FR2831333A1 - Dispositif d'alimentation en gaz d'une pile a combustible - Google Patents

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Abstract

Dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible comprenant une cathode et une anode, comprenant un reformeur 1 recevant en entrée un mélange d'alimentation composé principalement d'eau, de carburant et d'air, fournissant en sortie le réformat R, et au moins un étage de réaction du gaz à l'eau 2 traversé par le réformat issu du reformeur 1. L'étage de réaction du gaz à l'eau 2 comprend un échangeur thermique traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation M en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat R.

Description

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Dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible.
La présente invention concerne un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible.
Une pile à combustible fonctionnant à l'aide d'hydrogène et d'oxygène, réalise à l'anode une oxydation électrochimique de l'hydrogène, et une réduction électrochimique de l'oxygène à la cathode. Le fonctionnement de la pile à combustible nécessite donc l'apport d'oxygène et d'hydrogène. L'oxygène peut être apporté par une alimentation en air. L'hydrogène utilisé doit être stocké dans un réservoir ou peut être obtenu par reformage d'un carburant.
Le reformage du carburant s'effectue dans un reformeur recevant en entrée de l'eau, un carburant et/ou de l'air. Le réformat obtenu contient de l'hydrogène, ainsi que d'autres composants, principalement CO, CO, 1-LO, CH4, N. Le reformeur possède une plage de température de fonctionnement. Les composants du mélange d'alimentation doivent donc être portés à la température de fonctionnement du reformeur, qui se situe aux alentours de 800 C, avant leur entrée dans le reformeur. On peut utiliser un brûleur apportant la puissance thermique nécessaire au réchauffement des composants du mélange d'alimentation.
Si on utilise une pile à combustible fonctionnant à basse température et utilisant des électrodes pourvues de catalyseurs à base de platine, il faut éliminer du réformat certains composants, comme le CO, qui empoisonnent le catalyseur en se fixant de façon permanente sur les sites catalytiques du métal. On utilise donc des étages de purification qui permettent de diminuer la concentration de certains composants dans le réformat.
En général, on utilise des étages dits de réaction du gaz à l'eau . Ces étages permettent, en présence d'un catalyseur, de faire réagir le monoxyde de carbone avec de l'eau pour obtenir du dioxyde de carbone et de l'hydrogène. La réaction du gaz à l'eau s'effectue dans deux étages différents fonctionnant à des plages de température différentes, pour éliminer une plus grande quantité de monoxyde de carbone.
Afin de diminuer la concentration de monoxyde de carbone dans le réformat, on peut encore utiliser une réaction dite d'oxydation sélective qui permet, en présence d'un catalyseur, d'obtenir du dioxyde de carbone à partir de monoxyde de carbone et de dioxygène. Cette réaction s'effectue dans une plage de
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température encore différente des plages de température de fonctionnement des étages de réaction du gaz à l'eau.
Lors de l'utilisation de piles à combustibles utilisant une alimentation en hydrogène par reformage d'un carburant, une grande quantité d'énergie est dépensée pour porter les composants du mélange d'alimentation du reformeur à la température de fonctionnement du reformeur, ce qui diminue le rendement du système pile à combustible.
L'invention propose un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible permettant une amélioration du rendement du système pile à combustible.
L'invention propose encore un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile combustible permettant de minimiser la quantité d'énergie supplémentaire apportée aux composants du mélange d'alimentation du reformeur pour les porter à la température de fonctionnement du reformeur.
L'invention propose également un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible permettant une utilisation améliorée de l'énergie thermique excédentaire du réformat, et d'un encombrement réduit.
Un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible comprenant une cathode et une anode, selon un aspect de l'invention, comprend un reformeur recevant en entrée un mélange d'alimentation composé principalement d'eau, de carburant et d'air, fournissant en sortie un réformat, et au moins un étage de réaction du gaz à l'eau traversé par le réformat issu du reformeur. L'étage de réaction du gaz à l'eau comprend un échangeur thermique traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation en vue de son réchauffement, et du refroidissement du réformat.
L'échangeur thermique de l'étage de réaction du gaz à l'eau, utilisant comme source chaude le réformat issu du reformeur, et comme source froide un composant du mélange d'alimentation, permet de réchauffer le composant du mélange d'alimentation tout en refroidissant le réformat. La puissance thermique supplémentaire à fournir au composant du mélange d'alimentation, pour le porter à la température de fonctionnement du reformeur en vue de la réaction de reformage, est donc réduite.
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Le dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible peut comprendre un brûleur permettant de réchauffer le mélange d'alimentation avant son entrée dans le reformeur.
