cooled 9, 10, for example an electric battery connected to the fuel cell 1, and/or an electric machine connected to the fuel cell 1, and /or an oxygen or air supply to the fuel cell 1 , and/or a water discharge from the fuel cell 1 .
  • FIG. 3 illustrates, schematically and in a non-limiting way, a cooling system of a fuel cell according to a third embodiment of the invention. Only the elements different from the first embodiment are described.
  • the first circuit c1 further comprises a heater 4.
  • the heater 4 is placed on the branch of the first circuit c1 which includes the evaporator 5, the heater 4 being arranged between the fuel cell 1 and the evaporator 5.
  • the second circuit c2 comprises an additional element 9 to be cooled, for example an electric battery connected to the fuel cell 1, an electric machine connected to the fuel cell 1, an oxygen supply or air from the fuel cell 1 , and/or a water drain from the fuel cell 1 .
  • the additional element to be cooled 9 is in series downstream of the condenser 8.
  • the third circuit c3 comprises an additional element to be cooled 14, for example an air or oxygen supply to the fuel cell 1, and/or a evacuation of moist air from the fuel cell 1.
  • the element to be cooled 14 is in series upstream of the evaporator 5.
  • FIG. 4 illustrates, schematically and in a non-limiting way, a cooling system of a fuel cell according to a fourth embodiment of the invention. Only the elements different from the first embodiment are described.
  • the only thermostat 3 is a two-way thermostat 3 (one input/one output).
  • the second circuit c2 further comprises a valve 13 limiting the flow in one direction to prevent the passage of fluid from the first thermostat in the second circuit in the opposite direction to that in the second circuit.
  • Figure 5 illustrates, schematically and in a non-limiting way, a cooling system of a fuel cell according to a fifth embodiment of the invention. Only the elements different from the fourth embodiment are described.
  • the first circuit c1 further comprises a heater 4.
  • the heater 4 is placed on the branch of the first circuit c1 which includes the evaporator 5, the heater 4 being arranged between the fuel cell 1 and the evaporator 5.
  • the second circuit c2 comprises two additional elements to be cooled 9, 10, for example an electric battery connected to the fuel cell 1, and/or an electric machine connected to the fuel cell 1, and /or an oxygen or air supply to the fuel cell 1 , and/or a water discharge from the fuel cell 1 .
  • the two additional elements 9, 10 to be cooled are placed in series, downstream of the condenser 8.
  • FIG. 6 illustrates, schematically and in a non-limiting way, a cooling system of a fuel cell according to a sixth embodiment of the invention. Only the elements different from the fourth embodiment are described.
  • the first circuit c1 further comprises a heater 4.
  • the heater 4 is placed on the branch of the first circuit c1 which includes the evaporator 5, the heater 4 being arranged between the fuel cell 1 and the evaporator 5.
  • the second circuit c2 comprises an additional element to be cooled 9, for example an electric battery connected to the fuel cell 1, and/or an electric machine connected to the fuel cell 1, and/or an air oxygen supply from the fuel cell 1, and/or a water discharge from the fuel cell 1.
  • the additional element to be cooled 9 is in series downstream of the condenser 8.
  • the third circuit c3 comprises an additional element to be cooled 14, for example an air oxygen supply to the fuel cell 1, and/or a water discharge from the fuel cell 1.
  • the element to be cooled 14 is in series upstream of the evaporator 5.
  • the invention relates to a method for cooling a fuel cell, this method of cooling implementing the cooling system according to any one of the variants or combinations of variants described previously.
  • the method can implement at least one of the following three steps:
  • the second pump can also be activated if an additional element to be cooled belongs to the second circuit (for example an electric machine). For this operation, the heat exchanger is used to cool additional elements to be cooled. Alternatively (especially if the second circuit does not include additional elements to be cooled), the second pump can be deactivated.
  • an energy recovery step when the fuel cell is at its operating temperature, during which the thermostat remains closed, and the three pumps are activated.
  • the three circuits are activated, and heat is recovered by transforming it into energy by means of the Rankine cycle of the third circuit.
  • the fuel cell is then cooled indirectly by the heat exchanger via the Rankine cycle which captures the heat at high temperature from the first circuit and returns it at low temperature to the heat exchanger via the condenser of the second circuit.
  • the thermostat remains closed since the temperature of the fuel cell is regulated by the third circuit.
  • This step can remain activated as long as the capacity of the third circuit to recover the heat from the fuel cell is sufficient, and the cooling capacity of the heat exchanger is sufficient to evacuate the heat from the third circuit at low temperature.
  • the thermostat opens, and during which the first pump and the second pump are activated, and the third pump is deactivated.
  • the first circuit is activated, and the heat exchanger allows the direct cooling of the fuel cell.
  • the thermostat opens with the rise in temperature at the outlet of the fuel cell. Under these conditions, the first and second circuits hitherto separated are mixed. The operating conditions of this stage are achieved when the energy converter operates at high load and the heat to be evacuated becomes too great.
  • the second pump is also activated to provide degraded cooling at high temperature to its elements. If these elements are not present on the second circuit, the second pump can be deactivated.
  • the opening and closing of the thermostat are carried out automatically according to the temperature of the cooling fluid leaving the fuel cell.
  • FIG. 7 represents, schematically and in a non-limiting manner, the step of raising the temperature of the fuel cell for the fourth embodiment of the invention (FIG. 4) with, in addition, the presence of the heater 4 within of the first circuit.
  • the bold black lines represent the pipes in which a fluid circulates, and the thin gray lines represent the pipes without fluid circulation.
  • the first pump 2 is activated and the thermostat 3 is closed, the cooling fluid then circulates successively in the fuel cell 1, the unit heater 4, the evaporator 5, and the first pump 2. Further, valve 13 is closed.
  • FIG. 8 represents, schematically and in a non-limiting manner, the step of raising the temperature of the fuel cell for the fifth embodiment of the invention (FIG. 5).
  • the bold black lines represent the pipes in which a fluid circulates
  • the thin gray lines represent the pipes without fluid circulation.
  • the first and second pumps 2 and 7 are activated and the thermostat 3 is closed; in the first circuit, the cooling fluid then circulates successively in the fuel cell 1, the unit heater 4, the evaporator 5, and the first pump 2, and in the second circuit, the cooling fluid then circulates successively in the heat exchanger 6, the second pump 7, the condenser 8, the additional elements to be cooled 9 and 10.
  • the valve 13 is open.
  • FIG. 9 represents, schematically and in a non-limiting manner, the energy recovery step for the fourth embodiment of the invention (FIG. 4) with, in addition, the presence of the heater 4 within the first circuit.
