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JP2023546799A - Heat management method for vehicle fuel cell system - Google Patents

Heat management method for vehicle fuel cell system Download PDF

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JP2023546799A
JP2023546799A JP2023519740A JP2023519740A JP2023546799A JP 2023546799 A JP2023546799 A JP 2023546799A JP 2023519740 A JP2023519740 A JP 2023519740A JP 2023519740 A JP2023519740 A JP 2023519740A JP 2023546799 A JP2023546799 A JP 2023546799A
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thermal management
cartridge
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JP2023519740A
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ユルゲン・デデールワーダー
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プラスチック・オムニウム・アドヴァンスド・イノベーション・アンド・リサーチ
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Abstract

Figure 2023546799000001

車両用の給電システム(2)であって、水素電池(6)と、複数のアンモニア貯蔵カートリッジ(16)と、電池(6)に対する各々のカートリッジ(16)の注入回路(20)と、伝熱流体を含んだ電池の冷却回路(8)と、放熱器(14)と、を備えるシステムにおけるこの熱管理の方法では、カートリッジ(16)の少なくとも1つはアクティブであり、カートリッジ(16)の少なくとも1つはパッシブであり、a)アクティブなカートリッジ(16)の少なくとも1つの内部のアンモニア圧力を高めるステップと、b)電池(6)を出た伝熱流体を、パッシブなカートリッジ(16)の少なくとも1つに循環させるステップと、c)アクティブなカートリッジ(16)の少なくとも1つにおけるアンモニア脱着速度を速め、脱着されたアンモニアの一部をパッシブなカートリッジ(16)の1つに貯蔵するステップと、のうちのいずれか少なくとも1つを実行する。

Figure 2023546799000001

A power supply system (2) for a vehicle, comprising a hydrogen battery (6), a plurality of ammonia storage cartridges (16), an injection circuit (20) of each cartridge (16) for the battery (6), and a heat transfer system. In this method of thermal management in a system comprising a fluid-containing battery cooling circuit (8) and a heat sink (14), at least one of the cartridges (16) is active and at least one of the cartridges (16) One is passive and includes a) increasing the ammonia pressure inside at least one of the active cartridges (16) and b) directing the heat transfer fluid leaving the battery (6) to at least one of the passive cartridges (16). c) increasing the rate of ammonia desorption in at least one of the active cartridges (16) and storing a portion of the desorbed ammonia in one of the passive cartridges (16); Execute at least one of the following.

Description

本発明は車両での熱管理に関する。より詳細には、本発明は、車両用の燃料電池式給電システム、およびそのシステムの熱管理方法に関する。 The present invention relates to thermal management in vehicles. More particularly, the present invention relates to a fuel cell power supply system for a vehicle and a method for thermal management of the system.

自動車両はエネルギー源による供給を受ける駆動手段を備えており、それによって車両は動くことができる。最も普及しているエネルギー源の1つとして、燃料で動作する内燃機関がある。しかし、燃料を燃焼させると、大気汚染を引き起こす二酸化炭素を発生させることになるため、より汚染の少ないエネルギー源の採用が好ましいと考えられる。 Motor vehicles are equipped with drive means supplied by an energy source, by means of which the vehicle can be moved. One of the most popular energy sources is the internal combustion engine, which runs on fuel. However, since burning fuel generates carbon dioxide that causes air pollution, it is considered preferable to use less polluting energy sources.

内燃機関の代わりに燃料電池、たとえば水素電池を利用することが知られている。水素分子の形の水素が電池で酸化されることで、駆動手段に供給するための電気と熱とが発生する。水素は、貯蔵カートリッジ内の塩に吸収されるか、または吸着した気体アンモニアの形で貯蔵することができる。それが水素の安全な貯蔵方法の1つである。そこで、電池に供給できる水素分子を生成するには、塩からアンモニアを脱着し、さらにクラッキングを行わなければならない。 It is known to use fuel cells, such as hydrogen cells, in place of internal combustion engines. Oxidation of hydrogen in the form of hydrogen molecules in the battery generates electricity and heat to supply the drive means. Hydrogen can be stored in the form of gaseous ammonia absorbed or adsorbed on salts within the storage cartridge. That is one way to safely store hydrogen. Therefore, to generate hydrogen molecules that can be supplied to batteries, ammonia must be desorbed from the salt and cracking must be performed.

本発明の説明の文脈では、簡単のため、吸収および脱着という用語を、それぞれ気体アンモニアの塩への貯蔵と塩からの放出とをいうために使用し、その貯蔵が吸収によるものであるか、吸着によるものであるかを問わないことにする。 In the context of the description of the present invention, for simplicity, the terms absorption and desorption will be used to refer to the storage and release of gaseous ammonia into and from the salt, respectively, whether the storage is by absorption or not. It does not matter whether it is due to adsorption or not.

「低温」電池は、一般に60℃~80℃の温度にあるときに最適な動作を示す。そのため、水素分子の酸化によって発生する熱を排出して、電池の温度がその値を大きく超えないようにする必要がある。 "Cool" cells generally exhibit optimal operation at temperatures between 60°C and 80°C. Therefore, it is necessary to discharge the heat generated by the oxidation of hydrogen molecules so that the temperature of the battery does not significantly exceed this value.

