FR2829295A1 - Evacuation of hydrogen vapor from traction battery of electrically driven vehicle, uses a hydrogen rate sensor linked to electronic unit controlling a fan - Google Patents
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Abstract
Description
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La présente invention concerne un procédé d'évacuation des vapeurs d'hydrogène pour pile à combustible et un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé. The present invention relates to a method for evacuating hydrogen vapors for a fuel cell and to a device enabling the method to be implemented.
Elle se rapporte plus particulièrement à un procédé d'évacuation des vapeurs d'hydrogène d'une pile à combustible utilisée pour générer de l'électricité alimentant un moteur électrique destiné à déplacer un véhicule automobile. It relates more particularly to a process for removing hydrogen vapors from a fuel cell used to generate electricity supplying an electric motor intended to move a motor vehicle.
On rappelle qu'une pile à combustible est constituée de deux électrodes : une anode et une cathode constituées chacune d'une feuille d'un matériel conducteur, poreuse et recouverte d'une très fine couche de platine et dont l'anode est traversée par de l'hydrogène et la cathode traversée par de l'oxygène permettant ainsi un transfert d'électrons à l'origine du courant qui alimente le moteur électrique. Recall that a fuel cell consists of two electrodes: an anode and a cathode each consisting of a sheet of conductive material, porous and covered with a very thin layer of platinum and whose anode is crossed by of hydrogen and the cathode crossed by oxygen thus allowing a transfer of electrons at the origin of the current which feeds the electric motor.
Il apparaît cependant qu'au cours du fonctionnement de la pile à combustible, du fait de sa conception, cette dernière rejette de la vapeur d'hydrogène, extrêmement inflammable et détonante. However, it appears that during the operation of the fuel cell, due to its design, the latter rejects hydrogen vapor, which is extremely flammable and detonating.
Afin d'éviter que cet hydrogène se répande dans le bloc avant sous le capot du véhicule automobile où il y aurait un risque de concentration et par voie de conséquence création d'une atmosphère explosive, la pile à combustible est logée dans une enceinte étanche disposée sous le capot, cette enceinte étant aérée pour éviter d'atteindre la limite inférieure d'inflammabilité à savoir environ 4% d'hydrogène dans l'air ambiant. In order to prevent this hydrogen from spreading in the front unit under the hood of the motor vehicle where there would be a risk of concentration and consequently creation of an explosive atmosphere, the fuel cell is housed in a sealed enclosure arranged under the hood, this enclosure being ventilated to avoid reaching the lower flammability limit, namely approximately 4% of hydrogen in the ambient air.
Les termes d'enceinte étanche employés ci-dessus et dans le reste de la description qui va suivre désignent une enceinte pourvue d'un volume qui n'est ni totalement ouvert ni totalement étanche afin de permettre l'évacuation des vapeurs d'hydrogène, également désignée par les hommes de l'art volume contrôlé . The terms sealed enclosure used above and in the rest of the description which follows designate an enclosure provided with a volume which is neither completely open nor completely sealed in order to allow the evacuation of hydrogen vapors, also referred to by those skilled in the art of volume control.
On connaît dans les applications des piles à combustible pour la génération d'électricité et/ou du chauffage dans les habitations, l'utilisation de ventilateurs spécifiques désignés ventilateurs anti déflagrant destinés à supprimer la création des micro-arcs électriques des ventilateurs classiques susceptibles d'enflammer le mélange air/hydrogène présent dans de telles installations. Are known in fuel cell applications for the generation of electricity and / or heating in homes, the use of specific fans designated explosion proof fans intended to suppress the creation of micro-arcs of conventional fans likely to ignite the air / hydrogen mixture present in such installations.
De tels ventilateurs spécifiques présentent de nombreux inconvénients Such specific fans have many disadvantages
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pour l'application à l'industrie automobile du fait notamment de leur forte consommation en énergie électrique mais également de leur volume et de leur coût. for application to the automotive industry due in particular to their high consumption of electrical energy but also to their volume and cost.
