FR2836284A1

FR2836284A1 - Module de puissance a pile a combustible et procede de mise en oeuvre

Info

Publication number: FR2836284A1
Application number: FR0202173A
Authority: FR
Inventors: Cherif Karim Ben; Luc Rouveyre; Marc Joulin; Renaud Signoret
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-08-22
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: FR2836284B1

Abstract

Module de puissance comprenant une pile à combustible 1, un moyen d'alimentation de la pile en carburant, notamment en hydrogène, un moyen d'alimentation de la pile en oxydant tel que de l'air, comprenant un compresseur 4, un moyen de récupération d'eau 7 à la sortie de la pile et un moyen d'injection d'au moins une partie de cette eau dans le compresseur, caractérisé par le fait que le moyen de récupération d'eau 7 est maintenu à la pression de fonctionnement de la pile et que le moyen d'injection d'eau dans le compresseur 4 comprend un conduit 9 reliant directement le moyen de récupération d'eau au compresseur, la mise en mouvement de l'eau injectée dans ledit conduit étant assurée par le différentiel de pression.

Description

Module de puissance à pile à combustible et procédé de mise en oeuvre.

La présente invention a pour objet un module de puissance comprenant une pile à combustible et un compresseur pour l'alimentation de la pile en oxydant, tel que de l'air.

L'invention concerne également un procédé de mise en ceuvre d'un tel module de puissance.

Les piles à combustible, qui peuvent en particulier être utilisées dans un groupe motopropulseur pour véhicule automobile, nécessitent une alimentation en oxydant, généralement de l'air sous pression, ainsi qu'une alimentation en carburant, généralement de l'hydrogène, afin de générer un courant électrique qui peut ensuite alimenter un moteur électrique de traction ou différents organes.

L'alimentation de la pile à combustible en carburant peut être assurée par un stockage approprié, par exemple dans un réservoir prévu dans le véhicule, ou encore par une production autonome au moyen d'un dispositif reformeur utilisant un carburant classique pour le convertir en hydrogène. Pour l'alimentation de la pile à combustible en oxydant, tel que de l'air sous pression, on prévoit généralement un groupe de compression disposé en amont de la pile à combustible.

Une pile à combustible comprend généralement un empilement de cellules élémentaires, chaque cellule constituant un générateur électrochimique. Les cellules sont branchées en série et leur alimentation en réactif se fait en parallèle. Chaque cellule électrochimique comprend des électrodes placées de part et d'autres d'une membrane, par exemple du type polymère perfluoré sulfuré.
Cette membrane, qui joue le rôle de l'électrolyte, est l'élément essentiel des cellules de la pile à combustible. La membrane doit assurer une bonne isolation électrique tout en assurant une bonne conduction des ions. De plus, elle doit avoir une perméabilité minimale aux gaz réactifs tout en étant stable thermiquement et mécaniquement. Les polymères et les groupes fonctionnels des

membranes utilisées dans les piles à combustible, peuvent cependant être altérés lorsqu'ils sont portés à une température trop élevée. De plus, il est nécessaire d'assurer une humidification convenable de ces membranes électrolytiques afin d'éviter leur dessèchement.

On peut ainsi prévoir d'humidifier préalablement les gaz carburants alimentant l'anode ou les gaz oxydants alimentant la cathode, avant leur introduction dans la pile à combustible. En ce qui concerne l'alimentation en hydrogène, l'humidification se fait aisément. En effet, dans le cas d'une génération d'hydrogène au moyen d'un reformeur, ce dernier peut aisément délivrer un gaz humidifié. Il est également relativement aisé de procéder à l'humidification lors d'un stockage de l'hydrogène dans le véhicule. En revanche, l'humidification du fluide oxydant reste un problème difficile à résoudre.

La demande de brevet EP-A-1 043 791 décrit un agencement de pile à combustible alimentée en air sous pression au moyen d'un compresseur volumétrique. Des moyens sont prévus pour récupérer l'eau produite par la pile à combustible lors de la réaction électrochimique qui s'y déroule. Les effluents provenant de la cathode et de l'anode de la pile à combustible sont amenés à un dispositif de combustion extérieur qui produit de l'eau et des gaz de combustion à haute température, qui sont utilisés pour réchauffer le dispositif de génération d'hydrogène. A la sortie de ce dispositif de combustion, les gaz contenant de l'eau, passent dans un dispositif collecteur qui sépare l'eau et la stocke dans un réservoir. Une pompe doit ensuite reprendre cette eau pour alimenter un dispositif d'injection recevant également de l'air pour atomiser l'eau provenant de la pompe et l'injecter sous la forme d'un brouillard projeté directement sur les rotors du compresseur volumétrique. Le dispositif d'injection est de préférence pulsé à une fréquence variable qui peut être régulée.