そのため、電池と接するように冷却流体を通すことで熱を吸収し、放熱器を使ってその熱を外気によって消散させることが知られている。しかし、この解決法は電池を最適な動作温度に保つには必ずしも十分と言い切れない。実際、夏季かつ/または気候的に高温の国々などで周囲の気温がそもそも高ければ、放熱器が、外気と電池との温度差で電池を最適な動作温度に保てるほど大量の熱の消散を果たせない可能性がある。さらに、電池がより多くの電気エネルギーを送達しなければならないような局面では、したがってより多くの熱を発生させるときには、放熱器は、その過剰な熱を消散させるには十分たり得ない可能性がある。 Therefore, it is known to absorb heat by passing a cooling fluid in contact with the battery, and then use a radiator to dissipate the heat with the outside air. However, this solution is not always sufficient to keep the battery at optimal operating temperature. In fact, if the ambient temperature is high to begin with, such as in the summer and/or in hot countries, a radiator can dissipate enough heat to keep the battery at its optimal operating temperature due to the temperature difference between the outside air and the battery. There is a possibility that there is no. Furthermore, in situations where the battery has to deliver more electrical energy and therefore generate more heat, the heat sink may not be sufficient to dissipate that excess heat. be.

特許文献1は、アンモニアの脱着が吸熱反応であることから、電池で発生する熱の一部を貯蔵カートリッジ内のアンモニアの脱着のために供給する目的で利用することを提案している。それにより、放熱器に加え、電池によって発生する熱のもう1つ別の排出源を得ることができる。しかし、それでも電池の温度を最適な動作温度に保つのに常に十分とはならない可能性がある。 Since the desorption of ammonia is an endothermic reaction, Patent Document 1 proposes that part of the heat generated in the battery is used to supply the desorption of ammonia in the storage cartridge. Thereby, in addition to the heat sink, another source of heat generated by the battery can be obtained. However, this may not always be sufficient to maintain the temperature of the battery at optimal operating temperature.

国際公開第2011107279号International Publication No. 2011107279

本発明は、とりわけ電池が集中的に使用される局面で、電池からさらに多くの熱を排出できるようにしてこの問題を解決することを特に目的とする。 The present invention specifically aims to solve this problem by allowing more heat to be dissipated from the battery, especially in situations where the battery is used intensively.

そこで、本発明によれば、車両用の給電システムにおける熱管理の方法であって、そのシステムが、
- 水素分子の供給を受けることができる燃料電池と、
- マトリックスに吸収された形でアンモニアを貯蔵する複数のカートリッジと、
- 各々のカートリッジの出口と電池の入口とをつなぐ注入回路と、
- 伝熱流体が循環する電池の冷却回路であって、各々のカートリッジに供給を行う分岐管を備える冷却回路と、
- 伝熱流体を冷却できる放熱器と、
を備える、方法において、
カートリッジの少なくとも1つが注入回路に気体アンモニアを放出するアクティブ状態にあり、カートリッジの少なくとも1つが注入回路に気体アンモニアを放出しないパッシブ状態にあり、
a) アクティブ状態にあるカートリッジの少なくとも1つの内部のアンモニア圧力を高めるステップと、
b) 電池を出た伝熱流体を、パッシブ状態にあるカートリッジの少なくとも1つに循環させるステップと、
c) アクティブ状態にあるカートリッジの1つにおけるアンモニア脱着速度を速め、脱着されたアンモニアの一部をそれ以外のカートリッジの1つ、好ましくはパッシブ状態にあるカートリッジの1つに貯蔵するステップと、
のうちのいずれか少なくとも1つを実行する、方法を提供する。
According to the present invention, there is provided a method of thermal management in a power supply system for a vehicle, the system comprising:
- a fuel cell capable of receiving a supply of hydrogen molecules;
- a plurality of cartridges storing ammonia in a matrix-absorbed form;
- an injection circuit connecting the outlet of each cartridge and the inlet of the battery;
- a cooling circuit for the battery in which a heat transfer fluid circulates, the cooling circuit comprising branch pipes supplying each cartridge;
- a radiator capable of cooling the heat transfer fluid;
In a method comprising:
at least one of the cartridges is in an active state that releases gaseous ammonia into the injection circuit; at least one of the cartridges is in a passive state that does not release gaseous ammonia into the injection circuit;
a) increasing the ammonia pressure inside at least one of the cartridges in the active state;
b) circulating the heat transfer fluid exiting the battery through at least one of the cartridges in a passive state;
c) increasing the rate of ammonia desorption in one of the cartridges in the active state and storing a portion of the desorbed ammonia in one of the other cartridges, preferably in one of the cartridges in the passive state;
A method is provided for performing at least one of the following.

そのため、アンモニア貯蔵カートリッジに一時的な熱需要を生み出すことができる。ステップa)は、カートリッジ内の熱力学的平衡をシフトさせることができる。カートリッジ内のアンモニア圧力を上げることができるようにすることによって、平衡に達するのに必要な温度を引き上げることができ、したがってそのカートリッジの熱需要を高めることが可能になる。換言すれば、熱を余計に吸収させることによってカートリッジ内の温度を引き上げ、それによって、つまり間接的に、カートリッジ内のアンモニア圧力を上昇させる結果となる。ステップb)は、パッシブ状態にある少なくとも1つのカートリッジに熱を貯蔵しつつ、それによってそのカートリッジがアクティブ状態に切り替わらないようにすることができる。ステップc)は、アクティブ状態にある少なくとも1つのカートリッジ内に、電池の瞬間消費量と比べて過剰なアンモニアを作り出すことができ、したがって当該カートリッジに過剰な熱消費を作り出すことができる。 Therefore, a temporary heat demand can be created for the ammonia storage cartridge. Step a) may shift the thermodynamic equilibrium within the cartridge. By being able to increase the ammonia pressure within the cartridge, the temperature required to reach equilibrium can be increased, thus increasing the heat demand of that cartridge. In other words, the additional absorption of heat results in an increase in the temperature within the cartridge, thereby indirectly increasing the ammonia pressure within the cartridge. Step b) may store heat in at least one cartridge in a passive state, thereby preventing that cartridge from switching to an active state. Step c) may create an excess of ammonia in the at least one cartridge in the active state compared to the instantaneous consumption of the battery, and thus an excess of heat consumption in that cartridge.