Avantageusement, le dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible comprend un échangeur thermique associé au reformeur, traversé par le réformat issu du reformeur, l'échangeur thermique étant traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation, en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat. Le reformeur fonctionne à température élevée, typiquement 800 C, alors que l'étage de réaction du gaz à l'eau fonctionne à une température plus faible, typiquement 400 C. Il est donc nécessaire de refroidir le réformat avant son entrée dans l'étage de réaction du gaz à l'eau. L'échangeur thermique associé au reformeur, permet d'utiliser l'énergie thermique excédentaire du réformat pour réchauffer le composant du mélange d'alimentation.
Dans un mode de réalisation, un second échangeur thermique associé au reformeur est traversé par le réformat issu du reformeur avant son entrée dans le premier échangeur thermique, le second échangeur thermique étant traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation, en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat. Comme la différence entre les températures de fonctionnement du reformeur et de l'étage de réaction du gaz à l'eau est élevée, le réformat possède une énergie thermique excédentaire importante qu'il doit dissiper avant son entrée dans l'étage de réaction du gaz à l'eau. L'utilisation d'un second échangeur thermique associé au reformeur permet de réchauffer un composant du mélange d'alimentation différent du composant du mélange d'alimentation réchauffé dans le premier échangeur thermique.
Avantageusement, le dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible comprend un échangeur thermique associé à l'étage de réaction du gaz à l'eau, l'échangeur thermique étant traversé par le réformat issu de l'étage de réaction du gaz à l'eau, et par au moins un composant du mélange d'alimentation en vue du refroidissement du réformat et du réchauffement du composant du mélange d'alimentation.
De préférence, le dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible comprend un second étage de réaction du gaz à l'eau traversé par le réformat. En général, le second étage de réaction du gaz à l'eau permet d'améliorer l'élimination
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des composants du réformat qui sont des poisons pour les catalyseurs de la pile à combustible.
Avantageusement, le second étage de réaction du gaz à l'eau comprend un échangeur thermique traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation, en vue du réchauffement du composant du mélange d'alimentation et du refroidissement du réformat.
Avantageusement, le second étage de réaction du gaz à l'eau est traversé par le réformat issu de l'échangeur thermique associé au premier étage de réaction du gaz à l'eau. Le second étage de réaction du gaz à l'eau fonctionne à une température inférieure à la température de fonctionnement du premier étage de réaction du gaz à l'eau. On peut utiliser l'énergie thermique du réformat pour réchauffer un composant du mélange d'alimentation, tout en refroidissant le réformat en vue de son entrée dans le second étage de réaction du gaz à l'eau.
Dans un mode de réalisation, le dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible comprend un échangeur thermique associé au second étage de réaction du gaz à l'eau, l'échangeur thermique étant traversé par le réformat issu du second étage de réaction du gaz à l'eau, et par au moins un composant du mélange d'alimentation, en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat.
De préférence, le dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible comprend un étage d'oxydation sélective du monoxyde de carbone.
Avantageusement, l'étage d'oxydation sélective comprend un échangeur thermique traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation, en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat.
Dans un mode de réalisation, le dispositif d'alimentation en gaz de la pile à combustible comprend un échangeur thermique associé à l'étage d'oxydation sélective, l'échangeur thermique étant traversé par le réformat issu de l'étage d'oxydation sélective, et par au moins un composant du mélange d'alimentation, en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat. Comme la réaction qui se produit dans l'étage d'oxydation sélective s'effectue à une température plus élevée que la température de fonctionnement de la pile à combustible, il est possible d'utiliser l'énergie thermique en excédant du réformat pour réchauffer un composant du mélange d'alimentation du reformeur.
Dans un mode de réalisation, un échangeur thermique est traversé par des gaz sortant du compartiment cathodique et/ou du brûleur.
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Avantageusement, le dispositif comprend des moyens pour réaliser une détente bi-étagée avec réchauffement intermédiaire des gaz sortant du compartiment cathodique et/ou du brûleur, tout en récupérant de l'énergie sous forme mécanique
Avantageusement, au moins un échangeur thermique est traversé par des produits de réaction d'un étage de réaction des gaz à l'eau. Ainsi, on peut réchauffer un produit de réaction d'un étage de réaction des gaz à l'eau avant son entrée dans l'étage de réaction des gaz à l'eau, tout en refroidissant le réformat.
Dans un mode de réalisation, un échangeur thermique est remplacé par deux échangeurs secondaires, l'un desdits échangeurs secondaires étant traversé par un fluide caloporteur et au moins un composant du mélange d'alimentation, l'autre échangeur secondaire étant traversé par le fluide caloporteur et le réformat. Les échangeurs thermiques gaz-gaz sont encombrants. L'utilisation de deux échangeurs secondaires liquide-gaz permet d'utiliser deux échangeurs liquide-gaz plus compacts qu'un seul échangeur gaz-gaz.
