FR2849278A1 - Systeme de reformage de carburant pour l'alimentation d'une pile a combustible de vehicule automobile et procede de mise en oeuvre - Google Patents

Systeme de reformage de carburant pour l'alimentation d'une pile a combustible de vehicule automobile et procede de mise en oeuvre Download PDF

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Abstract

Système de reformage de carburant pour l'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible, en particulier destiné à un véhicule automobile, du type comprenant un dispositif reformeur, un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, et un dispositif de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux voies séparées a, b comportant chacune au moins un des dispositifs précités et un moyen de commande 19, 39 pour choisir l'une des voies ou toutes les voies à la fois.

Description

Système de reformage de carburant pour l'alimentation d'une pile à
combustible de véhicule automobile et procédé de mise en oeuvre.
La présente invention concerne l'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible, en particulier destinée à un véhicule automobile muni d'un moteur électrique de traction, la pile à combustible étant alimentée en hydrogène obtenu par reformage d'un carburant hydrocarboné.
La pile à combustible constitue un générateur électrochimique alimenté à la fois en hydrogène et en oxygène contenu dans l'air Une telle pile à combustible peut être utilisée pour alimenter une chaîne de traction électrique dans un véhicule automobile On peut ainsi obtenir un fonctionnement comparable à celui d'un véhicule conventionnel 15 muni d'un moteur thermique alimenté en carburant tout en réduisant considérablement les émissions de dioxyde de carbone et de gaz polluants. L'utilisation d'un carburant hydrocarboné pour la production de l'hydrogène nécessaire à l'alimentation de la pile à combustible, 20 nécessite l'implantation dans le véhicule d'un système de reformage capable d'extraire l'hydrogène du carburant qui peut être de l'essence, du méthanol ou tout autre carburant hydrocarboné.
D'une manière générale, un système de reformage comprend essentiellement trois composants principaux.
Le système de reformage comprend tout d'abord un dispositif de reformage ou reformeur proprement dit qui produit, à partir du carburant primaire, par un processus de reformage catalytique, un mélange gazeux riche en hydrogène On connaît différents types de reformeurs Dans la présente description, on évoquera essentiellement 30 les reformeurs thermiquement autosuffisants en régime continu, généralement appelés ATR (Auto Thermal Reformer) On comprendra, bien entendu, que l'invention pourrait s'appliquer dans les mêmes conditions à des reformeurs d'une technologie différente.
Le système de reformage comprend en outre un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du dispositif 5 reformeur, par une réaction faisant intervenir la vapeur d'eau à température élevée En pratique, ce dispositif d'enrichissement est souvent constitué de deux parties, l'une à haute température (HTS), l'autre à température moins importante (LTS).
Enfin, le système reformeur comprend également un dispositif 10 de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone, de façon à éliminer ce gaz du mélange gazeux riche en hydrogène issu du dispositif reformeur, avant l'alimentation dans la pile à combustible.
Ces trois dispositifs doivent être portés à leur température optimale de fonctionnement pour être pleinement opérationnels Par 15 exemple, dans le cas d'un reformage d'essence, les températures optimales sont de l'ordre de 800 C pour le reformeur du type ATR, de 400 C pour le dispositif d'enrichissement en hydrogène, et de 150 C pour le dispositif de purification en monoxyde de carbone.
Pour atteindre ces températures, on utilise généralement un 20 brleur intégré au système de reformage et alimenté en carburant.
L'inertie thermique relativement importante des composants du système de reformage nécessite la combustion d'une certaine quantité de carburant, entraînant une augmentation de consommation Si cette augmentation de consommation peut être considérée comme faible 25 dans le cas de trajets longs à haute vitesse du véhicule, il n'en n'est pas de même dans le cas de trajets courts et à faible vitesse impliquant plusieurs démarrages à froid dans une période de temps limitée C'est le cas en particulier lors d'un usage urbain d'un véhicule équipé d'une pile à combustible.
La demande de brevet WO 0031816 décrit un reformeur miniaturisé pour véhicule automobile regroupant en un seul réacteur les étapes de reformage et de purification La possibilité de prévoir plusieurs modules connectés en série ou en parallèle est évoquée dans 5 ce document, sans toutefois qu'un avantage en terme de consommation et de conduite du véhicule soit mentionné.
La présente invention a donc pour objet un système d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible de véhicule automobile par reformage de carburant qui permet une économie de 10 consommation en carburant, en particulier dans le cas de parcours urbains à faible vitesse.
L'invention a également pour objet un tel système, permettant d'offrir au conducteur d'une manière simple une possibilité de variation de la puissance disponible.
Le système de reformage de carburant selon l'invention, pour l'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible, en particulier destiné à un véhicule automobile, comprend un dispositif reformeur, un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, et un dispositif de purification du reformat par réaction du 20 monoxyde de carbone Au moins deux voies séparées sont prévues, chacune comportant au moins un des dispositifs précités et un moyen de commande pour choisir l'une des voies ou toutes les voies à la fois.