Afin de résoudre de tels inconvénients, il est possible d'aérer l'enceinte de la pile à combustible en soufflant dans cette dernière au moyen d'un ventilateur classique. Cependant l'inconvénient d'une telle solution réside dans le fait que les éventuelles fuites ne peuvent être contrôlées, n'assurant par conséquent pas une sécurité optimale pour le véhicule. In order to solve such drawbacks, it is possible to ventilate the enclosure of the fuel cell by blowing in the latter by means of a conventional fan. However, the drawback of such a solution lies in the fact that any leaks cannot be checked, therefore not ensuring optimum safety for the vehicle.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé d'évacuation des vapeurs d'hydrogène pour pile à combustible et un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé qui permet de résoudre tout ou partie des inconvénients précités. The object of the present invention is to propose a method for evacuating hydrogen vapors for a fuel cell and a device allowing the implementation of the method which makes it possible to resolve all or part of the above-mentioned drawbacks.
A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé d'évacuation des vapeurs d'hydrogène pour pile à combustible logée dans une enceinte étanche pourvue d'un orifice de fuite agencé en partie supérieure de l'enceinte, ledit orifice étant relié à l'extérieur par un conduit, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant : - à réaliser une dépression à l'intérieur du conduit d'évacuation reliant l'enceinte à l'extérieur du véhicule permettant ainsi une aspiration de l'air vicié. To this end, the subject of the present invention is a method of evacuating hydrogen vapors for a fuel cell housed in a sealed enclosure provided with a leak orifice arranged in the upper part of the enclosure, said orifice being connected to the exterior by a conduit, characterized in that it comprises the step consisting: - in producing a vacuum inside the evacuation conduit connecting the enclosure to the exterior of the vehicle thus allowing aspiration of the stale air.
Selon une disposition avantageuse, le procédé comporte également une étape consistant à accélérer le débit de l'air vicié à l'intérieur dudit conduit avant son évacuation vers l'extérieur notamment au moyen d'un étranglement après l'étape de dépression. According to an advantageous arrangement, the method also comprises a step consisting in accelerating the flow of the stale air inside said duct before its evacuation towards the outside in particular by means of a throttling after the depression step.
Un autre objet de la présente invention concerne un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit d'évacuation de l'air vicié contenu dans ladite enceinte qui débouche par son extrémité libre à l'extérieur, à un niveau situé au-dessus de la partie supérieure de l'enceinte. Another object of the present invention relates to a device allowing the implementation of the above method, characterized in that it comprises a duct for evacuating the stale air contained in said enclosure which opens out through its free end to the exterior, at a level above the upper part of the enclosure.
Toujours selon l'invention, ledit conduit comporte en outre un moyen de déplacement de l'air vicié régulé par des moyens de contrôle du taux d'hydrogène contenu dans l'enceinte vers l'extérieur, afin d'assurer une aspiration de l'air vicié contenu dans l'enceinte. Still according to the invention, said duct also comprises means for displacing the stale air regulated by means for controlling the rate of hydrogen contained in the enclosure towards the outside, in order to ensure a suction of the stale air contained in the enclosure.
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Selon une disposition avantageuse, ledit conduit comporte en outre dans son intérieur une forme particulière destinée à assurer un effet venturi, notamment un étranglement situé en aval du moyen de déplacement de l'air. According to an advantageous arrangement, said duct also comprises in its interior a particular shape intended to ensure a venturi effect, in particular a throttle located downstream of the air displacement means.
Selon une autre disposition avantageuse, le moyen de déplacement de l'air vicié est constitué par exemple d'un ventilateur situé à distance de l'enceinte et de la sortie de l'évacuation de l'air vicié et relié au conduit par un tube dans lequel circule le fluide moteur. According to another advantageous arrangement, the means for displacing the stale air consists for example of a fan located at a distance from the enclosure and from the outlet for the discharge of the stale air and connected to the duct by a tube in which the working fluid circulates.