L'invention concerne également un procédé de mise en température de chaque étage d'un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible, comprenant un reformeur recevant en entrée un mélange d'alimentation et une pluralité d'étages de traitement du réformat sortant du reformeur. On utilise selon l'invention une circulation à contre-courant des composants du mélange d'alimentation dans des échangeurs thermiques disposés sur un circuit d'alimentation en réformat de la pile à combustible, en vue de la mise en température du réformat pour chaque étage et du réchauffement du mélange d'alimentation du reformeur.
L'invention concerne encore un réacteur/échangeur thermique de structure particulière, pouvant en particulier être utilisé comme étage d'oxydation sélective, comprenant des tubes traversés par un mélange de fluides à traiter tel qu'un réformat et de l'air, en vue d'un échange de chaleur avec un fluide de refroidissement circulant le long des parois externes des tubes, les tubes étant remplis d'un catalyseur en vue de la réaction catalytique du mélange de fluides.
De préférence, des portions de longueur déterminée des tubes sont remplies de catalyseur, d'autres portions étant dénuées de catalyseur.
La présente invention et ses avantages seront mieux compris à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels :
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- la figure 1 illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible selon l'invention ; - la figure 2 est un graphique représentant l'évolution des températures des gaz dans le dispositif d'alimentation en gaz de la pile à combustible selon la figure 1 ;
Figure img00060001

- la figure 3 illustre schématiquement un second mode de réalisation du dispositif d'alimentation selon l'invention ; - la figure 4 illustre schématiquement un troisième mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation selon l'invention ; - la figure 5 représente une vue partielle d'une variante du troisième mode de réalisation ; et - la figure 6 représente une vue en coupe axiale d'un réacteur/échangeur thermique pour la réaction des gaz.
Sur la figure 1, un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible, comprend un reformeur 1 recevant en entrée un mélange d'alimentation M comprenant principalement de l'eau H, de l'essence E et de l'air AI. Le reformeur 1 fournit en sortie un réformat R destiné à l'alimentation d'une pile à combustible non représentée sur la figure, du type utilisant de l'hydrogène et de l'oxygène. Le reformeur 1 possède une température de fonctionnement Tl de l'ordre de 800 C.
Le réformat R issu de reformeur 1 traverse successivement un échangeur thermique 2, un étage de réaction du gaz à l'eau 3, un échangeur thermique 4, un étage de réaction du gaz à l'eau 5, un échangeur thermique 6, un étage d'oxydation sélective 7, et un échangeur thermique 8.
Dans les étages de réaction du gaz à l'eau 3 et 5, le réformat réagit, en présence d'un catalyseur, avec de l'eau apportée de l'extérieure ou présente en excès dans le réformat R. Pour éliminer efficacement certains composant du réformat à l'aide de cette réaction catalytique, on utilise deux étages de réaction du gaz à l'eau fonctionnant à des températures différentes. L'étage de réaction du gaz à l'eau 3 possède une température de fonctionnement T2 se situant aux environs de 400 C, alors que l'étage de réaction du gaz à l'eau 5 possède une température de fonctionnement T3 se situant approximativement à 200 C.
Dans l'étage d'oxydation sélective 7, le réformat R réagit, en présence d'un catalyseur, avec de l'oxygène apporté par une alimentation en air, non représentée sur le dessin. L'étage d'oxydation sélective 7 possède une température de fonctionnement T4 se situant aux environs de 150 C.
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Le réformat issu de l'échangeur thermique 8 alimente la pile à combustible, qui fonctionne de préférence à une température T5 se situant aux environs de 80 C.
L'étage de réaction du gaz à l'eau 3, l'étage de réaction du gaz à l'eau 5 et l'étage d'oxydation sélective 7 comprennent chacun un échangeur thermique intégré traversé d'une part par le réformat R pendant sa réaction catalytique avec l'eau ou l'air et d'autre part par le mélange d'alimentation M.
Le mélange d'alimentation M circule à contre-courant du réformat R. Le mélange d'alimentation M traverse ainsi successivement l'échangeur thermique 8, l'échangeur thermique de l'étage d'oxydation sélective 7, l'échangeur thermique 6, l'échangeur thermique de l'étage de réaction du gaz à l'eau 5, l'échangeur thermique 4, l'échangeur thermique de l'étage de réaction du gaz à l'eau 3, et l'échangeur thermique 2. Le mélange d'alimentation M traverse enfin un brûleur 9 avant d'alimenter le reformeur 1.
