FR2899019A1

FR2899019A1 - Fuel cell device for motor vehicle, has main enclosure separated from stack of cells of fuel cell by inner air layer, where enclosure includes opening with shutter having closed position in which air layer is separated from exterior air

Info

Publication number: FR2899019A1
Application number: FR0602487A
Authority: FR
Inventors: Jerome Henrion; Joelle Mollon
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-09-28
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: FR2899019B1

Abstract

Device has a main enclosure (8) enclosing a stack (1) of cells (2) of a fuel cell. Fixation units (9) e.g. rail, permit to fix the stack on a wall of the enclosure. The enclosure is fixed on a floor pan of a motor vehicle and separated from the stack by an inner air layer (21). The enclosure has a thermal insulation material and an opening (11a) with an actuatable shutter (11) having a closed position in which the air layer is separated from exterior air (20). The shutter has open positions in which increasing contact surfaces (19) are present between the layer and the exterior air. An independent claim is also included for a method for isolating a fuel cell device embedded on a motor vehicle.

Description

Isolation thermique pour pile à combustible. L'invention concerne leThermal insulation for fuel cell. The invention relates to

domaine des dispositifs de piles à combustible embarquées sur véhicules. L'invention concerne également le domaine des procédés d'isolation des dispositifs de piles à combustible. Le rendement des piles à combustible est médiocre lorsque la température des empilements de la pile à combustible est froide. Le rendement s'améliore, la consommation de carburant baisse ainsi que la production de dioxyde de carbone lorsque la température des empilements et des gaz de reformat alimentant la pile à combustible atteint une température optimale. Lorsque la pile à combustible fournit de l'électricité, la température des empilements augmente et un refroidissement est nécessaire pour garder la température dans la plage optimale. Il est donc souhaitable de favoriser l'échauffement des empilements de la pile à combustible de manière compatible avec leur refroidissement ultérieur. Par ailleurs, les empilements de piles à combustible sont susceptibles d'être l'objet de fuites, par exemple d'hydrogène. I1 y a lieu d'éviter le confinement d'hydrogène gazeux pouvant entrer en déflagration en contact avec l'oxygène de l'air. Le brevet US 6 322 920 (PLUG POWER INC.) décrit une pile à combustible entourée d'une membrane plastique étanche aux gaz. field of on-vehicle fuel cell devices. The invention also relates to the field of isolation methods of fuel cell devices. The efficiency of the fuel cells is poor when the temperature of the stacks of the fuel cell is cold. Efficiency improves, fuel consumption decreases, and carbon dioxide production increases as the temperature of the fuel cell stack and reformate gases reach an optimum temperature. When the fuel cell provides electricity, the temperature of the stacks increases and cooling is necessary to keep the temperature in the optimum range. It is therefore desirable to promote the heating of the stacks of the fuel cell in a manner compatible with their subsequent cooling. In addition, the stacks of fuel cells are likely to be leaked, for example hydrogen. The containment of flammable hydrogen gas in contact with oxygen in the air should be avoided. US Patent 6,322,920 (PLUG POWER INC.) Discloses a fuel cell surrounded by a gas-tight plastic membrane.

L'isolement recherché dans ce document concerne les gaz de la pile à combustible. La membrane plastique ne contribue pas à accélérer l'échauffement de la pile à combustible. La demande de brevet CA 2 433 065 (GLOBAL THERMOELECTRIC INC.) décrit un échangeur de chaleur isolant une pile à combustible. Cet échangeur de chaleur permet d'augmenter ou The isolation sought in this document relates to the gases of the fuel cell. The plastic membrane does not help to accelerate the heating of the fuel cell. Patent application CA 2 433 065 (GLOBAL THERMOELECTRIC INC.) Discloses a heat exchanger isolating a fuel cell. This heat exchanger makes it possible to increase or