Selon encore une autre disposition avantageuse, les moyens de contrôle sont constitués d'un capteur transmettant à un bloc de gestion électronique le taux de l'hydrogène contenu à l'intérieur de l'enceinte apte à piloter, en fonction des taux de consigne d'hydrogène pré-établis, le débit d'écoulement de l'air par les moyens de déplacement. According to yet another advantageous arrangement, the control means consist of a sensor transmitting to an electronic management unit the rate of hydrogen contained inside the enclosure capable of driving, as a function of the set rates d 'hydrogen pre-established, the flow rate of air by the displacement means.
Selon encore une autre disposition avantageuse, la paroi supérieure de ladite enceinte est plate et horizontale ou légèrement convergente vers l'entrée du conduit d'évacuation de sorte que les vapeurs d'hydrogène soient nécessairement conduites vers l'entrée d'orifice de fuite disposé au point le plus haut du volume interne de l'enceinte. According to yet another advantageous arrangement, the upper wall of said enclosure is flat and horizontal or slightly convergent towards the inlet of the exhaust duct so that the hydrogen vapors are necessarily conducted towards the inlet of the leakage orifice disposed at the highest point of the internal volume of the enclosure.
Un autre objet de l'invention concerne un véhicule automobile comportant une pile à combustible et pourvu d'un dispositif conforme à l'une quelconque des dispositions ci-dessus, caractérisé en ce que l'extrémité libre du conduit est conformée pour coopérer avec une cheminée de sortie d'air agencée dans l'aile afin de permettre l'évacuation des vapeurs d'hydrogène dans l'espace séparant l'aile du capot. Another object of the invention relates to a motor vehicle comprising a fuel cell and provided with a device according to any one of the above provisions, characterized in that the free end of the duct is shaped to cooperate with a air outlet chimney arranged in the wing in order to allow the evacuation of hydrogen vapors in the space separating the wing from the hood.
Selon une variante de réalisation, la cheminée d'évacuation est prolongée dans le montant de baie du véhicule afin de disposer par exemple d'une sortie des vapeurs d'hydrogène au niveau du toit du véhicule. According to an alternative embodiment, the exhaust chimney is extended in the amount of the vehicle bay in order to have, for example, an outlet for hydrogen vapors at the level of the vehicle roof.
Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif selon la présente invention, et - la figure 2 est une vue en perspective d'une partie avant d'un véhicule The characteristics of the invention mentioned above, as well as others, will appear more clearly on reading the following description of an exemplary embodiment, with reference to the accompanying drawings in which - Figure 1 is a schematic view in section of a device according to the present invention, and - Figure 2 is a perspective view of a front part of a vehicle
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automobile pourvu d'un dispositif selon la présente invention. automobile provided with a device according to the present invention.
On a représenté à la figure 1, un dispositif d'évacuation des vapeurs d'hydrogène dégagées par une pile à combustible, non représentée, logée dans une enceinte étanche 1, plus précisément d'une enceinte à volume contrôlé, utilisée pour permettre le fonctionnement d'un moteur électrique et donc d'un véhicule automobile. FIG. 1 shows a device for discharging the hydrogen vapors given off by a fuel cell, not shown, housed in a sealed enclosure 1, more specifically a volume-controlled enclosure, used to allow operation an electric motor and therefore a motor vehicle.
La pile à combustible ainsi que son fonctionnement ne seront pas décrits dans la suite de la description. The fuel cell and its operation will not be described in the following description.
Ladite enceinte étanche 1 est logée dans la partie avant du véhicule automobile dans un volume défini notamment par les ailes 2, le capot 3 et un berceau 4 sur lequel sont agencés les éléments de liaison au sol. Said sealed enclosure 1 is housed in the front part of the motor vehicle in a volume defined in particular by the wings 2, the cover 3 and a cradle 4 on which the ground connection elements are arranged.
Selon la présente invention, cette enceinte 1 est pourvue dans sa partie supérieure d'un conduit d'évacuation 5 de l'air vicié dans ladite enceinte 1 qui débouche par son extrémité libre 5a à l'extérieur du véhicule automobile à un niveau situé au-dessus de la partie supérieure de l'enceinte 1. According to the present invention, this enclosure 1 is provided in its upper part with a duct 5 for evacuating stale air in said enclosure 1 which opens by its free end 5a outside the motor vehicle at a level located at above the upper part of enclosure 1.