  • the bold black lines represent the pipes in which a fluid circulates, and the thin gray lines represent the pipes without fluid circulation.
  • the three pumps 2, 7 and 11 are activated, and the thermostat is closed: the three circuits are active. Furthermore, valve 13 is open.
  • the cooling fluid then circulates successively in the fuel cell 1, the unit heater 4, the evaporator 5, and the first pump 2.
  • the cooling fluid circulates successively in the heat exchanger 6, in the second pump 7 and in the condenser 8 and the valve 13.
  • the working fluid circulates successively in the third pump 11, in the evaporator 5, in the turbine 12 and in the condenser 8.
  • the fifth embodiment of Figure 5 operates in a similar way for this energy recovery step, with activation of the three pumps.
  • FIG. 10 represents, schematically and in a non-limiting manner, the step of high load/full load of the fuel cell for the fourth embodiment of the invention (FIG. 4) with, in addition, the presence of the heater 4
  • the bold black lines represent the pipes in which a fluid circulates
  • the thin gray lines represent the pipes without fluid circulation.
  • the first pump 2 is activated and the thermostat 3 is open, the cooling fluid then circulates in the first pump 2 and the fuel cell 1, then in a first branch comprising the heater 4, the evaporator 5, and in parallel with the first branch in a second branch which comprises the thermostat 3 and the heat exchanger 6.
  • the valve 13 is closed.
  • FIG. 11 represents, schematically and in a non-limiting manner, the high charge/full charge stage of the fuel cell for the fifth embodiment (FIG. 5).
  • the bold black lines represent the pipes in which a fluid circulates, and the thin gray lines represent the pipes without fluid circulation.
  • thermostat 3 is open.
  • valve 13 is open but imposes the direction of fluid circulation.
  • the cooling fluid then circulates in the first pump 2 and the fuel cell 1, then in a first branch comprising the heater 4, the evaporator 5, and in parallel with the first branch in a second branch which comprises the thermostat 3 and the heat exchanger 6.
  • the cooling fluid then circulates successively through the heat exchanger 6, the second pump 7, the condenser 8, the additional elements to be cooled 9 and 10
  • the cooling fluid of the first circuit is mixed with the cooling fluid of the second circuit at the inlet of the heat exchanger 6.
  • the cooling fluid is separated into two portions , one for the first circuit and the other for the second circuit.
  • the invention relates to a vehicle, in particular an automobile road vehicle or heavy goods vehicle (or also a bus, a boat, an airplane, a hovercraft, an amphibious vehicle, etc.), comprising a fuel cell supplying at least one electric machine, and a cooling system according to any one of the variants or combinations of variants described above.
  • the heat exchanger is arranged close to an air inlet: in other words, the heat exchanger is a vehicle radiator.
  • the vehicle can implement one of the steps of the method according to any one of the variants or combinations of variants described previously.
  • the invention also relates to a fuel cell for a stationary system, the fuel cell being equipped with a cooling system according to any one of the preceding characteristics.
  • the fuel cell can implement one of the steps of the method according to any one of the variants or combinations of variants described previously.

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Abstract

La présente invention concerne un système et un procédé de refroidissement d'une pile à combustible (1) mettant en oeuvre trois circuits (c1, c2, c3) avec un unique radiateur (6) et un unique thermostat (3), et un des circuits étant un circuit fermé selon le cycle de Rankine pour récupérer la chaleur émise par la pile à combustible (1).

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE REFROIDISSEMENT D’UNE PILE A COMBUSTIBLE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine du refroidissement d’une pile à combustible, notamment d’une pile à combustible embarquée, en particulier dans un véhicule.
De nombreux travaux sont consacrés actuellement au développement des piles à combustible en tant que sources d'énergie électrique pour l'alimentation, tant pour des applications stationnaires, que pour des applications embarquées, notamment pour des véhicules entraînés par des machines électriques. En effet, les avantages environnementaux des piles à combustible (rendements électrique et énergétique élevés, très faibles émissions de gaz nocifs, faible nuisance sonore, production localisée...) sont des atouts qui deviennent importants, en particulier pour le domaine du transport.
Une pile à combustible permet de transformer une énergie chimique en énergie électrique. Dans le cas d’une pile à combustible hydrogène/oxygène, la réaction chimique mise en oeuvre est une combustion de l’hydrogène dans l’oxygène, dont la réaction peut s’écrire par l’équation :
1
H2 + — 02 ® H2O
Au sein d’une pile à combustible, l’oxydation électrochimique de l’hydrogène est réalisée au niveau d’une anode constituée d’un matériau catalytique conducteur, alors que la réduction électrochimique de l’oxygène se produit au niveau d’une cathode généralement constituée d’un même matériau catalytique. De plus, les compartiments anodique et cathodique sont séparés par un électrolyte permettant l’échange de protons ou d’ions.
Pour les véhicules automobiles, les piles à combustible qui s'avèrent actuellement les plus prometteuses sont les piles dites à membrane échangeuse de protons, fonctionnant à partir d'une source d'hydrogène provenant soit d'une bouteille embarquée dans le véhicule, soit d'une unité produisant directement de l'hydrogène dans le véhicule. C'est ainsi que l'on peut produire directement de l'hydrogène en utilisant un reformeur fonctionnant avec un carburant approprié, tel que le méthanol, l'essence, le gazole, etc. Dans un véhicule automobile du type précité, il faut non seulement refroidir le moteur électrique assurant la propulsion du véhicule ainsi que la commande de puissance dudit moteur, sa batterie éventuellement s’il en est équipé mais aussi la pile à combustible elle-même puisque cette dernière est génératrice de pertes thermiques liées aux réactions chimiques se déroulant aux électrodes, et aux pertes ohmiques à la membrane.
La chaleur générée par la pile à combustible, est généralement de l’énergie perdue, qu’il pourrait être intéressant de récupérer pour augmenter l’efficacité globale du système.
Ces problèmes liés à la gestion du refroidissement de la pile à combustible sont particulièrement contraints pour les applications embarquées, en particulier au sein des véhicules. En effet, le dimensionnement du système de refroidissement et de récupération de la chaleur doit être ajusté à la place disponible.