2 de réduire l'isolation autour d'une zone chaude de la pile à combustible. Cet échangeur est une enceinte dont les deux moitiés sont soudées ensemble autour des empilements. La variation d'isolation de la pile à combustible se fait en faisant varier la température des réactifs en circulation dans la paroi de l'enceinte. L'inconvénient de ce dispositif est de risquer d'exploser lorsque des fuites, par exemple d'hydrogène, s'échappent des empilements de la pile à combustible et restent confinées dans l'enceinte. L'invention propose un dispositif de pile à combustible et un procédé d'isolation de pile à combustible permettant de favoriser l'échauffement des empilements de la pile à combustible lorsque ceux-ci sont froids, de manière compatible avec leur refroidissement ultérieur, tout en réduisant les risques de déflagration dus aux fuites des empilements de la pile à combustible. 2 to reduce the insulation around a hot zone of the fuel cell. This exchanger is an enclosure whose two halves are welded together around the stacks. The insulation variation of the fuel cell is done by varying the temperature of the circulating reagents in the wall of the enclosure. The disadvantage of this device is to risk exploding when leaks, for example hydrogen, escape from the stacks of the fuel cell and remain confined in the enclosure. The invention proposes a fuel cell device and a fuel cell isolation method for promoting the heating of the stacks of the fuel cell when they are cold, in a manner compatible with their subsequent cooling, while reducing the risk of explosion due to leakage from fuel cell stacks.

Selon un aspect de l'invention, le dispositif de pile à combustible embarquée sur véhicule motorisé, est muni d'une enceinte entourant au moins des empilements de cellules de la pile à combustible. L'enceinte est séparée, au moins en partie, des empilements de cellules de la pile à combustible par une couche d'air intérieure et comprend au moins une ouverture munie d'au moins un volet actionnable. On conçoit qu'un tel dispositif de pile à combustible évite tout risque de déflagration car les éventuelles fuites d'hydrogène peuvent ne pas être confinées dans un espace clos. Lorsque le volet est fermé, la couche d'air intérieur constitue une couche isolante thermiquement. Lorsque le volet est ouvert, l'enceinte permet le refroidissement des empilements de la pile à combustible. Le volet actionnable permet de faire varier l'isolation thermique autour des empilements. According to one aspect of the invention, the on-vehicle fuel cell device is provided with an enclosure surrounding at least cell stacks of the fuel cell. The enclosure is separated, at least in part, from cell stacks of the fuel cell by an inner air layer and comprises at least one opening provided with at least one operable flap. It is conceivable that such a fuel cell device avoids any risk of explosion because possible hydrogen leakage may not be confined in an enclosed space. When the shutter is closed, the inner air layer is a thermally insulating layer. When the flap is open, the enclosure allows the cooling of the stacks of the fuel cell. The actuatable flap makes it possible to vary the thermal insulation around the stacks.