これらのステップの各々は、カートリッジが消費する熱を一時的に増大させることができるものであり、したがって、電池を最適な使用温度に近い温度に保つために放熱器を使って排出する必要のある電池による発生熱を減らすことができる。 Each of these steps can temporarily increase the heat dissipated by the cartridge, which therefore needs to be evacuated using a heatsink to keep the battery close to its optimal operating temperature. Heat generated by batteries can be reduced.

有利には、ステップa)、ステップb)およびステップc)のうち少なくとも2つのステップを実行する。 Advantageously, at least two of step a), step b) and step c) are carried out.

有利には、ステップa)、ステップb)およびステップc)の3つのステップを実行する。 Advantageously, three steps are carried out: step a), step b) and step c).

それにより、電池から出てシステムが消費する熱量をさらに増大させることができる。それによって、カートリッジによって消費される熱エネルギー量を機敏に加減することも可能になる。 This can further increase the amount of heat that is consumed by the system out of the battery. It also makes it possible to flexibly adjust the amount of thermal energy consumed by the cartridge.

特定の実施形態では、電池の出力を落とすステップd)を実行する。 In a particular embodiment, step d) of reducing the power of the battery is performed.

有利には、ステップa)で、アクティブ状態にあるカートリッジの少なくとも1つの圧力を、3バールより大きい、好ましくは4バールより大きい、さらに好ましくは5バールより大きい値まで高める。 Advantageously, in step a) the pressure of at least one of the cartridges in the active state is increased to a value greater than 3 bar, preferably greater than 4 bar and even more preferably greater than 5 bar.

このように圧力を引き上げることで、カートリッジ内の熱力学的平衡温度を大幅に高めることができる。たとえば、マトリックスが塩化カルシウムである場合、圧力を2バールから5バールに引き上げることによって、平衡温度は約45℃から65℃にシフトする。 By increasing the pressure in this way, the thermodynamic equilibrium temperature within the cartridge can be significantly increased. For example, if the matrix is calcium chloride, increasing the pressure from 2 bar to 5 bar shifts the equilibrium temperature from approximately 45°C to 65°C.

有利には、カートリッジは、アンモニアの吸収および脱着を行うことができる塩化カルシウムのマトリックスをそれぞれ含む。 Advantageously, the cartridges each contain a matrix of calcium chloride capable of absorbing and desorbing ammonia.

この塩は、アンモニアを効率よく貯蔵することができる。 This salt can efficiently store ammonia.

より一般的には、マトリックスは、基本的な化学式がM(NHである塩の形をとることができるが、ここで、Mは、Li、Na、KもしくはCsなどのアルカリ金属、Mg、CaもしくはSrなどのアルカリ土類金属、および/またはV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、CuもしくはZnなどの遷移金属、あるいはNaAl、KAl、KZn、CsCuまたはKFeなどのそれらの化合物の中から選ばれる1つまたは複数の陽イオンであり、Xは、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸イオン、チオシアン酸塩、硫酸塩、モリブデン酸塩およびリン酸塩の中から選ばれる1つまたは複数の陰イオンであり、aは塩1分子当たりの陽イオンの数であり、zは塩1分子当たりの陰イオンの数であり、nは配位数で2~12である。 More generally, the matrix can take the form of a salt with the basic chemical formula M a (NH 3 ) n Alkali metals, alkaline earth metals such as Mg, Ca or Sr, and/or transition metals such as V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu or Zn, or NaAl, KAl, K2Zn , CsCu or K 2 Fe and X is one or more cations selected from among those compounds such as fluoride, chloride, bromide, iodide, nitrate, thiocyanate, sulfate, molybdate and one or more anions selected from phosphates, a is the number of cations per molecule of salt, z is the number of anions per molecule of salt, and n is the coordination The numbers range from 2 to 12.

有利には、注入回路は、アンモニアを窒素分子、水素分子およびアンモニアを含む混合気体に変換することができるアンモニアクラッキングモジュールを備え、必要があれば、その混合気体のアンモニア含有量を減らすことができる精製モジュールをさらに備える。 Advantageously, the injection circuit comprises an ammonia cracking module capable of converting ammonia into a gas mixture comprising nitrogen molecules, hydrogen molecules and ammonia and, if necessary, reducing the ammonia content of the gas mixture. It further includes a purification module.

したがって、水素分子純度がとりわけ高い混合気体を電池に供給することが可能である。そのため、本発明は、動作のために高い純度レベルの水素が必要とされる電池であって、英語圏の用語「Proton Exchange Membrane Fuel Cell(プロトン交換膜燃料電池)」の略号である「PEMFC」型の電池に特に適用可能なものとなる。 Therefore, it is possible to supply a gas mixture with particularly high hydrogen molecular purity to the battery. Therefore, the present invention is directed to a battery that requires a high purity level of hydrogen for operation, using the term "PEMFC", which is an abbreviation for the English-speaking term "Proton Exchange Membrane Fuel Cell". It is particularly applicable to type batteries.