Technique antérieure
Comme cela est largement connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique par lequel de la chaleur provenant d'une source de chaleur externe est transmise à un circuit fermé qui contient un fluide, appelé fluide de travail ou fluide caloporteur. Lorsque ce cycle met en oeuvre un fluide organique, on parle de cycle de Rankine organique ou ORC. Ce type de cycle se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé sous forme liquide, est comprimé de manière isentropique, suivie d'une étape où ce fluide liquide comprimé est chauffé et vaporisé au contact d'une source de chaleur. Cette vapeur est ensuite détendue, au cours d'une autre étape, de manière isentropique dans une machine de détente, puis, dans une dernière étape, cette vapeur détendue est refroidie et condensée au contact d'une source froide. Pour réaliser ces différentes étapes, le circuit comprend généralement une pompe compresseur pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un évaporateur qui est balayé par un fluide chaud pour réaliser la vaporisation au moins partielle du fluide comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur surchauffée, telle qu'une turbine, qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un condenseur grâce auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cédée à une source froide, généralement de l'air extérieur qui balaye ce condenseur ou une boucle liquide à basse température, pour transformer cette vapeur en un fluide sous forme liquide.
Dans le domaine des piles à combustibles, les cycles de Rankine conventionnels peuvent consister en l’insertion d’une boucle de fluide caloporteur pour la valorisation des pertes thermiques des piles à combustible, cette récupération peut s’effectuer notamment sur le circuit de refroidissement de la pile à combustible. Dans ces conditions, la récupération doit être contrôlée notamment en condition de pile à combustible froide (en montée de température) de manière à ne pas pénaliser la montée en température de la pile à combustible, pouvant nuire au rendement de celle-ci. Une fois la pile à combustible arrivée à température idéale de fonctionnement, le thermostat situé en aval de l’échangeur du circuit de Rankine renvoie vers le radiateur l’excès de calories du circuit de refroidissement non prélevées par le cycle de Rankine.
Sur les véhicules légers ou lourds, l’augmentation des besoins de refroidissement et les différents niveaux de température de régulation, à savoir à haute température (HT) de 80 à 100°C pour la pile à combustible et à basse température (BT) de 30 à 60°C pour la machine électrique, les batteries, les organes électriques et l’alimentation de la pile à combustible, nécessitent l’utilisation de plusieurs circuits de refroidissement dédiés et séparés ainsi que la mise en oeuvre de plusieurs radiateurs pour évacuer les calories de chaque circuit en face avant du véhicule. Avec la complexification des véhicules et l’ajout de fonctions nécessitant un refroidissement, l’espace disponible pour loger les radiateurs en face avant est très contraint, et nécessite l’optimisation de l’espace disponible. Bien souvent un radiateur haute température et un radiateur basse température sont ainsi placés en cascade l’un devant l’autre ou l’un à côté de l’autre avec des effets de masque, ce qui nuit à leur efficacité et laisse peu de possibilité d’augmentation de puissance de refroidissement utile nécessaire en cas d’ajout d’un ORC basse température qui nécessite un refroidissement sur son condenseur.
La demande de brevet CN 111911254 propose un dispositif de refroidissement avec un radiateur à air unique partagé pour le refroidissement du système ORC et de la pile à combustible. Ce système nécessite deux vannes trois et quatre voies pour permettre l’utilisation du radiateur pour l’une ou l’autre des fonctions de refroidissement. Une telle construction est donc complexe, avec des nombreux actionneurs. De plus, l’évaporateur du cycle ORC est placé en aval d’une des vannes, ce qui impose un contrôle spécifique pour le passage du liquide de refroidissement dans l’évaporateur.
La demande de brevet CN 110911711 concerne le couplage d’un compresseur d’air de pile à combustible avec une turbine d’ORC, de manière à limiter l’énergie nécessaire pour le compresseur d’air. Un radiateur unique est utilisé pour ce système, toutefois dans ce système, la boucle ORC est utilisée comme une boucle de transfert, ce qui nécessite une intégration spécifique et ne rend pas possible le refroidissement de la pile à combustible sans passer par la boucle ORC. La demande de brevet JP 2009283178 concerne le couplage d’un système ORC avec une pile à combustible pour véhicule. Ce couplage nécessite deux radiateurs indépendants : un pour la pile à combustible et un pour le cycle ORC.
De plus, plusieurs demandes de brevet (US2016156083, US2010291455) traitent par ailleurs du couplage d’un système ORC avec une pile à combustible pour valoriser les pertes thermiques de la pile à combustible en électricité soit sur la partie échappement de la pile à combustible ou sur la partie refroidissement. La plupart des brevets concernent des piles à combustible typées hautes températures (par exemple SOFC de l’anglais « Solid Oxide Fuel Cell » pouvant être traduit par pile à combustible à oxyde solide et MCFC de l’anglais « Molten Carbonate Fuel Cell » pouvant être traduit par pile à combustible à carbonate fondu) pour des applications stationnaires et ne traitent donc pas spécifiquement du couplage du système de refroidissement de la pile à combustible et du système ORC pour des besoins de réduction de l’encombrement. Les systèmes décrits dans ces demandes de brevet ne peuvent pas être utilisés pour une pile à combustible embarquée.
En outre, le brevet US10577984 concerne une solution pour transférer l’énergie thermique d’une source chaude (un moteur à combustion ou un autre convertisseur) vers un système de refroidissement qui comprend notamment un radiateur à air via un système de valorisation de l’énergie thermique perdue : un système ORC. Dans ce brevet, le radiateur à air est partagé entre le convertisseur d’énergie, ici le moteur thermique, et le système ORC qui doit être refroidi à basse température. Dans ce brevet, plusieurs architectures de circuits de refroidissement sont proposées. Un circuit élémentaire dans lequel seul le circuit ORC est raccordé au radiateur (figure 1 de ce brevet). Dans cette configuration, le système ORC doit être capable de capter toute la puissance thermique du moteur et de la transférer vers le radiateur à basse température via le condenseur ORC. Par ailleurs, il ne permet pas un refroidissement du moteur en cas de défaillance de l’ORC. L’évaporateur est placé sur une branche du circuit de refroidissement du convertisseur d’énergie parallèle à une branche équipée d’une vanne trois voies permettant la régulation thermostatique. Une pompe assure la circulation du fluide caloporteur entre le moteur à refroidir et l’évaporateur ORC. Le circuit condenseur ORC est raccordé au radiateur mais aucune pompe de circulation n’est utilisée. D’autres architectures sont proposées avec une ou plusieurs vannes trois voies (thermostatées) et plusieurs pompes pour permettre selon les cas de figure de transférer la chaleur du moteur vers le radiateur via l’ORC ou directement vers le radiateur sans passer par le cycle ORC lorsque les capacités maximales d’échange du radiateur via l’ORC sont atteintes. Dans ces conditions, la température du fluide de refroidissement arrivant au radiateur augmente ce qui améliore sa capacité d’échange. La performance de l’ORC est alors dégradée car la température de sa source froide augmente. Dans les architectures proposées sur les figures 2 et 3 de ce brevet, l’évaporateur ORC est positionné sur une branche parallèle et en amont de la vanne trois voies (thermostat), ce qui permet de délester le moteur thermique vers le radiateur en cas de surcharge thermique non récupérable par celui-ci. Dans ces cas de figure, il est précisé que l’eau chaude du moteur renvoyé au radiateur se mélange à l’eau froide à la jonction ce qui cause un réchauffement de l’eau de refroidissement du circuit ORC et donc une dégradation de la performance de celui-ci.