Ce conduit 5 comporte en outre dans son intérieur une forme particulière 6 destinée à assurer un effet venturi. This conduit 5 further comprises in its interior a particular shape 6 intended to ensure a venturi effect.
Cette forme particulière 6 est par exemple constituée d'un étranglement du conduit 5 destiné à obliger l'air d'accélérer pour conserver le même débit qu'en amont de l'étranglement. This particular shape 6 is for example constituted by a constriction of the duct 5 intended to force the air to accelerate to maintain the same flow rate as upstream of the constriction.
Par ailleurs, ledit conduit 5 comporte également un moyen de déplacement de l'air 7 régulé par des moyens de contrôle du taux d'hydrogène, non représentés, contenu dans l'enceinte 1 vers l'extérieur, situé en amont de l'effet venturi 6 afin d'assurer une dépression entraînant par voie de conséquence une aspiration de l'air vicié contenu dans l'enceinte 1. Furthermore, said duct 5 also includes a means for moving the air 7 regulated by means of controlling the hydrogen rate, not shown, contained in the enclosure 1 towards the outside, located upstream of the effect. venturi 6 in order to ensure a vacuum resulting consequently in an aspiration of the stale air contained in the enclosure 1.
Le moyen de déplacement de l'air vicié 7 est constitué par exemple d'un ventilateur classique situé à distance de l'enceinte 1 et relié au conduit par un tube 8 comme visible sur les figures, formant ainsi le fluide moteur. Le tube 8 est disposé avantageusement de manière perpendiculaire à l'orifice de fuite 1 b afin de diriger l'air vicié vers la sortie. The means for moving the stale air 7 consists for example of a conventional fan located at a distance from the enclosure 1 and connected to the duct by a tube 8 as shown in the figures, thus forming the working fluid. The tube 8 is advantageously arranged perpendicular to the leak orifice 1b in order to direct the stale air towards the outlet.
Selon une variante de réalisation, on notera que le moyen de déplacement de l'air vicié (7) peut avantageusement être constitué par un gaz sous pression, According to an alternative embodiment, it will be noted that the means for displacing the stale air (7) can advantageously consist of a gas under pressure,
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préférentiellement inerte, par exemple de l'azote ou un mélange air 1 azote. preferably inert, for example nitrogen or an air 1 nitrogen mixture.
Les moyens de contrôle sont par exemple un capteur transmettant à un bloc de gestion électronique, non représenté, le taux de l'hydrogène à l'intérieur de l'enceinte 1 apte à piloter, en fonction des taux de consigne d'hydrogène pré- établis, le débit d'écoulement du fluide moteur assurant ainsi une sécurité optimale de la qualité de l'air contenu dans ladite enceinte 1 et évitant tout risque d'atmosphère explosive à l'intérieur de celle-ci. The control means are for example a sensor transmitting to an electronic management unit, not shown, the rate of hydrogen inside the enclosure 1 able to control, as a function of the pre-set hydrogen set rate. established, the flow rate of the working fluid thus ensuring optimum safety of the quality of the air contained in said enclosure 1 and avoiding any risk of an explosive atmosphere inside it.
On comprend qu'à chaque débit d'écoulement du fluide moteur correspond une vitesse prédéterminée de rotation du ventilateur 7. It is understood that for each flow rate of flow of the working fluid corresponds a predetermined speed of rotation of the fan 7.
On a représenté sur les figures 1 et 2, un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention, dans lequel l'extrémité libre du conduit 5 est conforme pour coopérer avec une cheminée de sortie d'air 9 agencée dans l'aile 2 afin de permettre l'évacuation des vapeurs d'hydrogène dans l'espace 10 séparant l'aile 2 du capot 3. There is shown in Figures 1 and 2, a particular embodiment of the device according to the invention, in which the free end of the duct 5 conforms to cooperate with an air outlet chimney 9 arranged in the wing 2 in order to allow the evacuation of hydrogen vapors in the space 10 separating the wing 2 from the cover 3.