有利には、本方法は車両で実行される。 Advantageously, the method is carried out in a vehicle.

本発明によれば、また、車両用の給電システムにおいて、
- 水素分子の供給を受けることができる燃料電池と、
- マトリックスに吸収された形でアンモニアを貯蔵する複数のカートリッジと、
- 各々のカートリッジの出口と電池の入口とをつなぐ注入回路と、
- 伝熱流体が循環する電池の冷却回路であって、各々のカートリッジに供給を行う分岐管を備える冷却回路と、
- 伝熱流体を冷却できる放熱器と、
- 前述の熱管理方法を実行することができる制御ユニットと、
を備えるシステムを提供する。
According to the present invention, in the vehicle power supply system,
- a fuel cell capable of receiving a supply of hydrogen molecules;
- a plurality of cartridges storing ammonia in a matrix-absorbed form;
- an injection circuit connecting the outlet of each cartridge and the inlet of the battery;
- a cooling circuit for the battery in which a heat transfer fluid circulates, the cooling circuit comprising branch pipes supplying each cartridge;
- a radiator capable of cooling the heat transfer fluid;
- a control unit capable of carrying out the aforementioned thermal management method;
Provides a system with.

本発明によれば、また、前述の供給システムを備える自動車両を提供する。 According to the invention there is also provided a motor vehicle comprising the aforementioned supply system.

以下では、本発明について、添付の図面を参照しながら例としてのみ行う以下の説明を通して紹介する。 The invention will now be introduced through the following description, given by way of example only and with reference to the accompanying drawings, in which: FIG.

本発明の第1の実施形態による車両用給電システムを示した図である。1 is a diagram showing a vehicle power supply system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態による車両用給電システムを示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a vehicle power supply system according to a second embodiment of the present invention.

図1に、本発明の第1の実施形態による車両4用の給電システム2を示す。 FIG. 1 shows a power supply system 2 for a vehicle 4 according to a first embodiment of the invention.

給電システム2は水素型燃料電池6を備える。これは、より詳細には、英語圏の用語でAlkaline Membrane Fuel Cell(アルカリ膜燃料電池)の略で「AMFC」、または英語圏の用語で「Proton Exchange Membrane Fuel Cell(プロトン交換膜燃料電池)」の略で「PEMFC」と一般に称されるものである。こうしたタイプの電池は、今日の技術において既知のものであり、その動作について以下で事細かに説明することはしない。 The power supply system 2 includes a hydrogen fuel cell 6 . This is more specifically referred to as "AMFC", which stands for Alkaline Membrane Fuel Cell (Alkaline Membrane Fuel Cell) in English-speaking parlance, or "Proton Exchange Membrane Fuel Cell" (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) in English-speaking parlance. It is generally referred to as "PEMFC". These types of batteries are known in the art today and their operation will not be described in detail below.

電池6は、供給された水素分子の酸化によって電気エネルギーの発生を得るように構成され、その電気エネルギーは車両4の駆動手段(図示せず)に伝達される。この酸化反応は発熱反応で同時に熱を発生させるため、電池6の動作時にはその温度も上がる。 The battery 6 is configured to obtain the generation of electrical energy by oxidizing the supplied hydrogen molecules, and the electrical energy is transmitted to the driving means (not shown) of the vehicle 4. Since this oxidation reaction is an exothermic reaction and simultaneously generates heat, the temperature also rises when the battery 6 is in operation.

電池6を冷却するため、供給システム2は、電池の冷却回路8を備えている。この冷却回路8は、伝熱流体が流れる管路であって、電池6に接する経路を通って伝熱流体が電池6との間で熱交換を行えるようにされた管路を有する。電池6は効率が最大となる最適使用温度(ここでは70℃前後)をもつ。電池6の温度を監視するため、冷却回路8は、冷却回路8内の伝熱流体の循環方向に沿って電池6の上流側および下流側に位置する温度センサを備える。冷却回路8内の伝熱流体の循環は、電池6の出力側に位置するポンプ12によって可能となる。図1では、冷却回路8内の伝熱流体の循環方向は、矢印によって示されている。 To cool the battery 6, the supply system 2 is equipped with a battery cooling circuit 8. The cooling circuit 8 is a conduit through which a heat transfer fluid flows, and has a conduit through which the heat transfer fluid can exchange heat with the battery 6 through a path in contact with the battery 6 . The battery 6 has an optimum operating temperature (here, around 70° C.) at which efficiency is maximized. To monitor the temperature of the battery 6 , the cooling circuit 8 comprises temperature sensors located upstream and downstream of the battery 6 along the direction of circulation of the heat transfer fluid within the cooling circuit 8 . Circulation of the heat transfer fluid within the cooling circuit 8 is made possible by a pump 12 located on the output side of the battery 6. In FIG. 1, the direction of circulation of the heat transfer fluid within the cooling circuit 8 is indicated by arrows.

供給システム2は、冷却回路8が貫いて通る放熱器14を備える。放熱器14は外気にさらされ、放熱器14を通り抜ける伝熱流体が外気と熱交換を行って伝熱流体を冷却できるようにされる。 The supply system 2 comprises a heat sink 14 through which the cooling circuit 8 passes. The heat radiator 14 is exposed to the outside air so that the heat transfer fluid passing through the radiator 14 can exchange heat with the outside air to cool the heat transfer fluid.