3 Avantageusement, le volet présente une position fermée où la couche d'air intérieure est séparée de l'air extérieur. L'enceinte peut comprendre un matériau isolant thermiquement. Avec ces caractéristiques, l'isolation thermique de la couche d'air intérieur s'ajoute à l'isolation thermique de l'enceinte. Avantageusement, le volet présente une pluralité de positions ouvertes présentant une pluralité croissante de surfaces de contact entre la couche d'air intérieure et l'air extérieur. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de commande du volet. Avantageusement, les moyens de commande font passer le volet, de manière continue ou discontinue, d'une position ouverte à une autre position du volet. Selon une variante, le dispositif comprend un capteur de présence d'hydrogène dans la couche d'air intérieure, les moyens de commande étant apte à actionner une ouverture du volet dès que la quantité d'hydrogène dans la couche d'air intérieure dépasse un seuil. Selon une variante, le dispositif comprend une enceinte entourant au moins un réservoir d'eau de refroidissement de la pile à combustible. Selon un autre aspect le l'invention, dans le :procédé d'isolation d'un dispositif de pile à combustible embarquée sur véhicule motorisé, du type comprenant des empilements de cellules logés à l'intérieur d'une enceinte isolante, on commande la circulation ou la non- circulation d'air extérieur entre l'enceinte et des empilements de la pile à combustible. Avantageusement, on permet la circulation d'air extérieur entre l'enceinte et des empilements de la pile à combustible dés que le véhicule présente une vitesse comprise dans une plage, entre une Advantageously, the shutter has a closed position where the inner air layer is separated from the outside air. The enclosure may comprise a thermally insulating material. With these characteristics, the thermal insulation of the inner air layer is added to the thermal insulation of the enclosure. Advantageously, the flap has a plurality of open positions having an increasing plurality of contact surfaces between the inner air layer and the outside air. Advantageously, the device comprises control means of the shutter. Advantageously, the control means cause the shutter to pass, continuously or discontinuously, from an open position to another position of the shutter. According to one variant, the device comprises a sensor for the presence of hydrogen in the inner air layer, the control means being able to actuate an opening of the shutter as soon as the quantity of hydrogen in the inner air layer exceeds one threshold. According to a variant, the device comprises a chamber surrounding at least one cooling water tank of the fuel cell. According to another aspect of the invention, in the method of isolating a motor vehicle fuel cell device, of the type comprising cell stacks housed inside an insulating enclosure, the circulation or non-circulation of outside air between the enclosure and stacks of the fuel cell. Advantageously, external air circulation is allowed between the enclosure and stacks of the fuel cell as soon as the vehicle has a speed within a range, between a

4 vitesse de ralenti et une vitesse plafond, et on empêche la circulation d'air extérieur entre l'enceinte et des empilements de la pile à combustible, lorsque la vitesse du véhicule est en dehors de ladite plage. 4 idle speed and a ceiling speed, and prevents the flow of outside air between the enclosure and stacks of the fuel cell, when the vehicle speed is outside said range.

Avantageusement, on permet la circulation d'air extérieur entre l'enceinte et des empilements de la pile à combustible dés que le régime moteur dépasse un seuil. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé comportant une figure unique illustrant en coupe partielle un dispositif de l'invention. Comme illustré sur la figure, le dispositif de pile à combustible comprend un empilement 1 de cellules 2, un dispositif de gestion des gaz 3 et un dispositif de refroidissement 4 des empilements 1. Le dispositif de refroidissement 4 comprend un réservoir d'eau 5, un radiateur 6 et des canalisations 7. Une enceinte principale 8 entoure les empilements 1. Des moyens de fixation 9, tels qu'une grille, permettent de fixer les empilements 1 sur une paroi de l'enceinte principale 8. L'enceinte principale 8 est fixée sur un plancher 10 du véhicule sur lequel est embarquée la pile à combustible. L'enceinte principale 8 comprend un système de volet 11 logé dans une ouverture lla ménagée dans la paroi de l'enceinte principale 8. Une ouverture 12, ménagée dans un plancher 10 du véhicule, est située en regard du volet 11. Le volet 11 comprend une échelle fixe 13, immobilisée par rapport à l'enceinte principale 8 et coopérant avec une échelle mobile 14. L'échelle fixe 13 comprend une pluralité de lames fixes 15 intercalées avec une pluralité d'ouvertures fixes 16. L'échelle mobile 14 comprend une pluralité de lames mobiles 17 intercalées avec une pluralité d'ouvertures mobiles 18. Les lames et les ouvertures 15, 16, 17 et 18 apparaissent en coupe transversale sur la figure et sont disposées perpendiculairement à la direction de déplacement de l'échelle mobile 14 par rapport à l'échelle fixe 13. La 5 largeur de la lame mobile 17 est égale ou supérieure à la largeur de l'ouverture fixe correspondante 16. La figure représente le volet 11 dans une position d'ouverture intermédiaire, dans laquelle les lames mobiles 17 obstruent partiellement les ouvertures fixes 16 correspondantes. Les portions des ouvertures fixes 16, non couvertes par les lames mobiles 17, constituent une surface 19 de contact entre de l'air extérieur 20 et de l'air intérieur 21 situé entre la paroi interne 8a de l'enceinte principale 8 et la surface extérieure la des empilements 1 de la pile à combustible. Advantageously, the flow of outside air between the enclosure and stacks of the fuel cell is allowed as soon as the engine speed exceeds a threshold. Other features and advantages of the invention will appear on reading the detailed description of an embodiment taken by way of non-limiting example and illustrated by the attached drawing comprising a single figure illustrating in partial section a device of the invention. 'invention. As illustrated in the figure, the fuel cell device comprises a stack 1 of cells 2, a gas management device 3 and a cooling device 4 of the stacks 1. The cooling device 4 comprises a water tank 5, a radiator 6 and pipes 7. A main enclosure 8 surrounds the stacks 1. Fixing means 9, such as a grid, are used to fix the stacks 1 on a wall of the main enclosure 8. The main enclosure 8 is fixed on a floor 10 of the vehicle on which is embedded the fuel cell. The main enclosure 8 comprises a shutter system 11 housed in an opening 11a formed in the wall of the main enclosure 8. An opening 12, formed in a floor 10 of the vehicle, is located opposite the flap 11. The flap 11 comprises a fixed ladder 13, immobilized with respect to the main enclosure 8 and cooperating with a mobile ladder 14. The fixed ladder 13 comprises a plurality of fixed blades 15 interposed with a plurality of fixed openings 16. The sliding ladder 14 comprises a plurality of movable blades 17 interposed with a plurality of movable openings 18. The blades and the openings 15, 16, 17 and 18 appear in cross-section in the figure and are arranged perpendicularly to the moving direction of the moving scale The width of the movable blade 17 is equal to or greater than the width of the corresponding fixed aperture 16. The figure shows the flap 11 in a positio. n intermediate opening, wherein the movable blades 17 partially obstruct the corresponding fixed openings 16. The portions of the fixed openings 16, not covered by the movable blades 17, constitute a surface 19 of contact between the outside air 20 and the inside air 21 located between the inner wall 8a of the main enclosure 8 and the surface outside the stacks 1 of the fuel cell.