Résumé de l’invention
L’invention a pour but de refroidir et récupérer la chaleur d’une pile à combustible, avec un encombrement réduit (pour le cas échéant faciliter son utilisation de manière embarquée), et une construction simple. Pour cela, la présente invention concerne un système et un procédé de refroidissement d’une pile à combustible mettant en oeuvre trois circuits avec un unique radiateur et un unique thermostat, et un des circuits étant un circuit fermé selon le cycle de Rankine pour récupérer la chaleur émise par la pile à combustible. L’unique radiateur et l’unique thermostat permettent de simplifier le nombre de composants, réduisant ainsi l’encombrement du système.
L’invention concerne un système de refroidissement d’une pile à combustible, notamment une pile à combustible apte à être embarquée dans un véhicule, de préférence une pile à combustible de type membrane échangeuse de protons, ou une pile à combustible à oxyde solide ou une pile à combustible à carbonate fondu, ledit système de refroidissement comprenant trois circuits fermés de circulation de fluide thermique, un premier circuit comprenant au moins une pile à combustible, un évaporateur, une première pompe, un unique thermostat et un échangeur de chaleur, un deuxième circuit comprenant au moins un condenseur, une deuxième pompe et un échangeur de chaleur montés en série, et un troisième circuit, selon le cycle de Rankine, comprenant au moins ledit évaporateur, ledit condenseur, une turbine et une troisième pompe montés en série. Dans ce système de refroidissement :
- un seul et unique fluide de refroidissement circule dans lesdits premier et deuxième circuits, et un fluide de travail circule dans ledit troisième circuit,
- ledit échangeur de chaleur dudit premier circuit et ledit échangeur de chaleur dudit deuxième circuit sont un seul et unique échangeur de chaleur, - ledit évaporateur étant configuré pour que ledit fluide de refroidissement dudit premier circuit échange de la chaleur avec ledit fluide de travail dudit troisième circuit, et
- le condenseur étant configuré pour que ledit fluide de refroidissement dudit deuxième circuit échange de la chaleur avec ledit fluide de travail dudit troisième circuit.
Selon un mode de réalisation, ledit premier circuit comprend un aérotherme, de préférence en série ou en parallèle dudit évaporateur.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, ledit deuxième circuit comprend au moins un élément à refroidir, de préférence choisi une batterie électrique, préférentiellement une batterie électrique connectée à ladite pile à combustible, une machine électrique connectée à ladite pile à combustible, une alimentation en air ou oxygène pur de ladite pile à combustible, une évacuation d’air humide de ladite pile à combustible.
Selon une option de réalisation, ledit troisième circuit comprend au moins un élément à refroidir, de préférence une alimentation en air ou oxygène pur de ladite pile à combustible et/ou une évacuation d’air humide de ladite pile à combustible.
Selon un aspect, ledit thermostat est un thermostat trois voies.
En variante, ledit thermostat est un thermostat deux voies, et ledit deuxième circuit comprend une vanne bouchon à clapet anti-retour limitant la circulation dans un sens unique.
En outre, l’invention concerne un procédé de refroidissement d’une pile à combustible mettant en oeuvre le système selon l’une des caractéristiques précédentes. Pour ce procédé, on met en oeuvre une étape de montée en température de ladite pile à combustible, pendant laquelle on ferme ledit thermostat, et on active ladite première pompe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, pendant l’étape de montée en température de ladite pile à combustible, on active en outre ladite deuxième pompe.
L’invention concerne également un procédé de refroidissement d’une pile à combustible mettant en oeuvre le système de refroidissement selon l’une des caractéristiques précédentes. Pour ce procédé, on met en oeuvre une étape de récupération d’énergie, pendant laquelle on ferme ledit thermostat et on active lesdites première, deuxième et troisième pompes.
De plus, l’invention concerne un procédé de refroidissement d’une pile à combustible mettant en oeuvre le système de refroidissement selon l’une des caractéristiques précédentes. Pour ce procédé, on met en oeuvre une étape de fonctionnement en pleine charge de ladite pile à combustible, pendant laquelle on ouvre ledit thermostat et on active lesdites première et deuxième pompes.
En outre, l’invention concerne un véhicule, notamment véhicule automobile ou poids lourd, comprenant une pile à combustible alimentant au moins une machine électrique, et un système de refroidissement selon l’une des caractéristiques précédentes, dans lequel ledit échangeur de chaleur est agencé à proximité d’une arrivée d’air.
D'autres caractéristiques et avantages du système et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un troisième mode de réalisation de l’invention. La figure 4 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
La figure 5 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un cinquième mode de réalisation de l’invention.
La figure 6 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un sixième mode de réalisation de l’invention.
La figure 7 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon le quatrième mode de réalisation pendant une étape de montée en température de la pile à combustible. La figure 8 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon le cinquième mode de réalisation pendant une étape de montée en température de la pile à combustible.
La figure 9 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon le quatrième mode de réalisation pendant une étape de récupération d’énergie.
La figure 10 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon le quatrième mode de réalisation pendant une étape de fonctionnement en forte charge / pleine charge de la pile à combustible.
La figure 11 illustre un système de refroidissement d’une pile à combustible selon le cinquième mode de réalisation pendant une étape de fonctionnement en forte charge / pleine charge de la pile à combustible.
Description des modes de réalisation
La présente invention concerne un système de refroidissement d’une pile à combustible, de préférence une pile à combustible pour une application embarquée.
Le système de refroidissement comprend trois circuits fermés de circulation du fluide thermique :
- un premier circuit qui comprend au moins une pile à combustible (pour son refroidissement), un évaporateur, une première pompe, un unique thermostat (unique thermostat du système de refroidissement), et un échangeur de chaleur,
- un deuxième circuit qui comprend, en série, au moins un condenseur, une deuxième pompe et un échangeur de chaleur, qui est séparé du premier circuit par le thermostat du système de refroidissement et fonctionne à une température inférieure à celle du premier circuit.
- un troisième circuit selon le cycle de Rankine, qui comprend, en série, au moins un évaporateur, une turbine, un condenseur, et une troisième pompe, ce troisième circuit permet la récupération d’énergie et sa valorisation sous forme de travail.