Bien que ce dispositif puisse, dans son principe, donner satisfaction pour l'humidification de l'air comprimé alimentant la pile à combustible, il est clair qu'il nécessite la mise en oeuvre de moyens relativement complexes et en particulier l'installation d'une pompe

d'alimentation en eau récupérée ainsi que l'utilisation d'un dispositif d'atomisation et d'injection pulsée de structure nécessairement complexe.

La présente invention a pour objet la réalisation de l'humidification de l'air comprimé alimentant la pile à combustible d'une manière nettement plus simple et donc plus fiable, en diminuant le nombre de composants nécessaires et abaissant ainsi les coûts de fabrication.

L'invention a également pour objet un dispositif dans lequel la quantité d'eau injectée puisse être régulée de façon particulièrement simple, en tenant compte du fonctionnement de la pile à combustible.

Le module de puissance selon l'invention comprend une pile à combustible, un moyen d'alimentation de la pile en carburant, notamment en hydrogène et un moyen d'alimentation de la pile en oxydant tel que de l'air, comprenant un compresseur. Le module comprend en outre un moyen de récupération d'eau à la sortie de la pile et un moyen d'injection d'au moins une partie de cette eau dans le compresseur. Le moyen de récupération d'eau est maintenu à la pression de fonctionnement de la pile et le moyen d'injection d'eau dans le compresseur comprend un conduit reliant directement le moyen de récupération d'eau au compresseur.

De cette manière, la mise en mouvement de l'eau injectée dans ledit conduit est assurée par le différentiel de pression entre la pile à combustible et l'admission de l'oxydant, tel que l'air, à l'entrée du compresseur, c'est à dire généralement la pression atmosphérique. Le débit d'eau injecté peut être aisément calibré en fonction des besoins en choisissant de manière appropriée le diamètre du conduit d'alimentation en eau récupérée.

Il devient possible de supprimer totalement la boucle d'humidification qui devait auparavant être associée à la pile à combustible ce qui augmente la fiabilité de l'ensemble. De plus, l'injection d'eau récupérée à la sortie de la pile est réalisée de manière très simple avec un nombre réduit de composants de structure peu complexe.

Si l'on souhaite assurer un contrôle du débit d'eau injecté selon le fonctionnement du module de puissance, une vanne de régulation est montée dans le conduit en amont du compresseur et un capteur de température est monté dans le conduit en aval du compresseur. La vanne de régulation peut alors être pilotée par un dispositif de régulation recevant un signal du capteur de température et une valeur de consigne dépendant de la charge demandée à la pile.

Il devient ainsi possible de réguler le débit instantané d'eau injecté et d'optimiser l'utilisation de cette eau dans le compresseur.

De préférence, on régule ce débit de façon que la totalité de l'eau injectée soit vaporisée dans le compresseur, ce qui évite d'avoir à installer un piège à eau pour l'eau liquide en sortie du compresseur.

La température de l'air comprimé humidifié en sortie du compresseur est directement liée au débit d'eau injecté et aux paramètres de fonctionnement du compresseur imposés par la charge demandée à la pile à combustible. L'invention prévoit donc de réguler le débit d'eau injecté au moyen de la vanne de régulation pilotée par un signal dépendant de la demande de charge pour la pile. Ce signal, couplé à une cartographie du fonctionnement du compresseur, permet de déterminer la température de sortie du mélange de vapeur d'eau et d'air en aval du compresseur. Cette valeur constitue une valeur de consigne pour la régulation de la vanne, pilotée en boucle fermée et recevant un signal de la température effective mesurée en aval du compresseur.

Dans un mode de réalisation, le conduit d'alimentation en eau d'injection débouche dans un éjecteur monté en amont du compresseur dans l'alimentation en air de celui-ci.

L'éjecteur comprend de préférence une zone de mélange et un diffuseur du côté de l'entrée du compresseur. On obtient ainsi un mélange homogène d'air et de gouttelettes d'eau à l'entrée du compresseur.

Dans un tel mode de réalisation, le compresseur utilisé peut être d'un type quelconque, bien qu'il soit de préférence volumétrique à piston, ou du type spiral ou à vis.

Dans un mode de réalisation utilisant un compresseur volumétrique du type à engrenages entraînés en rotation dans un carter, le conduit d'alimentation en eau récupérée pour injection, comprend de préférence une ou plusieurs buses d'injection placées à proximité des engrenages, du côté admission.

Les buses peuvent être orientées dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation des engrenages ou, en variante, orientées sensiblement en direction de la circonférence des engrenages.