Comme indiqué plus haut, la réaction de reformage se produisant dans le reformeur 1 et les réactions se produisant dans les étages de réaction du gaz à l'eau 3 et 5, dans l'étage d'oxydation sélective 7, et la pile à combustible, non représentée
Figure img00070001

sur la figure, possèdent des températures de fonctionnement Tl à T5 différentes, se situant respectivement aux environs de 800 C, 400 C, 200 C, 150 C et 80 C. Il est donc nécessaire de refroidir le réformat R entre deux étapes successives, afin de le porter à la température de fonctionnement requise pour chaque étage.
Les échangeurs thermiques 2,4, 6 et 8 utilisent le mélange d'alimentation M comme source froide pour refroidir le réformat R. Les réactions catalytiques se produisant dans les étages de réaction du gaz à l'eau 3 et 5, et dans l'étage d'oxydation sélective 7 sont exothermiques. L'utilisation du mélange d'alimentation M comme source froide dans les échangeurs thermiques intégrés dans les étages de réaction du gaz à l'eau 3 et 5 et dans l'étage d'oxydation sélective 7, permet de transférer directement la chaleur produite par les réactions catalytiques au mélange d'alimentation M, en refroidissant le réformat R, tout en conservant le réformat R à une température comprise dans la plage de fonctionnement de l'étage considéré.
Le mélange d'alimentation M doit quant à lui être porté à la température de fonctionnement du reformeur 1. La circulation du mélange d'alimentation M, utilisé comme source froide dans les échangeurs thermiques 2,4, 6, 8, et dans les échangeurs thermiques intégrés des étages de réaction du gaz à l'eau 3 et 5 et d'oxydation sélective 7, permet de réchauffer le mélange d'alimentation M avant son
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entrée dans le reformeur 1. Le brûleur 9 permet d'apporter, s'il y a lieu, au mélange d'alimentation M l'énergie thermique manquante avant son entrée dans le reformeur 1. Le réchauffement préalable du mélange d'alimentation M lors de sa circulation à contre courant permet de diminuer l'énergie thermique qu'il est nécessaire d'apporter au mélange d'alimentation M dans le brûleur 9.
Sur la figure 2, un graphique représente de façon schématique les échanges thermiques entre le réformat R et le mélange d'alimentation M circulant à contrecourant. Le graphique présente en abscisses le passage du mélange d'alimentation M et du réformat R dans les différents échangeurs thermiques 2,4, 6,8, et dans les échangeurs thermiques intégrés des étages de réaction du gaz à l'eau 3,5 et de l'étage d'oxydation sélective 7, et en ordonnées la température du réformat R et du mélange d'alimentation M. Une courbe inférieure MT représente l'évolution de la température du mélange d'alimentation M, entre une température initiale MTI avant l'entrée du mélange d'alimentation M dans l'échangeur thermique 8 et une température finale MTF en sortie de l'échangeur thermique 2. Une courbe supérieure RT représentant l'évolution de la température du réformat R, entre une température initiale RTI en sortie du reformeur 1 et une température finale RTF en sortie de l'échangeur thermique 8.
A chaque étape, la température du mélange d'alimentation M en sortie reste toujours inférieure à la température d'entrée du réformat R. Après chaque étape, le mélange d'alimentation M peut être utilisé comme source froide dans un échangeur thermique situé en amont dans le circuit d'alimentation en réformat R.
En sortie de l'échangeur thermique 2, la température finale MTF du mélange d'alimentation M est inférieure à la température initiale du réformat RTI. L'énergie thermique nécessaire au passage du mélange d'alimentation M de la température MTF à la température initiale du réformat RTI, qui est la température de fonctionnement du reformeur 1, est fournie par le brûleur 9.
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation du dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible selon l'invention. Les références aux éléments semblables de la figure 1 ont été conservées. Dans ce mode de réalisation, la circulation des composants du mélange d'alimentation M dans les échangeurs thermiques est adaptée pour tirer parti au mieux de l'énergie thermique disponible du réformat R, en fonction des capacités calorifiques et des débits des fluides.
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Une alimentation 10 fournit un mélange d'alimentation intermédiaire MI, comprenant de l'eau et de l'essence. Le mélange d'alimentation intermédiaire MI traverse successivement l'échangeur thermique 8, l'échangeur thermique 6, puis l'échangeur thermique 4. Une alimentation 11 fournit de l'air AI traversant l'échangeur thermique intégré de l'étage de réaction du gaz à l'eau 3 avant d'être mélangé au mélange d'alimentation intermédiaire MI dans un mélangeur 12, pour obtenir le mélange d'alimentation M.