Selon l’invention, un seul et unique fluide de refroidissement circule à l’état liquide dans les premier et deuxième circuits, et un fluide de travail circule dans le troisième circuit alternativement à l’état liquide ou à l’état gazeux selon les zones du circuit De plus, l’échangeur de chaleur du premier circuit et l’échangeur de chaleur du deuxième circuit sont un seul et unique échangeur de chaleur. Ainsi, un seul échangeur de chaleur (le cas échéant un radiateur) est utilisé par le système de refroidissement, ce qui permet de limiter l’encombrement du système.
En outre, au sein de l’évaporateur, le fluide de refroidissement du premier circuit échange de chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit, et au sein du condenseur, le fluide de refroidissement du deuxième circuit échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit. Ainsi, le refroidissement de la pile à combustible réchauffe le fluide de refroidissement, qui réchauffe le fluide de travail du troisième circuit, cette chaleur étant utilisée dans la turbine du troisième circuit pour générer une énergie, par exemple une énergie électrique.
L’unique thermostat du système selon l’invention permet de simplifier le nombre de composants, réduisant également l’encombrement du système tout en assurant la fonctionnalité de régulation de la température du circuit. Ainsi, un système de refroidissement d’une pile à combustible intégrant un cycle de Rankine est réalisé de manière simple.
Au sein de chaque circuit, les composants sont reliés par des conduites adaptées au fluide mis en oeuvre et à leurs conditions opératoires (notamment température et pression).
De manière avantageuse, la pile à combustible peut être une pile à combustible basse température, par exemple une pile à combustible à membrane polymère échangeuse de protons (PEM de l’anglais « Polymer Electrolyte Membrane »). Ce type de pile à combustible est actuellement la plus adaptée à des applications mobiles, en raison notamment de son coût. Alternativement, la pile à combustible peut être une pile à combustible haute température, par exemple SOFC de l’anglais « Solid Oxide Fuel Cell » pouvant être traduit par pile à combustible à oxyde solide ou MCFC de l’anglais « Molten Carbonate Fuel Cell » pouvant être traduit par pile à combustible à carbonate fondu.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le premier circuit peut comprendre un aérotherme. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour une pile à combustible embarquée au sein d’un véhicule. En effet, l’aérotherme peut servir notamment pour le chauffage de l’habitacle du véhicule, tout en permettant d’évacuer la chaleur de la pile à combustible. De plus, le premier circuit peut comprendre en outre un bypass de l’aérotherme, notamment lorsque l’habitacle du véhicule n’a pas besoin d’être chauffé.
Selon une mise en oeuvre de ce mode de réalisation, l’aérotherme peut être monté en série de l’évaporateur. De préférence, l’aérotherme est le premier élément traversé par le fluide de refroidissement en sortie de la pile à combustible.
Alternativement, l’aérotherme peut être monté en parallèle de l’évaporateur.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, le deuxième circuit peut comprendre au moins un élément supplémentaire à refroidir. De préférence, l’élément supplémentaire à refroidir est lié à la pile à combustible : par exemple une batterie électrique connectée à la pile à combustible, une machine électrique alimentée par la pile à combustible, une alimentation en air ou en oxygène pur de la pile à combustible, et une évacuation d’eau de la pile à combustible, ou tout autre élément. Le refroidissement de l’alimentation en air ou en oxygène pur de la pile à combustible peut permettre de refroidir l’oxygène comprimé utilisé au sein de la pile à combustible. L’air saturé en humidité qui s’échappe de la pile à combustible peut également être refroidi. Ainsi, le système de refroidissement permet de refroidir la pile à combustible ainsi que d’autres éléments de la chaîne de traction du véhicule, de plus de manière compacte.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, le troisième circuit peut comprendre au moins un élément supplémentaire à refroidir. De préférence, l’élément à refroidir est lié à la pile à combustible : une alimentation en air ou en oxygène pur de la pile à combustible, et une évacuation d’air humide de la pile à combustible. Le refroidissement de l’alimentation en air ou en oxygène pur comprimé de la pile à combustible peut également être effectué par cet échangeur supplémentaire dans la boucle ORC. L’air humide produit à l’échappement de la pile à combustible peut être également refroidi. Ainsi, le système de refroidissement permet de refroidir la pile à combustible, son alimentation en air comprimé ainsi que son évacuation d’air humide, de plus de manière compacte.
Le système peut comprendre plusieurs types d’échangeurs thermiques. L’aérotherme (le cas échéant) et l’échangeur de chaleur (le radiateur), peuvent être des échangeurs du type liquide/air. Les échangeurs dans la pile à combustible, dans la machine électrique (le cas échéant) et les batteries (le cas échéant) peuvent être des échangeurs de conduction entre un corps chaud et un circuit de liquide. L’évaporateur et le condenseur peuvent être des échangeurs du type liquide/liquide.
Selon un aspect de l’invention, l’unique thermostat peut être un thermostat trois voies, ayant une entrée en aval du refroidissement de la pile à combustible, une première sortie reliée à l’échangeur de chaleur (radiateur), et une deuxième sortie connectée à une branche du deuxième circuit en aval du condenseur.
Alternativement, l’unique thermostat peut être un thermostat deux voies, ayant une entrée en aval du refroidissement de la pile à combustible, et une sortie reliée à l’échangeur de chaleur. Pour cette réalisation, une branche du deuxième circuit reliée à l’échangeur de chaleur peut comprendre une vanne limitant la circulation dans un sens unique dans cette branche du deuxième circuit, pour éviter que le fluide de refroidissement en aval de pile à combustible n’entre dans cette branche du deuxième circuit. Cette vanne limitant la circulation dans un sens unique peut être une vanne bouchon pilotée qui s’ouvre ou se ferme électriquement à la demande, qui comporte un clapet anti-retour (passe dans un seul sens au moyen d’un différentiel de pression).