Selon une autre variante, au moins une partie des buses est disposée à l'intérieur du carter, en communication avec une branche du conduit débouchant dans le carter.

Le procédé de mise en oeuvre d'un module de puissance selon l'invention est adapté à un tel module comprenant une pile à combustible alimentée en carburant, notamment en hydrogène, et en oxydant tel que de l'air, élevé a la pression de fonctionnement de la pile au moyen d'un compresseur, avec récupération d'eau à la sortie de la pile et injection d'au moins une partie de cette eau dans le compresseur. Selon l'invention, l'alimentation de l'eau injectée se fait par la différence de pression entre la sortie de la pile et l'entrée du compresseur.

Dans un mode de mise en oeuvre préféré, l'injection d'eau est régulée en fonction de la température de l'eau mesurée en aval du compresseur.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement les principaux éléments d'un module de puissance selon la présente invention, selon un premier mode de réalisation ; - la figure 2 illustre schématiquement les principaux éléments d'un module de puissance selon l'invention, selon un deuxième mode de réalisation comportant des moyens de régulation ; - la figure 3 illustre schématiquement un dispositif éjecteur qui peut être utilisé pour introduire l'eau récupérée à l'entrée du

compresseur, la figure montrant en outre l'évolution de la pression sur la longueur du dispositif éjecteur ; - la figure 4 illustre schématiquement la disposition d'une buse d'injection directe dans un compresseur volumétrique à engrenages, selon un premier mode de réalisation ; - la figure 5 illustre une variante de disposition de buses d'injection d'eau dans un compresseur volumétrique à engrenages ; et - la figure 6 illustre schématiquement une autre variante de disposition d'une buse d'injection d'eau dans un compresseur volumétrique à engrenages.

Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le module de puissance selon l'invention comprend une pile à combustible 1 qui est alimentée en carburant par le conduit 2, par exemple en hydrogène. La pile à combustible 1 est également alimentée en oxydant par le conduit 3, par exemple de l'air sous pression, issu d'un compresseur 4 qui reçoit l'air à la pression atmosphérique par la conduite 5. A la sortie de la pile à combustible 1, un mélange de gaz et d'eau se trouve dans la conduite de sortie 6 à la haute pression régnant dans la pile à combustible 1.

Un dispositif de séparation 7 est maintenu à la pression de fonctionnement de la pile à combustible 1 et reçoit par la conduite 6 le gaz et l'eau provenant de la pile à combustible 1. Le dispositif 7 est adapté pour séparer l'eau liquide produite par la pile à combustible 1 et les gaz, qui s'échappent par la conduite 8. L'eau liquide récupérée par le dispositif 7, toujours à la pression de fonctionnement de la pile
1, est directement amenée à l'entrée du compresseur 4 par un conduit d'alimentation 9. Le transfert de l'eau récupérée depuis la sortie de la pile à combustible 1 à travers la conduite 6, le dispositif de séparation
7, et le conduit 9 jusqu'à l'entrée du compresseur 4, se fait simplement par le différentiel de pression régnant entre la pile à combustible 1 et l'entrée du compresseur 4, généralement à la pression atmosphérique.

Le débit d'eau alimentant le compresseur 4 peut être aisément préréglé en dimensionnant convenablement la longueur et le diamètre du conduit d'alimentation 9. On peut par exemple envisager d'utiliser un conduit capillaire.

Dans certains cas, il est cependant nécessaire d'assurer une régulation en temps réel de la quantité d'eau injectée dans le compresseur. La variante de la figure 2 illustre un tel mode de réalisation. On retrouve sur la figure 2 les mêmes références concernant les organes identiques.

Dans la variante de la figure 2, une vanne de régulation 10 est installée dans le conduit 9, en amont du compresseur 4. Cette vanne peut être de type proportionnel ou de type tout ou rien. Elle permet de réguler le débit d'eau injecté dans le compresseur 4 et ainsi d'en optimiser l'utilisation. Il est important en effet d'injecter exactement le débit d'eau nécessaire au fonctionnement effectif instantané du compresseur 4, c'est-à-dire la quantité d'eau qui peut être entièrement vaporisée dans le compresseur. En effet, si à la sortie du compresseur 4, de l'eau liquide subsiste, il est nécessaire de l'éliminer en insérant un piège à eau qui complique l'installation.

La température de l'air comprimé humidifié à la sortie du compresseur 4 est directement liée à la quantité d'eau injectée et aux paramètres de fonctionnement du compresseur, qui sont imposés par la charge demandée à la pile à combustible. L'invention prévoit donc, comme illustré sur la figure 2, de piloter la vanne de régulation 10 au moyen d'un régulateur 11 relié par la connexion 12 à la vanne 10 et recevant un signal par la connexion 13 qui provient d'un capteur 14 capable de mesurer la température de l'air comprimé humidifié, à la sortie du compresseur 4.