Le dispositif de pile à combustible comprend également un dispositif de commande 22 capable de déplacer un levier 23, lui-même capable de déplacer l'échelle mobile 14 parallèlement à l'échelle fixe 13. Lorsque le dispositif de commande 22 déplace l'échelle mobile 14 vers la droite de la figure, les lames mobiles 17 viennent obstruer complètement les ouvertures fixes 16, de sorte que la surface de contact 19 est annulée et que l'air intérieur 21 est séparé de l'air extérieur 20. Dans cette configuration de volet fermé, l'air intérieur 21 constitue une couche isolante thermiquement. Lorsque l'enceinte principale 8 comprend un matériau isolant thermiquement, l'isolation thermique est due au cumul de la couche d'air intérieure et de l'isolation thermique de l'enceinte principale 8. Le levier 23 peut également déplacer l'échelle mobile 14 vers la gauche de la figure jusqu'à ce que l'ouverture mobile 18 coïncide avec les ouvertures fixes 16 et qu'ainsi la surface de contact 19 soit maximum. Dans cette configuration de volet ouvert, l'air extérieur pénètre à l'intérieur de l'enceinte principale 8 par la surface de contact 19 et provoque un échange thermique entre l'air extérieur 20 et l'air intérieur 21. La couche d'air intérieure 21 ne sert plus d'isolant supplémentaire. Cela facilite l'action du dispositif de refroidissement 4. Le levier 23 peut prendre toutes les positions intermédiaires entre la position de volet ouvert, avec une surface de contact 19 maximum, et la position de volet fermé. The fuel cell device also comprises a control device 22 capable of moving a lever 23, itself capable of moving the mobile ladder 14 parallel to the fixed ladder 13. When the control device 22 moves the moving ladder 14 to the right of the figure, the movable blades 17 completely obstruct the fixed openings 16, so that the contact surface 19 is canceled and that the internal air 21 is separated from the outside air 20. In this configuration of FIG. closed shutter, the indoor air 21 is a thermally insulating layer. When the main enclosure 8 comprises a thermally insulating material, the thermal insulation is due to the accumulation of the inner air layer and the thermal insulation of the main enclosure 8. The lever 23 can also move the moving scale 14 to the left of the figure until the movable opening 18 coincides with the fixed openings 16 and thus the contact surface 19 is maximum. In this open flap configuration, the outside air enters inside the main enclosure 8 by the contact surface 19 and causes a heat exchange between the outside air 20 and the inside air 21. The layer of Inner air 21 no longer serves as additional insulation. This facilitates the action of the cooling device 4. The lever 23 can take any intermediate position between the open flap position, with a maximum contact surface 19, and the shutter position closed.