Selon un exemple de réalisation, le liquide de refroidissement peut comprendre un mélange éthylène glycol et eau, par exemple à hauteur de 30 à 40% pour permettre une tenue au gel jusqu’à -20/-30°C. Le liquide de refroidissement peut comprendre en outre un additif anticorrosion. Alternativement, le liquide de refroidissement peut être de tout type adapté aux températures mises en oeuvre par la pile à combustible.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, le deuxième circuit peut comprendre un capteur de température pour la mesure de la température du fluide de refroidissement en entrée de l’échangeur de chaleur. Cette mesure de température permet le suivi de la température dans le deuxième circuit, et permet ainsi le contrôle de la récupération par l’ORC (le troisième circuit). Au-delà d’un certain seuil de température mesuré par ce capteur de température, et correspondant à l’ouverture du thermostat, on peut arrêter la récupération par l’ORC en désactivant la troisième, car cela signifie que le fluide chaud du premier circuit s’est mélangé avec le fluide froid du deuxième circuit, et que le refroidissement de l’ORC pourrait être non satisfaisant pour justifier de poursuivre la récupération. La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, les traits continus représentent les conduites, et les flèches illustrent l’air (ou tout autre gaz) venant échanger de la chaleur dans l’échangeur de chaleur 6, par exemple un radiateur. Le système de refroidissement comprend un premier circuit c1 (traits pointillés), un deuxième circuit c2 (ligne discontinue formée d’une alternance d’un tiret et deux points) et un troisième circuit c3 (ligne continue formée d’une alternance d’un tiret d’un point). Le premier circuit c1 permet le refroidissement de la pile à combustible 1. Pour cela, il comprend une première pompe 2, la pile à combustible 1 , un thermostat trois voies 3, un échangeur de chaleur 6 (radiateur) et un évaporateur 5, et des conduites pour relier les différents composants, en formant notamment deux branches parallèles en aval du refroidissement de la pile à combustible : une comprenant l’évaporateur 5, et une comprenant le thermostat 3 et l’échangeur de chaleur 6. Le deuxième circuit c2 comprend, en série et relié par des conduites, une deuxième pompe 7 et un condenseur 8. En outre, le deuxième circuit c2 comprend un capteur de température 15 en amont de l’échangeur de chaleur 6. Le troisième circuit c3 est un circuit fermé selon le cycle de Rankine, comprend en série et relié par des conduites, un évaporateur 5, une turbine 12, un condenseur 8 et une troisième pompe 11. Les premiers et deuxième circuits c1 et c2 partagent un unique fluide de refroidissement. L’évaporateur 5 du premier circuit c1 correspond à l’évaporateur 5 du troisième circuit c3, au sein duquel le fluide de refroidissement du premier circuit c1 échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit c3. Le condenseur 8 du deuxième circuit c2 correspond au condenseur 8 du troisième circuit c3, au sein duquel le fluide de refroidissement du deuxième circuit c2 échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit c3.
La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Seuls les éléments différents du premier mode de réalisation sont décrits. Pour ce mode de réalisation, le premier circuit c1 comprend en outre un aérotherme 4. L’aérotherme 4 est placé sur la branche du premier circuit c1 qui comprend l’évaporateur 5, l’aérotherme 4 étant agencé entre la pile à combustible 1 et l’évaporateur 5. De plus, le deuxième circuit c2 comprend deux éléments supplémentaires à refroidir 9, 10, par exemple une batterie électrique connectée à la pile à combustible 1 , et/ou une machine électrique connectée à la pile à combustible 1 , et/ou une alimentation en oxygène ou en air de la pile à combustible 1 , et/ou une évacuation d’eau de la pile à combustible 1 . Les deux éléments supplémentaires 9, 10 à refroidir sont placés en série, en aval du condenseur 8. La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Seuls les éléments différents du premier mode de réalisation sont décrits. Pour ce mode de réalisation, le premier circuit c1 comprend en outre un aérotherme 4. L’aérotherme 4 est placé sur la branche du premier circuit c1 qui comprend l’évaporateur 5, l’aérotherme 4 étant agencé entre la pile à combustible 1 et l’évaporateur 5. De plus, le deuxième circuit c2 comprend un élément supplémentaire à refroidir 9, par exemple une batterie électrique connectée à la pile à combustible 1 , une machine électrique connectée à la pile à combustible 1 , une alimentation en oxygène ou en air de la pile à combustible 1 , et/ou une évacuation d’eau de la pile à combustible 1 . L’élément supplémentaire à refroidir 9 est en série en aval du condenseur 8. En outre, le troisième circuit c3 comprend un élément supplémentaire à refroidir 14, par exemple une alimentation en air ou oxygène de la pile à combustible 1 , et/ou une évacuation d’air humide de la pile à combustible 1. L’élément à refroidir 14 est en série en amont de l’évaporateur 5.
La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. Seuls les éléments différents du premier mode de réalisation sont décrits. Dans ce mode de réalisation, l’unique thermostat 3 est un thermostat deux voies 3 (une entrée/une sortie). Pour ce mode de réalisation, le deuxième circuit c2 comprend en outre une vanne 13 limitant la circulation dans un sens unique pour éviter le passage du fluide en provenance du premier thermostat dans le deuxième circuit en sens inverse de celui dans le deuxième circuit.
La figure 5 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un cinquième mode de réalisation de l’invention. Seuls les éléments différents du quatrième mode de réalisation sont décrits. Pour ce mode de réalisation, le premier circuit c1 comprend en outre un aérotherme 4. L’aérotherme 4 est placé sur la branche du premier circuit c1 qui comprend l’évaporateur 5, l’aérotherme 4 étant agencé entre la pile à combustible 1 et l’évaporateur 5. De plus, le deuxième circuit c2 comprend deux éléments supplémentaires à refroidir 9, 10, par exemple une batterie électrique connectée à la pile à combustible 1 , et/ou une machine électrique connectée à la pile à combustible 1 , et/ou une alimentation en oxygène ou en air de la pile à combustible 1 , et/ou une évacuation d’eau de la pile à combustible 1 . Les deux éléments supplémentaires 9, 10 à refroidir sont placés en série, en aval du condenseur 8.
La figure 6 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système de refroidissement d’une pile à combustible selon un sixième mode de réalisation de l’invention. Seuls les éléments différents du quatrième mode de réalisation sont décrits. Pour ce mode de réalisation, le premier circuit c1 comprend en outre un aérotherme 4. L’aérotherme 4 est placé sur la branche du premier circuit c1 qui comprend l’évaporateur 5, l’aérotherme 4 étant agencé entre la pile à combustible 1 et l’évaporateur 5. De plus, le deuxième circuit c2 comprend un élément supplémentaire à refroidir 9, par exemple une batterie électrique connectée à la pile à combustible 1 , et/ou une machine électrique connectée à la pile à combustible 1 , et/ou une alimentation en oxygène en air de la pile à combustible 1 , et/ou une évacuation d’eau de la pile à combustible 1. L’élément supplémentaire à refroidir 9 est en série en aval du condenseur 8. En outre, le troisième circuit c3 comprend un élément supplémentaire à refroidir 14, par exemple une alimentation en oxygène en air de la pile à combustible 1 , et/ou une évacuation d’eau de la pile à combustible 1. L’élément à refroidir 14 est en série en amont de l’évaporateur 5.