供給システム2は、水素分子の前駆体である気体アンモニアを貯蔵できるマトリックス18をそれぞれが含む複数の貯蔵カートリッジ16を備える。アンモニアはマトリックス18に吸収されるが、マトリックス18に吸着するものであることもできる。そのため、マトリックス18は、塩、たとえば塩化カルシウムからなることができる。塩化カルシウムは1つの塩化カルシウム分子が8つのアンモニア分子と結合できるだけに、とりわけ好都合である。 The supply system 2 comprises a plurality of storage cartridges 16, each containing a matrix 18 capable of storing gaseous ammonia, a precursor of molecular hydrogen. The ammonia is absorbed by the matrix 18, but it can also be adsorbed to the matrix 18. The matrix 18 may therefore consist of a salt, for example calcium chloride. Calcium chloride is particularly advantageous since one calcium chloride molecule can bind eight ammonia molecules.

供給システム2は、各々のカートリッジ16の出口と電池6の入口とをつなぐ注入回路20を備えている。注入回路20は、カートリッジ16から電池6に向けてアンモニアを通す役割を果たす。注入回路20は、アンモニアの温度を測定できる温度センサ10と逆止弁21とを各々のカートリッジ16の出口に備える。逆止弁21は、注入回路20入口のアンモニア圧力を上回るアンモニア圧力をもつカートリッジ16がアンモニアを脱着し、それを注入回路20に注入することを可能にする。 The supply system 2 comprises an injection circuit 20 connecting the outlet of each cartridge 16 and the inlet of the battery 6. Injection circuit 20 serves to pass ammonia from cartridge 16 to battery 6 . The injection circuit 20 includes a temperature sensor 10 capable of measuring the temperature of ammonia and a check valve 21 at the outlet of each cartridge 16. The check valve 21 allows the cartridge 16 with an ammonia pressure above the ammonia pressure at the inlet of the injection circuit 20 to desorb ammonia and inject it into the injection circuit 20.

注入回路20は、電池の方へ送り出されるアンモニアの量をはかることができる計量ユニット22を備える。計量ユニット22の入口には圧力センサ24が配置されて、計量ユニット22に入るアンモニアの圧力を測定する。 The injection circuit 20 comprises a metering unit 22 that is able to meter the amount of ammonia delivered towards the battery. A pressure sensor 24 is placed at the inlet of the metering unit 22 to measure the pressure of ammonia entering the metering unit 22.

注入回路20は、注入回路20内のアンモニアの循環方向に沿って計量ユニット22の下流側に、アンモニアのクラッキング反応が行われるクラッキングモジュール26を備える。この反応は、アンモニアから、窒素分子、水素分子およびアンモニアを含む混合気体を生成することができる。 The injection circuit 20 includes a cracking module 26 downstream of the metering unit 22 along the direction of circulation of ammonia in the injection circuit 20, in which an ammonia cracking reaction takes place. This reaction can produce a gas mixture containing nitrogen molecules, hydrogen molecules, and ammonia from ammonia.

注入回路20は、注入回路20内のアンモニアの循環方向に沿ってクラッキングモジュール26の下流側に、混合気体のアンモニア含有量を減らすことができる精製モジュール28を備える。この精製ステップは、電池が「PEMFC」型の場合は特に重要である。それは、このタイプの電池がとりわけ純度の高い水素分子の供給を必要とするためである。精製モジュール28を出た混合気体は、電池6に供給されて水素分子が酸化される。 The injection circuit 20 comprises, downstream of the cracking module 26 along the direction of circulation of ammonia in the injection circuit 20, a purification module 28 capable of reducing the ammonia content of the gas mixture. This purification step is particularly important if the cell is of the "PEMFC" type. This is because this type of battery requires a supply of particularly pure hydrogen molecules. The mixed gas exiting the purification module 28 is supplied to the battery 6, where hydrogen molecules are oxidized.

冷却回路8は、ポンプ12出口から供給を受ける三方弁30を備える。ポンプ12を出た伝熱流体は、一部が放熱器14の方へ向かう。それ以外の部分の伝熱流体は、各々のカートリッジ16に供給を行う分岐管32の方へ向かう。分岐管32は、各カートリッジ16が並列に取り付けられるように構成される。カートリッジ16への供給を行う分岐管32の各々には全開全閉弁34が設けられて、伝熱流体が経由しなければならないカートリッジ16を常時管理できるようにされる。カートリッジ16を出た伝熱流体は、冷却回路8によって放熱器14の方へ向かう。 The cooling circuit 8 includes a three-way valve 30 that receives supply from the outlet of the pump 12. A portion of the heat transfer fluid leaving pump 12 is directed toward radiator 14 . The remaining heat transfer fluid is directed toward branch pipes 32 that supply each cartridge 16. Branch pipe 32 is configured such that each cartridge 16 is attached in parallel. Each of the branch pipes 32 that supply the cartridges 16 is provided with a fully open and fully closed valve 34 so that the cartridges 16 through which the heat transfer fluid must pass can be constantly controlled. The heat transfer fluid leaving the cartridge 16 is directed by the cooling circuit 8 towards the radiator 14 .

供給システム2は、供給システムの各要素の動作を制御することができる制御ユニット36を備える。 The feeding system 2 comprises a control unit 36 capable of controlling the operation of each element of the feeding system.