La surface de contact 19 se partage entre une portion 19a, en regard de l'ouverture 12 du plancher 10 du véhicule, et une portion 19b. Lorsque le véhicule est en mouvement, l'air extérieur 20 exerce une pression sur la portion 19a supérieure à la pression exercée sur la portion 19b, de sorte que l'air extérieur 20 pénètre par la portion 19a et l'air intérieur 21 sort par la portion 19b. Cette dérivation de l'air extérieur 20 vers l'enceinte principale 8 contribue à freiner le véhicule. Lorsque la vitesse est supérieure à une vitesse plafond, le volet 11 est complètement fermé, de manière à ne pas freiner le véhicule. The contact surface 19 is divided between a portion 19a, facing the opening 12 of the floor 10 of the vehicle, and a portion 19b. When the vehicle is in motion, the outside air 20 exerts a pressure on the portion 19a greater than the pressure exerted on the portion 19b, so that the outside air 20 enters through the portion 19a and the inside air 21 leaves by portion 19b. This bypass of the outside air 20 towards the main enclosure 8 contributes to braking the vehicle. When the speed is greater than a ceiling speed, the flap 11 is completely closed, so as not to brake the vehicle.

L'essentiel du refroidissement des empilements 1 de la pile à combustible est réalisé par le dispositif de refroidissement 4. Lorsque la vitesse du véhicule devient inférieure à la vitesse plafond, c'est-à-dire lorsque le véhicule passe d'une vitesse élevée à une vitesse moyenne, le freinage du véhicule dû à la dérivation d'air extérieur 20 vers l'enceinte principale 8 diminue, alors que le besoin de refroidissement des empilements reste important. Le dispositif de commande 22 ouvre le volet 11 afin de réduire l'isolation thermique de l'enceinte 8. Most of the cooling of the stacks 1 of the fuel cell is performed by the cooling device 4. When the speed of the vehicle becomes lower than the ceiling speed, that is to say when the vehicle passes a high speed at a medium speed, the braking of the vehicle due to the external air bypass 20 to the main enclosure 8 decreases, while the need for cooling of the stacks remains significant. The control device 22 opens the flap 11 in order to reduce the thermal insulation of the enclosure 8.