En outre, l’invention concerne un procédé de refroidissement d’une pile à combustible, ce procédé de refroidissement mettant en oeuvre le système de refroidissement selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites précédemment. Le procédé peut mettre en oeuvre au moins une des trois étapes suivantes :
- une étape de montée en température de la pile à combustible (c’est-à-dire lorsque la pile à combustible n’a pas atteint sa température de fonctionnement optimale), pendant laquelle le thermostat reste fermé, et on active la première pompe et on désactive la troisième pompe, ainsi le premier circuit est activé alors que le troisième circuit est désactivé. Ainsi la chaleur générée par la pile à combustible est conservée pour sa montée en température. Selon un mode de réalisation de cette étape, on peut activer également la deuxième pompe si un élément supplémentaire à refroidir appartient au deuxième circuit (par exemple une machine électrique). Pour ce fonctionnement, l’échangeur de chaleur est utilisé pour refroidir des éléments supplémentaires à refroidir. Alternativement (notamment si le deuxième circuit ne comprend pas d’éléments supplémentaire à refroidir), on peut désactiver la deuxième pompe.
- une étape de récupération d’énergie lorsque la pile à combustible est à sa température de fonctionnement, pendant laquelle le thermostat reste fermé, et on active les trois pompes. Ainsi, les trois circuits sont activés, et on récupère de la chaleur en la transformant en énergie au moyen du cycle de Rankine du troisième circuit. Pour cette étape, la pile à combustible est alors refroidie de façon indirecte par l’échangeur de chaleur via le cycle de Rankine qui capte la chaleur à haute température du premier circuit et la restitue à basse température à l’échangeur de chaleur via le condenseur du deuxième circuit. Le thermostat reste fermé étant donné que la température de la pile à combustible est régulée par le troisième circuit. Cette étape peut rester activée tant que la capacité du troisième circuit à valoriser la chaleur de la pile à combustible est suffisante, et que la capacité de refroidissement de l’échangeur de chaleur est suffisante pour évacuer la chaleur du troisième circuit à basse température.
- une phase de forte charge / pleine charge de la pile à combustible, pendant laquelle le thermostat s’ouvre, et pendant laquelle on active la première pompe et la deuxième pompe, et on désactive la troisième pompe. Ainsi, le premier circuit est activé, et l’échangeur de thermique permet le refroidissement direct de la pile à combustible. Lorsque les capacités de refroidissement de l’échangeur de chaleur sont atteintes ou que les capacités de récupération de la turbine du cycle ORC sont saturées, le thermostat s’ouvre avec l’élévation de la température en sortie de la pile à combustible. Dans ces conditions, les premier et deuxième circuits jusqu’alors séparés sont mélangés. Les conditions de fonctionnement de cette étape sont réalisées lorsque le convertisseur d’énergie fonctionne à charge élevée et que la chaleur à évacuer devient trop importante. Si un élément supplémentaire à refroidir (par exemple une machine électrique, une batterie) est présent sur le deuxième circuit, la deuxième pompe est également activée pour assurer un refroidissement dégradé à haute température à ses éléments. Si ces éléments ne sont pas présents sur le deuxième circuit, la deuxième pompe peut être désactivée.
Pour ces étapes, l’ouverture et la fermeture du thermostat sont réalisés automatiquement en fonction de la température du fluide de refroidissement en sortie de la pile à combustible.
La figure 7 représente, schématiquement et de manière non limitative, l’étape de montée en température de la pile à combustible pour le quatrième mode de réalisation de l’invention (figure 4) avec en outre la présence de l’aérotherme 4 au sein du premier circuit. Sur cette figure, les traits en gras en noir représentent les conduites dans lesquelles circule un fluide, et les traits fins en gris représentent les conduites sans circulation de fluide. Pour ce mode de réalisation, seule la première pompe 2 est activée et le thermostat 3 est fermé, le fluide de refroidissement circule alors successivement dans la pile à combustible 1 , l’aérotherme 4, l’évaporateur 5, et la première pompe 2. En outre, la vanne 13 est fermée.
La figure 8 représente, schématiquement et de manière non limitative, l’étape de montée en température de la pile à combustible pour le cinquième mode de réalisation de l’invention (figure 5). Sur cette figure, les traits noirs en gras représentent les conduites dans lesquelles circule un fluide, et les traits fins en gris représentent les conduites sans circulation de fluide. Pour ce mode de réalisation, seules les première et deuxième pompes 2 et 7 sont activées et le thermostat 3 est fermé ; dans le premier circuit, le fluide de refroidissement circule alors successivement dans la pile à combustible 1 , l’aérotherme 4, l’évaporateur 5, et la première pompe 2, et dans le deuxième circuit, le fluide de refroidissement circule alors successivement dans l’échangeur de chaleur 6, la deuxième pompe 7, le condenseur 8, les éléments supplémentaires à refroidir 9 et 10. Pour ce fonctionnement, la vanne 13 est ouverte.
La figure 9 représente, schématiquement et de manière non limitative, l’étape de récupération d’énergie pour le quatrième mode de réalisation de l’invention (figure 4) avec en outre la présence de l’aérotherme 4 au sein du premier circuit. Sur cette figure, les traits noirs en gras représentent les conduites dans lesquelles circule un fluide, et les traits fins en gris représentent les conduites sans circulation de fluide. Pour ce mode de réalisation, les trois pompes 2, 7 et 11 sont activées, et le thermostat est fermé: les trois circuits sont actifs. En outre, la vanne 13 est ouverte. Dans le premier circuit, le fluide de refroidissement circule alors successivement dans la pile à combustible 1 , l’aérotherme 4, l’évaporateur 5, et la première pompe 2. Dans le deuxième circuit, le fluide de refroidissement circule successivement dans l’échangeur de chaleur 6, dans la deuxième pompe 7 et dans le condenseur 8 et la vanne 13. Dans le troisième circuit, le fluide de travail circule successivement dans la troisième pompe 11 , dans l’évaporateur 5, dans la turbine 12 et dans le condenseur 8.
Le cinquième mode de réalisation de la figure 5 fonctionne de manière similaire pour cette étape de récupération d’énergie, avec activation des trois pompes.