ここからは、制御ユニット36によって車両で実行される供給システム2の熱管理方法について説明する。 From now on, a method of thermal management of the supply system 2 carried out in the vehicle by the control unit 36 will be described.

公称動作の局面では、電池6は、約100kWの電気出力を発生することができる。電池はおよそ50%の効率をもち、そのため、200kWの化学的出力を消費する一方で熱の形で100kWの熱出力を別途もたらす。この化学的出力に達するためには、質量流量で10.75g/s(モル流量で0,63mol/sに相当)のアンモニアを電池に供給する必要がある。そこで、幾つかのカートリッジ16は注入回路20に気体アンモニアを放出するアクティブ状態におかれ、残りのカートリッジ16は注入回路20に気体アンモニアを放出しないパッシブ状態におかれる。毎秒これだけの量のアンモニアが脱着されるためにカートリッジ16が消費する必要のある熱出力は26kWである。そのため、最適使用温度を超えかねない電池6の温度上昇を避けるには、なお74kWの熱出力を放熱器14などによって排出する必要がある。 In the nominal operating phase, the battery 6 is capable of generating an electrical output of approximately 100 kW. The battery has an efficiency of approximately 50%, so it consumes 200 kW of chemical power while providing an additional 100 kW of thermal power in the form of heat. To reach this chemical output, it is necessary to supply the cell with a mass flow rate of 10.75 g/s (corresponding to a molar flow rate of 0.63 mol/s) of ammonia. Some of the cartridges 16 are then placed in an active state where they release gaseous ammonia into the injection circuit 20, and the remaining cartridges 16 are placed in a passive state where they do not release gaseous ammonia into the injection circuit 20. The heat power that cartridge 16 would need to consume in order to desorb this amount of ammonia per second is 26 kW. Therefore, in order to avoid a rise in the temperature of the battery 6 that could exceed the optimum operating temperature, it is still necessary to discharge the heat output of 74 kW using the radiator 14 or the like.

外気温によっては、放熱器14は、排出すべき熱出力のすべてを消散させることができない可能性がある。また、車両4が電池6に対してより大きな電気出力を要求する状況におかれる可能性もあり、その場合には消散を必要とするより大きな熱出力が伴うことになる。 Depending on the outside temperature, the radiator 14 may not be able to dissipate all of the heat output that it must dissipate. It is also possible that the vehicle 4 is placed in a situation requiring a greater electrical output from the battery 6, which would then involve a greater thermal output that would need to be dissipated.

供給システム2によって消散される熱出力を一時的に増やすため、制御ユニット36は、以下の動作のうち、少なくともいずれか1つを実行する。
a) アクティブ状態にあるカートリッジ16の少なくとも1つの内部のアンモニア圧力を高める。それによって、当該カートリッジ内の熱力学的平衡をシフトさせることができる。そうすることで、平衡状態に到達するために必要な温度が上がり、したがって、そのカートリッジの熱需要が高まる。このケースでは、圧力を2バールから5バール(絶対圧力で)に引き上げることによって、平衡温度は約45℃から65℃にシフトする。そのため、当該カートリッジは、その平衡状態を維持するために電池から出される熱をより多く吸収する必要があることがわかる。
b) 電池6を出た伝熱流体を、パッシブ状態にあるカートリッジ16の少なくとも1つに循環させる。そのとき、当該カートリッジ内の温度の監視が行われなければならない。それは、当該カートリッジがアクティブ状態になって、すなわち、カートリッジ内でアンモニアの脱着が始まり、注入回路20への供給が行われるようになる閾値温度を超えてはならないためである。もっとも、カートリッジはその閾値温度に到達する前に、一定量の熱エネルギーを吸収する可能性がある。
d) 可能である場合には、電池6によって発生する電気出力を減らすことができる。その結果、電池6によって発生する熱出力が減少することになり、それはすなわち、放熱器14が消散しなければならない熱出力、消散されるべきでありながら放熱器14によって消散しきれない残りの熱出力を減少させることになる。
In order to temporarily increase the heat output dissipated by the supply system 2, the control unit 36 performs at least one of the following operations.
a) increasing the ammonia pressure inside at least one of the cartridges 16 in the active state; Thereby, the thermodynamic equilibrium within the cartridge can be shifted. Doing so increases the temperature required to reach equilibrium and therefore increases the heat demand of that cartridge. In this case, by increasing the pressure from 2 bar to 5 bar (absolute), the equilibrium temperature shifts from approximately 45°C to 65°C. It can therefore be seen that the cartridge needs to absorb more heat emitted by the battery in order to maintain its equilibrium state.
b) circulating the heat transfer fluid exiting the battery 6 to at least one of the cartridges 16 in a passive state; Monitoring of the temperature within the cartridge must then take place. This is because a threshold temperature must not be exceeded at which the cartridge becomes active, ie the desorption of ammonia begins in the cartridge and the supply to the injection circuit 20 takes place. However, the cartridge may absorb a certain amount of thermal energy before reaching its threshold temperature.
d) If possible, the electrical output generated by the battery 6 can be reduced. As a result, the heat output generated by the battery 6 will be reduced, i.e. the heat output that the heat sink 14 has to dissipate, the remaining heat that should be dissipated but cannot be dissipated by the heat sink 14. This will reduce the output.