L'ensemble du système de régulation, référencé 14, reçoit par la connexion 15 un signal correspondant à la charge demandée à la pile à combustible. Il peut s'agir par exemple de la quantité d'électricité exigée par le moteur électrique en fonction d'une commande du conducteur. Ce signal alimente une mémoire 16, qui contient une cartographie des différentes courbes de fonctionnement du compresseur 4. Le dispositif de régulation 14 est alors à même d'en déduire, par le module de calcul 17, la température de sortie du mélange vapeur d'eau et air en aval du compresseur 4, qui définit donc la valeur de consigne du régulateur 11. Cette valeur le consigne est

transmise par la connexion 18. La vanne de régulation 10 se trouve ainsi pilotée par la boucle de régulation fermée, comprenant le régulateur 11 et le capteur de température 14.

Cette régulation permet de s'affranchir de tout dispositif de mesure de débit d'air et ainsi de simplifier le système et d'en réduire le coût.

L'injection d'eau dans le compresseur peut être avantageusement effectuée par l'intermédiaire d'un dispositif éjecteur, illustré schématiquement sur la figure 3. Un tel dispositif peut être appliqué à tout type de compresseur volumétrique, qu'il soit à piston, du type spirale ou à vis.

La canalisation 19 permet l'arrivée de l'air à la pression atmosphérique. La canalisation 19 se termine par une partie convergente 20 qui débouche dans la portion étranglée 21 de l'éjecteur 22. La portion étranglée 21 correspond à la section de sortie d'une portion conique convergente 23, qui communique avec le conduit 9 d'alimentation en eau liquide récupérée en sortie de la pile à combustible et se trouvant à la pression de fonctionnement de cette dernière. L'air aspiré par la canalisation 19 crée une légère dépression qui augmente la différence de pression entre la sortie de la pile à combustible et le point d'injection d'eau qui se fait sur la section 21.

L'éjecteur 22 comprend avantageusement une portion cylindrique 24, dans laquelle l'eau, représentée par les flèches 25, se mélange à l'air représenté par les flèches 26, établissant ainsi un mélange homogène de gouttelettes d'eau 27 et d'air qui peut pénétrer à l'entrée 28 du compresseur après avoir traversé un cône diffuseur 29.

La variation de la pression P, sur la longueur 1 du dispositif éjecteur 22, est également représentée sur la figure 3. La variation AP représente l'augmentation du différentiel de pression entre la pile à combustible et l'injection d'eau. On voit que, après avoir chuté de la valeur AP, la pression de l'eau augmente très légèrement dans la partie mélangeur 24 pour reprendre pratiquement sa valeur d'origine dans la partie diffuseur 29.

Dans le cas de l'utilisation d'un compresseur volumétrique à engrenages, il est possible de procéder à une injection d'eau particulièrement simple. Un tel compresseur volumétrique comprend deux organes 30,31, engrènant l'un dans l'autre et mis en mouvement à l'intérieur d'un carter 32. L'air à basse pression du côté admission, représenté par la flèche 33, est emmené par les dentures des organes dentés en rotation 30 et 31 jusque dans la zone de refoulement à haute pression, d'où il s'échappe, ce qui est représenté par la flèche 34.

Dans un tel compresseur, illustré sur la figure 4, l'injection d'eau peut être réalisée avec un dispositif éjecteur, tel qu'illustré sur la figure 3. L'injection d'eau peut également être réalisée de manière très simple par l'installation d'une ou plusieurs buses 35, simplement placées à proximité des organes dentés 30 et 31, du côté admission.

Dans l'exemple illustré sur la figure 4, on a représenté une seule buse 35, orientée dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation des organes dentés 30 et 31 et en direction desdits organes dentés 30 et 31. On peut prévoir, en variante, plusieurs buses sur la section du conduit d'admission.

Dans un mode de réalisation légèrement différent, illustré sur la figure 5, où les organes identiques portent les mêmes références, l'injection d'eau se fait au moyen de plusieurs buses orientées sensiblement en direction de la circonférence des organes dentés 30 et
31. Deux buses 36 et 37 sont illustrées et installées dans le conduit d'admission, de façon à diriger l'eau injectée sensiblement dans la direction circonférentielle respective des organes dentés rotatifs 30 et
31.