De cette manière, le conducteur du véhicule peut facilement choisir la puissance adaptée à chaque situation de conduite.
Dans un mode de réalisation, chacune des voies séparées comporte un dispositif reformeur, un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, et un dispositif de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone Les deux voies montées en parallèle, dupliquent ainsi chaque dispositif.
Dans un autre mode de réalisation, chacune des voies séparées comporte un dispositif reformeur, les voies séparées se rejoignant en une voie unique comportant un dispositif commun d'enrichissement en hydrogène du reformat issu des reformeurs des différentes voies, et un 5 dispositif commun de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone.
Dans un autre mode réalisation, chacune des voies séparées comporte un dispositif reformeur, un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, les voies séparées se 10 rejoignant en une voie unique comportant un dispositif commun de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone.
En variante, chacune des voies séparées peut comporter un dispositif reformeur et une partie à haute température d'un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, les 15 voies séparées se rejoignant en une voie unique comportant une partie commune à température moins élevée du dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur et un dispositif commun de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone.
De préférence, chacune des voies séparées est adaptée pour 20 fournir un débit d'hydrogène différent correspondant à une puissance différente de la pile à combustible Le conducteur peut alors facilement choisir la voie qui correspond à la puissance désirée.
Avantageusement, le moyen de commande est également adapté pour commander le débit de carburant alimentant le système, en 25 fonction de la ou des voies choisies.
Le procédé d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible de véhicule automobile selon l'invention utilise un processus de reformage de carburant avec enrichissement en hydrogène du reformat et purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone On commande en outre le débit d'hydrogène alimentant la pile à combustible, en fonction de la puissance désirée, en utilisant une ou plusieurs voies individuelles de reformage.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes 5 de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 montre les principaux éléments d'une chaîne de traction d'un véhicule automobile, comportant un système de reformage de carburant et une pile à combustible; la figure 2 montre un premier mode de réalisation d'un système de reformage selon l'invention, à deux voies complètes distinctes; la figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation d'un système de reformage selon l'invention, avec deux voies partielles se 15 rejoignant en une voie unique; la figure 4 illustre un troisième mode de réalisation d'un système de reformage selon l'invention, avec deux voies partielles se rejoignant en une voie unique; et la figure 5 illustre une variante du mode de réalisation de la 20 figure 4.
Tel qu'illustré sur la figure 1, un système de reformage 1 alimente en hydrogène une pile à combustible 2 par la canalisation 3.
Le courant électrique produit par la pile à combustible 2 est amené à un convertisseur 4 relié à la pile à combustible 2 par la connexion 25 électrique 5 Une connexion électrique 6 relie le convertisseur 4 à la batterie de puissance 7 qui équipe le véhicule Le courant électrique issu du convertisseur 4 est amené par la connexion électrique 8 au moteur électrique 9 du véhicule, connecté par l'arbre 10 à la transmission et aux roues du véhicules schématisées par le bloc 11.
Un réservoir de carburant 12 est équipé d'une pompe 13 capable d'amener du carburant par la canalisation 14 au système de reformage 1.
L'air est amené par la canalisation 15 à un compresseur 16 5 avant d'être conduit par les canalisations 17 et 18, respectivement dans la pile à combustible 2 et dans le système de reformage 1.
Une unité de commande électronique 19 est capable d'envoyer des signaux de commande à la pompe à carburant 13 par la connexion 20 et au système de reformage 1 par la connexion 21, de façon à 10 commander celui-ci, comme on le verra plus loin.
Un dispositif indicateur de puissance 22 reçoit par la connexion 23 un signal de l'unité de commande électronique 19, de façon à avertir le conducteur de la puissance disponible pour le moteur de traction. On a également fait figurer sur la figure 1 un bouton de sélection de mode 24 relié par la connexion 25 à l'unité de commande électronique 19, et un dispositif contacteur antivol 26, également relié par la connexion 27 à l'unité de commande électronique On comprendra, bien entendu, que d'autres moyens pourraient être prévus, 20 les moyens décrits ne l'étant qu'à titre d'exemple.
En fonctionnement, lorsque l'unité de commande électronique a reçu un signal du contacteur antivol 26 et du bouton de sélection de mode 24, l'unité de commande est à même de piloter la pompe 13 pour alimenter le système de reformage 1 Celui-ci, convenablement chauffé 25 par des moyens qui ne sont pas représentés sur la figure 1, et alimenté en air comprimé par le compresseur 16, produit un reformat riche en hydrogène, convenablement purifié, comme on le verra plus loin, de façon à alimenter la pile à combustible 2 Une partie excédentaire de l'hydrogène revient dans le système de reformage 1 par la conduite 28.