放熱器14によって消散させることのできない熱出力に応じて、動作a)および動作b)、さらに可能である場合には動作d)のいずれか1つまたは2つの実行を選ぶことができる。また、これらの動作は異なる時間帯にわたって実行することができる。そのため、本発明は、電池6によって発生する熱出力の消散を機敏に管理できることがわかる。 Depending on the heat output that cannot be dissipated by the heat sink 14, one can choose to carry out one or two of actions a) and b) and, if possible, action d). Also, these operations can be performed over different time periods. Therefore, it can be seen that the present invention allows agile management of the dissipation of thermal power generated by the battery 6.

図2に、本発明の第2の実施形態による車両4用の給電システム2’を示す。第1の実施形態と同様の要素については同じ符号が与えられている。 FIG. 2 shows a power supply system 2' for a vehicle 4 according to a second embodiment of the invention. Elements similar to those in the first embodiment are given the same reference numerals.

本発明の第2の実施形態は、注入回路20が、カートリッジ16と並列に配置された全開全閉弁34であって、制御ユニット36によって制御される全開全閉弁34によって開閉が行われるリサイクル回路38を、計量ユニット22と反対方向に備える点が第1の実施形態と異なっている。この弁の下流側では、リサイクル回路38はカートリッジ16の各々への再挿入分岐管40を備えており、各々の再挿入分岐管40は、再挿入分岐管40を通してカートリッジ16からアンモニアが流出するのを防ぐために設けられた逆止弁21を備える。 A second embodiment of the present invention is a recycling system in which the injection circuit 20 is a fully open fully closed valve 34 arranged in parallel with the cartridge 16, and is opened and closed by the fully open fully closed valve 34 which is controlled by a control unit 36. This embodiment differs from the first embodiment in that the circuit 38 is provided in the opposite direction to the metering unit 22. Downstream of this valve, the recycle circuit 38 includes a reinsertion branch 40 to each of the cartridges 16 through which ammonia exits the cartridge 16. A check valve 21 is provided to prevent this.

システム2’は、第1の実施形態によるシステムと同じように機能する。また、システムは、システムが消費する熱出力を増大させるために、別の動作を実行することができる。すなわち、
c) アクティブ状態にあるカートリッジ16の1つにおけるアンモニア脱着速度を速め、脱着されたアンモニアの一部をパッシブ状態にあるカートリッジ16の1つに貯蔵する。そうして脱着されたアンモニアの余剰分は、リサイクル回路38を通り、対応する再挿入分岐管40の逆止弁21を通してパッシブ状態にあるカートリッジ16に、圧力差によって再び入り込む。
System 2' functions in the same way as the system according to the first embodiment. The system may also perform other operations to increase the heat output consumed by the system. That is,
c) increasing the rate of ammonia desorption in one of the cartridges 16 in the active state and storing a portion of the desorbed ammonia in one of the cartridges 16 in the passive state; The surplus ammonia thus removed passes through the recycle circuit 38 and reenters the cartridge 16 in the passive state through the check valve 21 of the corresponding re-insertion branch pipe 40 due to the pressure difference.

動作a)、動作b)、および場合によって動作d)は、動作c)と同時に実行して、システム2’で使用される熱出力量を増やすことができる。 Acts a), b), and optionally d) can be performed simultaneously with act c) to increase the amount of heat output used by the system 2'.

本発明は、紹介した実施形態だけに限定されるものではなく、当業者にはそれ以外の実施形態もおのずと明らかとなろう。 The invention is not limited to the embodiments introduced, but other embodiments will be obvious to those skilled in the art.

2、2’ エネルギー供給システム
4 車両
6 電池
8 冷却回路
10 温度センサ
12 ポンプ
14 放熱器
16 貯蔵カートリッジ
18 マトリックス
20 注入回路
21 逆止弁
22 計量ユニット
24 圧力センサ
26 クラッキングモジュール
28 精製モジュール
30 三方弁
32 分岐管
34 全開全閉弁
36 制御ユニット
38 リサイクル回路
40 再挿入分岐管
2, 2' Energy supply system 4 Vehicle 6 Battery 8 Cooling circuit 10 Temperature sensor 12 Pump 14 Heat sink 16 Storage cartridge 18 Matrix 20 Injection circuit 21 Check valve 22 Metering unit 24 Pressure sensor 26 Cracking module 28 Purification module 30 Three-way valve 32 Branch pipe 34 Fully open and fully closed valve 36 Control unit 38 Recycling circuit 40 Re-insertion branch pipe

Claims (10)