Selon un autre mode de réalisation non représenté, la cheminée d'évacuation 9 est prolongée dans le montant de baie afin de disposer par exemple d'une sortie des vapeurs d'hydrogène au niveau du toit du véhicule. According to another embodiment not shown, the exhaust chimney 9 is extended in the rack upright so as to have, for example, an outlet for the hydrogen vapors at the level of the roof of the vehicle.
Le fonctionnement du dispositif selon l'invention ressort déjà de la description qui en a été faite ci-dessus et va maintenant être explicité en détail. The operation of the device according to the invention already emerges from the description which has been made above and will now be explained in detail.
Lors du fonctionnement de la pile à combustible cette dernière dégage naturellement des vapeurs d'hydrogène à l'intérieur de l'enceinte 1 créant un air vicié susceptible, à défaut d'évacuation, de créer une atmosphère explosive dont le taux est contrôlé en permanence par des moyens de contrôle. During the operation of the fuel cell, the latter naturally gives off hydrogen vapors inside the enclosure 1, creating stale air capable, if not evacuated, of creating an explosive atmosphere the rate of which is constantly controlled. by means of control.
Selon le procédé défini par la présente invention, on réalise une dépression à l'intérieur du conduit d'évacuation reliant l'enceinte 1 à l'extérieur du véhicule permettant une aspiration de l'air vicié contenu dans ladite enceinte 1 puis on accélère le débit de l'air vicié à l'intérieur dudit conduit avant son évacuation vers l'extérieur notamment au moyen d'un étranglement. According to the method defined by the present invention, a vacuum is produced inside the exhaust duct connecting the enclosure 1 to the outside of the vehicle allowing suction of the stale air contained in said enclosure 1 and then accelerating the flow of stale air inside said duct before it is discharged to the outside, in particular by means of a throttle.
On comprend que l'hydrogène qui présente une densité différente de l'air subisse la poussée d'Archimède et s'élève au-dessus de l'orifice de fuite 1 b dans la dépression, accélérant son évacuation vers l'extérieur. It is understood that the hydrogen which has a different density of air undergoes Archimedes' push and rises above the leak orifice 1b in the depression, accelerating its evacuation to the outside.
On notera à cet effet que la paroi supérieure 1 c de ladite enceinte 1 est It will be noted for this purpose that the upper wall 1 c of said enclosure 1 is
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avantageusement plate et horizontale ou légèrement convergente vers l'entrée du conduit d'évacuation 5 de sorte que les vapeurs d'hydrogène soient nécessairement conduites vers l'entrée d'orifice de fuite 1 b qui se trouve au point le plus haut du volume interne de l'enceinte. Une telle configuration de l'enceinte rend possible l'évacuation de l'hydrogène résiduel même lorsque le fluide moteur est inopérant. advantageously flat and horizontal or slightly convergent towards the inlet of the exhaust duct 5 so that the hydrogen vapors are necessarily conducted towards the inlet of the leak orifice 1b which is located at the highest point of the internal volume of the enclosure. Such a configuration of the enclosure makes it possible to evacuate the residual hydrogen even when the working fluid is inoperative.
On comprend à la lecture de la description ci-dessus que le procédé et le dispositif selon la présente invention sont relativement simples à réaliser et permettent une évacuation permanente de l'air vicié contenu dans l'enceinte 1 en s'assurant que l'évacuation de cet air se fasse dans un endroit le plus éloigné d'un élément électrique tel que notamment le ventilateur 7. It is understood from reading the description above that the method and the device according to the present invention are relatively simple to carry out and allow permanent evacuation of the stale air contained in enclosure 1 while ensuring that the evacuation of this air takes place in a place furthest from an electrical element such as in particular the fan 7.
En outre, un tel dispositif est très économique par rapport à la solution d'un ventilateur spécifique et permet d'assurer une sécurité accrue au véhicule. In addition, such a device is very economical compared to the solution of a specific fan and makes it possible to ensure increased safety for the vehicle.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits. Although the invention has been described in connection with a particular embodiment, it includes all the technical equivalents of the means described.
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