Lorsque la vitesse du véhicule descend en dessous d'une vitesse de ralenti, il est nécessaire d'augmenter l'isolation thermique autour des empilements 1. Le dispositif de commande 22 ferme le volet 11. Il en est de même lorsque le véhicule est à l'arrêt. Ainsi, lors du redémarrage du moteur ou du véhicule, les empilements de la pile à combustible ont conservés une certaine température grâce à la couche d'air 21, isolante thermiquement Le dispositif de pile à combustible comprend également un capteur à hydrogène 24. Lorsque les traces d'hydrogène dans l'air intérieur 21 dépassent un seuil, le dispositif de commande 22 ouvre le volet 11 de manière à éviter tout risque de déflagration. Cette situation peut arriver lorsque, à vitesse élevée du véhicule de l'hydrogène risque de fuir de l'empilement 1 alors que le volet I1 est fermé. Dans une variante, le réservoir d'eau 5 du dispositif de refroidissement 4 est protégé thermiquement par une enceinte 25 pouvant également, ou pas, être munie d'un volet commandé de la même manière que le volet 11 de l'enceinte principale 8. Dans une autre variante, la vitesse plafond du véhicule dépend du régime moteur. Lorsque le véhicule est par exemple en montée et que la quantité d'électricité fournie par la pile à combustible est importante, la vitesse plafond en dessous de laquelle on ouvre le volet 11 est plus faible que lorsque le véhicule est en descente. C'est-à-dire que l'on permet la circulation d'air extérieur 20 entre l'enceinte 8 et les empilements 1 de la pile à combustible dès que le régime moteur dépasse un seuil. When the speed of the vehicle falls below an idle speed, it is necessary to increase the thermal insulation around the stacks 1. The control device 22 closes the flap 11. It is the same when the vehicle is at shutdown. Thus, when restarting the engine or the vehicle, the stacks of the fuel cell have maintained a certain temperature thanks to the air layer 21, thermally insulating. The fuel cell device also comprises a hydrogen sensor 24. When the traces of hydrogen in the indoor air 21 exceed a threshold, the control device 22 opens the flap 11 so as to avoid any risk of explosion. This situation can occur when, at high speed of the hydrogen vehicle may leak from the stack 1 while the shutter I1 is closed. In a variant, the water reservoir 5 of the cooling device 4 is thermally protected by an enclosure 25 which can also or not be provided with a shutter controlled in the same manner as the shutter 11 of the main enclosure 8. In another variant, the ceiling speed of the vehicle depends on the engine speed. When the vehicle is for example uphill and the amount of electricity provided by the fuel cell is important, the ceiling speed below which the flap 11 is opened is lower than when the vehicle is downhill. That is to say that the flow of outside air 20 between the enclosure 8 and the stacks 1 of the fuel cell is allowed as soon as the engine speed exceeds a threshold.

Claims

1 - fuel cell device on motorized vehicle, provided with an enclosure (8) surrounding at least stacks (1) of cells (2) of the fuel cell characterized in that the enclosure (8) is at least partly separated from the stacks (1) of cells (2) of the fuel cell by an inner air layer (21) and comprises at least one opening (11a) provided with at least one flap (11). ) operable.

2 - Device according to claim 1, wherein the flap (11) has a closed position where the inner air layer (21) is separated from the outside air (20), the enclosure (8) comprising an insulating material thermally.

3 - Device according to claim 1 or 2, wherein the flap (11) has a plurality of open positions having an increasing plurality of contact surfaces (19) between the inner air layer (21) and the outside air ( 20).

4 - Device according to any one of claims 1 to 3, comprising control means (22) of the flap (11).

5 - Device according to claims 3 and 4 taken together, wherein the control means (22) pass the flap (11), continuously or discontinuously, from an open position to another position of the flap (11). ).

6 - Device according to claim 4 or 5, comprising a sensor (24) for the presence of hydrogen in the inner air layer (21), the control means (22) being able to actuate an opening of the shutter (11). as soon as the amount of hydrogen in the inner air layer (21) exceeds a threshold. 9

7 - Device according to any one of the preceding claims, comprising an enclosure (25) surrounding at least one reservoir (5) cooling water of the fuel cell.

8 - Process for isolating a fuel cell device on a motor vehicle, of the type comprising stacks (1) of cells (2) housed inside an enclosure (8), characterized in that it controls the circulation or non-circulation of air (20) outside between the enclosure (8) and stacks (1) of the fuel cell.

9 - Process according to claim 8, wherein the flow of outside air (20) is allowed between the enclosure (8) and stacks (1) of the fuel cell as soon as the vehicle has a speed within a range. between an idle speed and a ceiling speed, and preventing the flow of outside air (20) between the enclosure (8) and stacks (1) of the fuel cell, when the speed of the vehicle is outside said beach.

10- A method according to claim 8 or 9, wherein the flow of outside air (20) is allowed between the enclosure (8) and stacks (1) of the fuel cell as soon as the engine speed exceeds a threshold.