Le mélange d'alimentation M traverse successivement l'échangeur thermique 2, et un échangeur thermique 13 coopérant avec le brûleur 9 avant d'alimenter dans le reformeur 1.
Une alimentation 14 fournit de l'eau H traversant successivement l'échangeur thermique 4, et l'échangeur thermique intégré de l'étage d'oxydation sélective 7, avant d'alimenter l'étage de réaction du gaz à l'eau 3.
Le réformat R issu du reformeur 1 traverse successivement, en se refroidissant, l'échangeur thermique 2, l'étage de réaction du gaz à l'eau 3, l'échangeur thermique 4, l'étage de réaction du gaz à l'eau 5, l'échangeur thermique 6, l'étage d'oxydation sélective 7, et l'échangeur thermique 8. Le réformat R alimente un compartiment anodique A d'un pile à combustible 15. Le réformat R, ayant circulé dans le compartiment anodique A et issu du compartiment anodique A après la réaction d'oxydoréduction de l'hydrogène, alimente le brûleur 9, en lui servant de carburant, notamment en utilisant l'hydrogène encore présent dans le réformat R issu du compartiment anodique A.
Les gaz CA sortant du compartiment cathodique C de la pile à combustible 15, formés par la réaction d'oxydoréduction se produisant dans la pile à combustible 15, se mélangent au réformat R en sortie du brûleur 9, dans un mélangeur 16a, en formant des gaz G. Les gaz G alimentent un premier étage de détente 16. A l'issue de la première détente, les gaz G traversent l'échangeur thermique 2 où ils se
Figure img00090001

réchauffent avant d'alimenter un second étage de détente 17. e
Les étages de détente 16,17 sont par exemple des turbines. La détente bi- étagée avec réchauffement intermédiaire des gaz permet de récupérer de l'énergie sous forme mécanique à partir des gaz G, avec un rendement amélioré. Le mélange des gaz CA sortant du compartiment cathodique et du réformat R, sortant du brûleur 9 à température élevée, permet de réchauffer les gaz CA, et d'obtenir ensuite un meilleur rendement lors de la détente bi-étagée. La circulation dans l'échangeur
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thermique 2 des gaz G permet de récupérer la chaleur excédentaire du réformat R, tout en le refroidissant.
La circulation dans les échangeurs thermiques 2,4, 6,8, d'une part d'un mélange d'alimentation intermédiaire MI comprenant de l'eau et de l'essence et, d'autre part d'air AI, permet d'utiliser au mieux la chaleur excédentaire du réformat R en fonction des débits et des capacités calorifiques de l'eau, de l'essence et de l'air utilisés. L'alimentation de l'étage de réaction du gaz à l'eau 3 par une source d'eau extérieure ayant circulé dans l'échangeur thermique 6 et l'échangeur thermique intégré de l'étage d'oxydation sélective 7 permet également une meilleure utilisation de l'énergie thermique excédentaire du réformat R.
La figure 4 illustre une variante dans laquelle l'eau H, l'essence E et l'air AI alimentant le reformeur 1 circulent séparément avant d'être mélangés dans le brûleur 9 afin de former le mélange d'alimentation M du reformeur 1 tout en apportant l'énergie thermique manquante au mélange d'alimentation M.
L'eau H circule à contre-courant, successivement dans l'échangeur thermique 8, l'étage d'oxydation sélective 7, l'échangeur thermique 6, l'étage de réaction du gaz à l'eau 5, l'échangeur thermique 4, l'étage de réaction du gaz à l'eau 3, et l'échangeur thermique 2. Un second échangeur thermique 18 est disposé entre le reformeur 1 et l'échangeur thermique 2. L'échangeur thermique 18 est traversé, d'une part par le réformat R issu du reformeur 1, et d'autre part par l'essence E servant à l'alimentation du reformeur 1.
L'eau nécessaire à la réaction catalytique se produisant dans l'étage de réaction du gaz à l'eau 3 est déjà présente en excédant dans le réformat R qui alimente cet étage.
Le réformat R sortant du reformeur 1 se trouve à une température
Figure img00100001

approximative de 800 C. A la sortie de l'échangeur thermique 18, le réformat R se situe approximativement à une température de 750 C. Compte tenu des capacités calorifiques et des débits du réformat R et de l'essence E, l'essence E est portée dans l'échangeur thermique 18 d'une température initiale approximative de 20 C à une température finale de 430 C. En sortant de l'échangeur thermique 2, le réformat R se situe approximativement à la température de fonctionnement de l'étage de réaction du gaz à l'eau 3, c'est-à-dire 400 C.