車両用の給電システム(2、2’)における熱管理方法であって、前記給電システムが、
- 水素分子の供給を受けることが可能な燃料電池(6)と、
- マトリックス(18)に吸収された形でアンモニアを貯蔵する複数のカートリッジ(16)と、
- 各々の前記カートリッジ(16)の出口と前記燃料電池(6)の入口とをつなぐ注入回路(20)と、
- 伝熱流体が循環する冷却回路(8)であって、各々の前記カートリッジ(16)に供給を行う分岐管(32)を備える冷却回路(8)と、
- 前記伝熱流体を冷却可能な放熱器(14)と、
を備える、熱管理方法において、
前記カートリッジ(16)の少なくとも1つが前記注入回路(20)に気体アンモニアを放出するアクティブ状態にあり、前記カートリッジ(16)の少なくとも1つが前記注入回路(20)に気体アンモニアを放出しないパッシブ状態にあり、
a) 前記アクティブ状態にある前記カートリッジ(16)の少なくとも1つの内部のアンモニア圧力を高めるステップと、
b) 前記燃料電池(6)を出た前記伝熱流体を、前記パッシブ状態にある前記カートリッジ(16)の少なくとも1つに循環させるステップと、
c) 前記アクティブ状態にある前記カートリッジ(16)の1つにおけるアンモニア脱着速度を速め、脱着されたアンモニアの一部をそれ以外の前記カートリッジ(16)の1つ、好ましくは前記パッシブ状態にある前記カートリッジ(16)の1つに貯蔵するステップと、
のうちのいずれか少なくとも1つを実行することを特徴とする熱管理方法。
A thermal management method in a vehicle power supply system (2, 2'), the power supply system comprising:
- a fuel cell (6) capable of receiving a supply of hydrogen molecules;
- a plurality of cartridges (16) storing ammonia in absorbed form in a matrix (18);
- an injection circuit (20) connecting the outlet of each said cartridge (16) and the inlet of said fuel cell (6);
- a cooling circuit (8) in which a heat transfer fluid circulates, comprising branch pipes (32) supplying each said cartridge (16);
- a radiator (14) capable of cooling the heat transfer fluid;
In a thermal management method comprising:
At least one of said cartridges (16) is in an active state discharging gaseous ammonia into said injection circuit (20) and at least one of said cartridges (16) is in a passive state discharging gaseous ammonia into said injection circuit (20). can be,
a) increasing the ammonia pressure inside at least one of said cartridges (16) in said active state;
b) circulating the heat transfer fluid leaving the fuel cell (6) to at least one of the cartridges (16) in the passive state;
c) increasing the rate of ammonia desorption in one of the cartridges (16) in the active state and transferring a portion of the desorbed ammonia to another one of the cartridges (16), preferably in the passive state; storing in one of the cartridges (16);
A thermal management method characterized by performing at least one of the following.
前記ステップa)、ステップb)およびステップc)のうち少なくとも2つのステップを実行する、請求項1に記載の熱管理方法。 The thermal management method according to claim 1, wherein at least two of the steps a), b) and c) are performed. 前記ステップa)、ステップb)およびステップc)の3つのステップを実行する、請求項1または2に記載の熱管理方法。 The thermal management method according to claim 1 or 2, wherein the three steps of step a), step b) and step c) are performed. 前記燃料電池(6)の出力を落とすステップd)をさらに実行する、請求項1から3のいずれか一項に記載の熱管理方法。 Thermal management method according to any one of claims 1 to 3, further comprising performing step d) of reducing the output of the fuel cell (6). 前記ステップa)で、前記アクティブ状態にある前記カートリッジ(16)の少なくとも1つの圧力を、3バールより大きい、好ましくは4バールより大きい、さらに好ましくは5バールより大きい値まで高める、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱管理方法。 From claim 1, wherein in step a) the pressure of at least one of the cartridges (16) in the active state is increased to a value greater than 3 bar, preferably greater than 4 bar, and even more preferably greater than 5 bar. 4. The heat management method according to any one of 4. 前記カートリッジ(16)が、アンモニアの吸収および脱着を行うことが可能な塩化カルシウムのマトリックス(18)をそれぞれ含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の熱管理方法。 The thermal management method according to any one of claims 1 to 5, wherein the cartridges (16) each contain a calcium chloride matrix (18) capable of absorbing and desorbing ammonia. 前記注入回路(20)が、アンモニアを窒素分子、水素分子およびアンモニアを含む混合気体に変換することが可能なアンモニアクラッキングモジュール(26)と、前記混合気体のアンモニア含有量を減らすことが可能な精製モジュール(28)と、を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の熱管理方法。 The injection circuit (20) includes an ammonia cracking module (26) capable of converting ammonia into a gas mixture comprising nitrogen molecules, hydrogen molecules and ammonia, and a purification module capable of reducing the ammonia content of the gas mixture. A thermal management method according to any one of claims 1 to 6, comprising a module (28). 車両(4)で実行される、請求項1から7のいずれか一項に記載の熱管理方法。 Thermal management method according to any one of claims 1 to 7, carried out in a vehicle (4). 車両用の給電システム(2、2)において、
- 水素分子の供給を受けることが可能な燃料電池(6)と、
- マトリックス(18)に吸収された形でアンモニアを貯蔵する複数のカートリッジ(16)と、
- 各々の前記カートリッジ(16)の出口と前記燃料電池(6)の入口とをつなぐ注入回路(20)と、
- 伝熱流体が循環する冷却回路(8)であって、各々の前記カートリッジ(16)に供給を行う分岐管(32)を備える冷却回路(8)と、
- 前記伝熱流体を冷却可能な放熱器(14)と、
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の熱管理方法を実行することが可能な制御ユニット(36)と、
を備えることを特徴とする給電システム。
In the vehicle power supply system (2, 2),
- a fuel cell (6) capable of receiving a supply of hydrogen molecules;
- a plurality of cartridges (16) storing ammonia in absorbed form in a matrix (18);
- an injection circuit (20) connecting the outlet of each said cartridge (16) and the inlet of said fuel cell (6);
- a cooling circuit (8) in which a heat transfer fluid circulates, comprising branch pipes (32) supplying each said cartridge (16);
- a radiator (14) capable of cooling the heat transfer fluid;
- a control unit (36) capable of implementing the thermal management method according to any one of claims 1 to 8;
A power supply system comprising:
請求項9に記載の給電システム(2、2’)を備える自動車両(4)。 A motor vehicle (4) comprising a power supply system (2, 2') according to claim 9.
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