Il est également possible de disposer les buses non plus dans le conduit d'admission, mais à l'intérieur même de la paroi du carter 32 du compresseur. La figure 6 illustre un tel mode de réalisation, où une buse 38 est disposée dans la paroi du carter 32 à proximité de la zone d'admission et orientée de façon à diriger l'eau injectée en direction de la circonférence de l'organe denté en rotation 30. Il est ainsi possible d'opérer une injection localisée directement à l'intérieur du rotor du compresseur.

La présente invention permet de supprimer totalement la boucle d'humidification d'un système de pile à combustible, augmentant ainsi notablement la fiabilité du système. De plus, l'invention permet la réduction du nombre de composants impliquant une baisse des coûts.

Grâce à l'invention, le compresseur bénéficie d'un refroidissement interne et d'un fonctionnement optimisé. Le niveau de température de l'air dans le compresseur se trouve abaissé par le phénomène évaporatif de l'eau injectée, réduisant ainsi les températures auxquelles le compresseur est soumis. Il devient possible de faire une économie sensible sur le coût des matériaux utilisés.

Il devient possible de supprimer l'échangeur de chaleur généralement installé entre le compresseur et la pile à combustible, du fait de la limitation de la température de fonctionnement du compresseur en raison de l'injection d'eau.

Grâce à la présente invention, la régulation de l'injection d'eau peut se faire de façon simple en utilisant un seul capteur de température, supprimant ainsi la nécessité d'installer des débitmètres peu fiables et coûteux.

Le transfert de l'eau récupérée depuis la sortie de la pile à combustible jusqu'à l'entrée du compresseur peut être fait simplement au moyen d'un tube ou d'un capillaire, le fluide étant mis en mouvement par la pression différentielle existant entre la pile à combustible et le point d'injection d'eau dans le compresseur. Il devient ainsi possible de supprimer toute pompe d'injection.

L'injection peut se faire de façon simple sans nécessiter d'injection d'air supplémentaire pour la création d'un brouillard.

Claims

REVENDICATIONS

1-Module de puissance comprenant une pile à combustible (1), un moyen d'alimentation de la pile en carburant, notamment en hydrogène, un moyen d'alimentation de la pile en oxydant tel que de l'air, comprenant un compresseur (4), un moyen de récupération d'eau (7) à la sortie de la pile et un moyen d'injection d'au moins une partie de cette eau dans le compresseur, caractérisé par le fait que le moyen de récupération d'eau (7) est maintenu à la pression de fonctionnement de la pile et que le moyen d'injection d'eau dans le compresseur (4) comprend un conduit (9) reliant directement le moyen de récupération d'eau au compresseur, la mise en mouvement de l'eau injectée dans ledit conduit étant assurée par le différentiel de pression.

2-Module de puissance selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une vanne de régulation (10) est montée dans le conduit (9) en amont du compresseur (4) et qu'un capteur de température (14) est monté dans le conduit en aval du compresseur (4), la vanne de régulation (10) étant pilotée par un dispositif de régulation (11) recevant un signal du capteur de température et une valeur de consigne dépendant de la charge demandée à la pile.

3-Module de puissance selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que le conduit (9) débouche dans un éjecteur (22) monté en amont du compresseur dans l'alimentation en air de celui-ci.

4-Module de puissance selon la revendication 3 caractérisé par le fait que l'éjecteur (22) comprend une zone de mélange (24) et un diffuseur (29) du côté de l'entrée du compresseur.

5-Module de puissance selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que le compresseur volumétrique est du type volumétrique à engrenages entraînés en rotation dans un carter, le conduit comprenant une ou plusieurs buses d'injection (35) placées à proximité des engrenages du côté admission.

6-Module de puissance selon la revendication 5 caractérisé par le fait que les buses sont orientées dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation des engrenages.

7-Module de puissance selon la revendication 5 caractérisé par le fait que les buses (36,37) sont orientées en direction de la circonférence des engrenages.

8-Module de puissance selon la revendication 7 caractérisé par le fait qu'au moins un partie des buses (38) est disposée à l'intérieur du carter, en communication avec une branche du conduit débouchant dans le carter.

9-Procédé de mise en ceuvre d'un module de puissance comprenant une pile à combustible alimentée en carburant, notamment en hydrogène, et en oxydant tel que de l'air, élevé à la pression de fonctionnement de la pile au moyen d'un compresseur, avec récupération d'eau à la sortie de la pile et injection d'au moins une partie de cette eau dans le compresseur, caractérisé par le fait que l'alimentation de l'eau injectée se fait par la différence de pression entre la sortie de la pile et l'entrée du compresseur.

10-Procédé selon la revendication 9 caractérisé par le fait que l'injection d'eau est régulée en fonction de la température de l'eau en aval du compresseur.