A la sortie de l'étage de réaction du gaz à l'eau 3, le réformat R ayant échangé de la chaleur avec l'eau H, alors que de la chaleur était produite par la
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réaction catalytique du monoxyde de carbone avec l'eau, se situe encore approximativement à une température de 400 C. En sortie de l'échangeur thermique 4, le réformat R se situe approximativement à la température de 200 C, soit la température de fonctionnement de l'étage de réaction du gaz à l'eau 5. A l'issue de l'échangeur thermique 6, le réformat R se situe approximativement à la température de 150 C, qui est la température de fonctionnement de l'étage d'oxydation sélective 7. Enfin, à l'issue de l'échangeur thermique 8, le réformat R se situe à la température de fonctionnement de la pile à combustible non représentée sur la figure, soit environ 80 C. Lors des transferts thermiques avec le réformat R dans les échangeurs thermiques 4,6, 8 et dans les échangeurs thermiques intégrés des étages de réaction du gaz à l'eau 3 et 5 et de l'étage d'oxydation sélective 7, l'eau H circulant à contrecourant passe d'une température initiale égale à la température ambiante, à une température finale approximative de 600 C en sortie de l'échangeur thermique 2.
L'utilisation de l'énergie thermique en excédant du réformat R permet donc de porter les composants du mélange d'alimentation M du reformeur 1 à des températures élevées. Ainsi, il n'est plus nécessaire d'apporter une grande quantité d'énergie thermique au mélange d'alimentation M par le brûleur 9 se situant directement en amont de l'entrée du reformeur 1. De plus, l'utilisation du réformat R comme source chaude permet de refroidir le réformat R pour le porter à la température de fonctionnement des différents étages afin de purifier le réformat R avant son entrée dans la pile à combustible. Comme ces différentes réactions se produisent à des températures différentes, il est possible de réaliser une circulation à contre-courant d'un composant du mélange d'alimentation M ou de la totalité du mélange d'alimentation M. Bien entendu, il est judicieux d'adapter la circulation des différents composants du mélange d'alimentation M dans les différents échangeurs thermiques, et les différents étages de réaction, afin d'adapter la température du réformat R et d'exploiter au mieux son énergie thermique excédentaire
Comme illustré sur la figure 5, qui constitue une variante de la figure 4, il peut être avantageux de remplacer les échangeurs thermiques 18 et 2 par respectivement deux échangeurs thermiques secondaires 18a et 18b, et deux échangeurs thermiques secondaires 2a et 2b.
Un fluide caloporteur F traverse successivement les échangeurs thermiques 18a, 18b, 2a et 2b. Le réformat R issu du reformeur 1 traverse successivement
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l'échangeur thermique 18a et l'échangeur thermique 2a. L'essence E traverse l'échangeur thermique 18b. L'eau H travers l'échangeur thermique 2b.
Le fluide caloporteur F est utilisé successivement comme source froide dans l'échangeur 18a, comme source chaude dans l'échangeur thermique 18b, comme source froide dans l'échangeur thermique 2a, et enfin comme source chaude dans l'échangeur thermique 2b. En sortie de l'échangeur thermique 18b où il se refroidit, le fluide caloporteur F se trouve à une température inférieure à la température de sortie du réformat R de l'échangeur thermique 18a. Le fluide caloporteur F peut être utilisé comme source froide dans l'échangeur thermique 2a, pour refroidir le réformat R. Le fluide caloporteur F est réchauffé dans l'échangeur thermique 2a, puis refroidi dans l'échangeur thermique 2b par un échange de chaleur avec l'eau H.
On obtient en sortie de l'échangeur 2b un fluide caloporteur F à une température faible. La circulation du fluide caloporteur F est assurée dans un circuit indépendant, par une pompe de circulation non représentée sur la figure. Il est possible d'adapter le réglage du débit du fluide caloporteur F afin d'obtenir une température finale la plus proche possible de la température initiale.
L'utilisation d'un fluide caloporteur F intermédiaire permet d'utiliser des échangeurs thermiques 18a, 18b, 2a, 2b du type gaz-liquide, qui sont moins encombrants que les échangeurs thermiques du type gaz-gaz 18,2.
Sur la figure 6, on a représenté un réacteur/échangeur thermique tubulaire 20, qui peut être utilisé notamment comme étage d'oxydation sélective dans les modes de réalisation des figures 1 à 4, comprenant un échangeur thermique tubulaire.