La figure 10 représente, schématiquement et de manière non limitative, l’étape de forte charge / pleine charge de la pile à combustible pour le quatrième mode de réalisation de l’invention (figure 4) avec en outre la présence de l’aérotherme 4. Sur cette figure, les traits noirs en gras représentent les conduites dans lesquelles circule un fluide, et les traits fins en gris représentent les conduites sans circulation de fluide. Pour ce mode de réalisation, seule la première pompe 2 est activée et le thermostat 3 est ouvert, le fluide de refroidissement circule alors dans la première pompe 2 et la pile à combustible 1 , puis dans une première branche comprenant l’aérotherme 4, l’évaporateur 5, et en parallèle de la première branche dans une deuxième branche qui comporte le thermostat 3 et l’échangeur de chaleur 6. En outre, la vanne 13 est fermée.
La figure 11 représente, schématiquement et de manière non limitative, l’étape de forte charge / pleine charge de la pile à combustible pour le cinquième mode de réalisation (figure 5). Sur cette figure, les traits noirs en gras représentent les conduites dans lesquelles circule un fluide, et les traits fins en gris représentent les conduites sans circulation de fluide. Pour ce mode de réalisation, seules la première pompe 2 et la deuxième pompe 7 sont activées et le thermostat 3 est ouvert. En outre, la vanne 13 est ouverte mais impose le sens de la circulation du fluide. Dans le premier circuit, le fluide de refroidissement circule alors dans la première pompe 2 et la pile à combustible 1 , puis dans une première branche comprenant l’aérotherme 4, l’évaporateur 5, et en parallèle de la première branche dans une deuxième branche qui comporte le thermostat 3 et l’échangeur de chaleur 6. Dans le deuxième circuit, le fluide de refroidissement circule alors successivement dans l’échangeur de chaleur 6, la deuxième pompe 7, le condenseur 8, les éléments supplémentaires à refroidir 9 et 10. Pour cette étape, le fluide de refroidissement du premier circuit est mélangé au fluide de refroidissement du deuxième circuit en entrée de l’échangeur de chaleur 6. En sortie de l’échangeur de chaleur 6, le fluide de refroidissement est séparé en deux portions, une pour le premier circuit et l’autre pour le deuxième circuit.
En outre, l’invention concerne un véhicule, notamment un véhicule routier automobile ou poids lourd (ou également un car, un bateau, un avion, un aéroglisseur, un véhicule amphibie, etc.), comprenant une pile à combustible alimentant au moins une machine électrique, et un système de refroidissement selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites ci-dessus. Pour ce mode de réalisation, l’échangeur de chaleur est agencé à proximité d’une arrivée d’air : en d’autres termes, l’échangeur de chaleur est un radiateur du véhicule. Le véhicule peut mettre en oeuvre l’une des étapes du procédé selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites précédemment.
Alternativement, l’invention concerne également une pile à combustible pour un système stationnaire, la pile à combustible étant équipée d’un système de refroidissement selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes. La pile à combustible peut mettre en oeuvre l’une des étapes du procédé selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites précédemment.

Claims

Revendications
1. Système de refroidissement d’une pile à combustible (1), notamment une pile à combustible apte à être embarquée dans un véhicule, de préférence une pile à combustible de type membrane échangeuse de protons, ou une pile à combustible à oxyde solide ou une pile à combustible à carbonate fondu, ledit système de refroidissement comprenant trois circuits (c1 , c2, c3) fermés de circulation de fluide thermique, un premier circuit (c1) comprenant au moins une pile à combustible (1), un évaporateur (5), une première pompe (2), un unique thermostat (3) et un échangeur de chaleur (6), un deuxième circuit (c2) comprenant au moins un condenseur (8), une deuxième pompe (7) et un échangeur de chaleur (6) montés en série, et un troisième circuit (c3), selon le cycle de Rankine, comprenant au moins ledit évaporateur (5), une turbine (12), ledit condenseur (8), et une troisième pompe (11) montés en série, caractérisé en ce que :
- un seul et unique fluide de refroidissement circule dans lesdits premier (c1) et deuxième (c2) circuits, et un fluide de travail circule dans ledit troisième circuit (c3),
- ledit échangeur de chaleur (6) dudit premier circuit (c1) et ledit échangeur de chaleur (6) dudit deuxième circuit (c2) sont un seul et unique échangeur de chaleur (6),
- ledit évaporateur (5) étant configuré pour que ledit fluide de refroidissement dudit premier circuit (c1) échange de la chaleur avec ledit fluide de travail dudit troisième circuit (c3), et
- le condenseur (8) étant configuré pour que ledit fluide de refroidissement dudit deuxième circuit (c2) échange de la chaleur avec ledit fluide de travail dudit troisième circuit (c3).
2. Système de refroidissement selon la revendication 1 , dans lequel ledit premier circuit (c1) comprend un aérotherme (4), de préférence en série ou en parallèle dudit évaporateur (5).
3. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit deuxième circuit (c2) comprend au moins un élément à refroidir (9, 10), de préférence choisi une batterie électrique, préférentiellement une batterie électrique connectée à ladite pile à combustible (1), une machine électrique connectée à ladite pile à combustible (1), une alimentation en air ou oxygène pur de ladite pile à combustible (1), une évacuation d’air humide de ladite pile à combustible (1).
4. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit troisième circuit (c3) comprend au moins un élément à refroidir (14), de préférence une alimentation en air ou oxygène pur de ladite pile à combustible (1) et/ou une évacuation d’air humide de ladite pile à combustible (1).
5. Système de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit thermostat (3) est un thermostat trois voies.
6. Système de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit thermostat (3) est un thermostat deux voies, et ledit deuxième circuit comprend une vanne bouchon à clapet anti-retour (13) limitant la circulation dans un sens unique.
7. Procédé de refroidissement d’une pile à combustible mettant en oeuvre le système selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on met en oeuvre une étape de montée en température de ladite pile à combustible (1), pendant laquelle on ferme ledit thermostat (3), et on active ladite première pompe (2).
8. Procédé de refroidissement selon la revendication 7, dans lequel pendant l’étape de montée en température de ladite pile à combustible (1), on active en outre ladite deuxième pompe (7).
9. Procédé de refroidissement d’une pile à combustible mettant en oeuvre le système de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’on met en oeuvre une étape de récupération d’énergie, pendant laquelle on ferme ledit thermostat (3) et on active lesdites première (2), deuxième (7) et troisième (11) pompes.
10. Procédé de refroidissement d’une pile à combustible mettant en oeuvre le système de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’on met en oeuvre une étape de fonctionnement en pleine charge de ladite pile à combustible (1), pendant laquelle on ouvre ledit thermostat (3) et on active lesdites première (2) et deuxième (7) pompes.
11. Véhicule, notamment véhicule automobile ou poids lourd, comprenant une pile à combustible (1) alimentant au moins une machine électrique, et un système de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit échangeur de chaleur (6) est agencé à proximité d’une arrivée d’air.
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