L'échangeur 20 comprend une chambre d'admission 21, alimentée par une conduite d'admission 22 recevant par exemple le réformat R, mélangé à de l'air AI amené par une conduite secondaire 23 débouchant dans la conduite d'alimentation 22. Le mélange de réformat R et d'air AI circule ensuite à l'intérieur d'une pluralité de tubes 24 débouchant à une extrémité dans la chambre d'admission 21, et à l'extrémité opposée dans une chambre d'extraction 25 avant d'être extrait par une conduite de sortie 26.
Les tubes 24 comprennent des portions 24a de longueur déterminée remplies d'un catalyseur 27, et des portions de longueur déterminée 24b dénuées de catalyseur. Entre la chambre d'admission 21 et la chambre d'extraction 25, les tubes 24 traversent une chambre d'échange thermique 28 alimentée à une première extrémité par une conduite d'alimentation 29 en fluide de refroidissement SF utilisé
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comme source froide, le fluide SF circulant dans la chambre d'échange thermique 28, avant de ressortir par une conduite d'extraction 30 située à l'extrémité de la chambre d'échange thermique 28 opposée à la conduite d'alimentation 29.
La chambre d'échange thermique 28 peut comprendre des parois 31 perpendiculaires aux tubes 24 formant des chicanes, disposées dans des plans radiaux différents, et forçant le fluide dans la chambre 28 à suivre un trajet sinueux.
Lors du passage à l'intérieur des tubes 24, le fluide qui doit être transformé, par exemple le mélange de réformat R et d'air AI, réagit dans les portions de tube 24a remplies de catalyseur. Le même fluide échange de la chaleur avec le fluide SF à travers les parois des tubes 24, dans les portions 24b dénuées de catalyseur.
La réaction se produisant entre le réformat R et l'air AI dans les portions de tube 24a, en présence du catalyseur, peut être une réaction exothermique.
L'utilisation de portions de tube 24a remplies de catalyseur, alternées avec des portions de tube 24b dénuées de catalyseur, permet d'améliorer les échanges thermiques entre le fluide à traiter et le fluide de refroidissement. En effet, le fluide à traiter, tel que le réformat R et l'air AI, passe d'abord dans une portion de tube 24b non remplie, ce qui lui permet d'échanger de la chaleur avec le fluide de refroidissement SF. Ensuite, le fluide à traiter passe dans une portion de tube 24a. Du fait de la réaction catalytique exothermique, la température du fluide augmente, alors même que les échanges thermiques avec le fluide de refroidissement SF diminuent à cause de la présence du catalyseur 27 qui diminue le transfert de chaleur. Et ainsi de suite. L'utilisation de portions de tube 24a alternée avec des portions de tube 24b permet donc de favoriser les échanges thermiques avec le fluide SF, en prévenant une montée en température importante du réformat R et de l'air AI lors de la réaction catalytique.
Bien que ce réacteur/échangeur thermique ait été décrit dans le cadre d'un dispositif d'alimentation en réformat d'une pile à combustible, un tel échangeur thermique pourrait être adapté dans d'autres applications chaque fois qu'une réaction catalytique doit être associée à un échange thermique.
L'échangeur thermique peut permettre la réalisation d'une réaction catalytique entre deux liquides, ou entre deux gaz, et utiliser comme source froide un liquide ou un gaz. On adapte la disposition et la longueur des portions remplies de catalyseur et des portions dénuées de catalyseur en fonction de la réaction catalytique
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réalisée, de la nature des produits de la réaction, et du fluide utilisé comme source froide.
Le dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible selon l'invention permet, par une circulation à contre-courant des composants du mélange d'alimentation du reformeur et du réformat dans des échangeurs thermiques, et des étages de réaction comprenant des échangeurs intégrés, de récupérer l'énergie thermique excédentaire du réformat, pour réchauffer les composants de mélange d'alimentation en vue de leur entrée dans le reformeur. Bien entendu, la circulation des différents composants du mélange dans les échangeurs et dans les étages de réaction est adaptée en fonction des débits, et des capacités calorifiques de chaque fluide, de façon à permettre l'adaptation de la température du réformat aux températures de fonctionnement des différents étages de réaction, tout en récupérant et en utilisant au mieux l'énergie thermique excédentaire du réformat.

Claims (20)

REVENDICATIONS
1-Dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible comprenant une cathode et une anode, comprenant un reformeur (1) recevant en entrée un mélange d'alimentation (M) composé principalement d'eau, de carburant et d'air, fournissant en sortie un réformat (R), et au moins un étage de réaction du gaz à l'eau (3) traversé par le réformat (R) issu du reformeur (1), caractérisé par le fait que l'étage de réaction du gaz à l'eau (3) comprend un échangeur thermique traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation (M) en vue de son réchauffement, et du refroidissement du réformat (R).
2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un brûleur (9) permettant de réchauffer le mélange d'alimentation M avant son entrée dans le reformeur (1).
3-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur thermique (2) associé au reformeur (1) dont une entrée reçoit le réformat (R) issu du reformeur (1), l'échangeur thermique (2) étant par ailleurs traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation (M), en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat (R).
4-Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'un second échangeur thermique (18) associé au reformeur (1) est traversé par le réformat issu du reformeur (1) avant son entrée dans le premier échangeur thermique (2), l'échangeur thermique (18) étant traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation (M), en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat (R).
5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur thermique (4) associé à l'étage de réaction du gaz à l'eau (3), l'échangeur thermique (4) étant traversé par le réformat (R) issu de l'étage de réaction du gaz à l'eau (2), et par au moins un composant du mélange d'alimentation (M) en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat (R).
6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un second étage de réaction des gaz à l'eau (5) traversé par le réformat (R).
7-Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le second étage de réaction du gaz à l'eau (5) comprend un échangeur thermique traversé par au
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moins un composant du mélange d'alimentation (M), en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat (R).
8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que le second étage de réaction du gaz à l'eau (5) est traversé par le réformat (R) issu de l'échangeur thermique (4) associé au premier étage de réaction du gaz à l'eau (3).
9-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur thermique (6) associé au second étage de réaction du gaz à l'eau (5), l'échangeur thermique (6) étant traversé par le réformat (R) issu du second étage de réaction du gaz à l'eau (5), l'échangeur thermique (6) étant traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation (M), en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat.
10-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un étage d'oxydation sélective (7) du monoxyde de carbone traversé par le réformat (R).
11-Dispositif selon la revendication 10"caractérisé par le fait que l'étage d'oxydation sélective (7) comprend un échangeur thermique traversé par au moins un composant du mélange d'alimentation, en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat (R).
12-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur thermique (8) associé à l'étage d'oxydation sélective (7), l'échangeur thermique (8) étant traversé par le réformat issu de l'étage d'oxydation sélective (7), et par au moins un composant du mélange d'alimentation (M), en vue de son réchauffement et du refroidissement du réformat (R).
13-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un échangeur thermique (2) est traversé par des gaz sortant du compartiment cathodique et/ou du brûleur (9).
14-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour réaliser une détente bi-étagée avec réchauffement intermédiaire des gaz sortant du compartiment cathodique et/ou du brûleur, tout en récupérant de l'énergie sous forme mécanique
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15-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'au moins un échangeur thermique est traversé par des produits de réaction d'un étage de réaction des gaz à l'eau (3).
16-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un échangeur thermique (18,2) est remplacé par deux échangeurs secondaires (18a, 18b, 2a, 2b), l'un desdits échangeurs secondaires (18b, 2b) étant traversé par un fluide caloporteur (F) et au moins un composant du mélange d'alimentation (M), l'autre échangeur secondaire (18a, 2a) étant traversé par le fluide caloporteur (F) et le réformat (R).
17-Procédé de mise en température d'un dispositif d'alimentation en gaz d'une pile à combustible, comprenant un reformeur (1) recevant en entrée un mélange d'alimentation composé principalement d'eau, de carburant et d'air, et fournissant en sortie un réformat (R), dans lequel on traite le réformat (R) issu de reformeur (1) par passage dans un étage de réaction du gaz à l'eau (3), caractérisé par le fait que l'on utilise une circulation à contre-courant d'au moins un composant du mélange d'alimentation (M) dans un échangeur thermique de l'étage de réaction du gaz à l'eau (3), en vue du refroidissement du réformat (R) et du réchauffement du composant du mélange d'alimentation (M).
18-Procédé selon la revendication 17, caractérisé par le fait que, le dispositif d'alimentation comprenant une pluralité d'étages de traitement (3, 5, 7), on utilise une circulation à contre-courant des composants du mélange d'alimentation (M) dans des échangeurs thermiques (3,5, 7,2, 4,6, 8) disposés sur un circuit d'alimentation en réformat (R) de la pile à combustible, en vue de la mise en température du réformat (R) pour chaque étape de traitement et du réchauffement des composants du mélange d'alimentation (M) du reformeur (1).
19-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé
Figure img00170001
par le fait que l'étage d'oxydation sélective comprend des tubes (24) traversés par le el ré format (R) à traiter en vue d'un échange de chaleur avec un fluide de refroidissement (SF) circulant le long des parois externes de tubes (24), les tubes (24) étant remplis d'un catalyseur (27) en vue de la réaction catalytique du réformat (R) s.
20-Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que des portions (24a) de longueur déterminée des tubes (24) sont remplies de catalyseur (27), des portions (24b) étant dénuées de catalyseur.
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