Le véhicule équipé de ces différents moyens doit être capable, comme c'est le cas pour un véhicule muni d'un moteur thermique, de s'adapter aussi bien à un usage urbain o la puissance moyenne consommée par la chaîne de traction est faible, qu'à un usage routier 5 ou autoroutier o la puissance moyenne consommée est au contraire élevée. La présente invention a pour objet de permettre ces deux types d'utilisation en réduisant la consommation, de façon à assurer un fonctionnement comparable à celui d'un véhicule conventionnel mais 10 avec les avantages qui s'attachent à la traction électrique.
La solution proposée, selon la présente invention, consiste à implanter dans le système de reformage au moins deux voies séparées, qui peuvent être choisies individuellement ou ensemble, par le conducteur, selon la puissance désirée.
La figure 2 illustre un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel le système de reformage 1 comprend deux voies, chacune comportant les mêmes composants Les deux voies, a et b, sont placées en parallèle Chacune d'entre elles comporte un dispositif reformeur 29 a, 29 b, un dispositif d'enrichissement en 20 hydrogène à haute température 30 a, 30 b, un deuxième dispositif d'enrichissement en hydrogène à température moins élevée 31 a, 31 b, et un dispositif de purification 32 a, 32 b, à réaction du monoxyde de carbone dans le reformat produit La température de fonctionnement optimale de chacun de ces dispositifs est assurée par des échangeurs 25 de chaleur référencés 33 a, 33 b, 34 a, 34 b, 35 a, 35 b.
Un brleur 36 produit une énergie calorifique qui est amenée à un échangeur de chaleur 37 recevant de l'air provenant de la canalisation 18 L'air chaud sortant de l'échangeur 37 traverse les réacteurs 29, 30, 31 et 32, permettant ainsi de les chauffer Les gaz de combustion issus du brleur 36 traversent également les différents échangeurs de chaleur 33, 34 et 35, après avoir traversé l'échangeur de chaleur 37 Le double apport de chaleur diminue le temps de chauffage de l'installation Dans une seconde étape, l'échangeur 37 est utilisé 5 pour vaporiser le carburant amené par la canalisation 14 et l'eau amenée par la canalisation 38 Le carburant et l'eau vaporisés dans l'échangeur de chaleur 37 peuvent être amenés dans l'une ou l'autre des voies a, b, ou dans les deux voies simultanément, selon la position d'une vanne 39 pilotée par un signal provenant de l'unité de 10 commande électronique 19, visible sur la figure 1.
Les deux voies a et b se rejoignent à l'entrée de la pile à combustible 2, le mélange gazeux riche en hydrogène étant amené à la température appropriée par passage dans un échangeur de chaleur 40.
Dans un tel mode de réalisation utilisant deux voies 15 dupliquées, on choisira les différents composants des dispositifs de l'une des voies, par exemple la voie a, de façon à fournir une puissance, par exemple de l'ordre de 60 k W, tandis que l'on choisira les composants des dispositifs de la voie b, de façon à fournir une puissance inférieure, par exemple de l'ordre de 20 k W. Lors du démarrage du véhicule, le conducteur dispose alors d'un choix entre deux modes de fonctionnement: Selon un premier mode de fonctionnement, le conducteur peut privilégier la consommation, en ne mettant alors en action au démarrage que la voie b d'une puissance inférieure, de l'ordre de 20 25 k W La quantité de carburant consommé pour la mise en température du système de reformage est alors réduite.
Selon un deuxième mode de fonctionnement, le conducteur peut privilégier les performances du véhicule, en mettant alors en action les deux voies a et b, simultanément, dès le démarrage du véhicule Cela nécessite cependant de chauffer tous les dispositifs des deux voies a et b, simultanément, ce qui entraîne un augmentation notable de la consommation du véhicule Toutefois, le conducteur dispose alors, dès la fin de la mise en température, de la totalité de la puissance installée dans le véhicule.
Il est également possible au conducteur de sélectionner un mode de fonctionnement particulier, lors du roulage du véhicule.
L'interface permettant au conducteur le choix des modes de fonctionnement, peut être, comme dans l'exemple illustré, un simple 10 bouton de sélection de mode, référencé 24 sur la figure 1.
On notera que l'indicateur de puissance 22, piloté par l'unité de commande électronique 19, signale au conducteur les voies qui sont opérationnelles, afin que le conducteur puisse adapter sa conduite à la puissance disponible.
La logique de fonctionnement de ce mode de réalisation est la suivante: L'unité de commande électronique scrute en permanence la position du contacteur antivol 26 ou du bouton de démarrage du groupe motopropulseur Dès que le contacteur antivol 26 ou le bouton 20 de démarrage prend la position " démarrage ", l'unité de commande électronique teste la position du bouton de sélection de mode 24.
Si le mode " faible consommation " est sélectionné, l'unité de commande électronique active le brleur 36 et adapte le débit de carburant en agissant sur la pompe 13 pour alimenter le brleur 36 afin 25 de chauffer la voie b du système de reformage, c'est-à-dire la voie de plus petite puissance.
Si, au contraire, le mode " performance " est sélectionné par le conducteur, l'unité de commande électronique active le brleur et adapte le débit de carburant alimentant le brleur 36, de façon à permettre le chauffage des deux voies a et b.
Dans les deux cas, l'alimentation de la pile à combustible est possible dès que la température de fonctionnement des réacteurs est 5 atteinte Dès ce moment, l'unité de commande électronique assure la génération de puissance électrique par la pile à combustible en fonction de la demande du conducteur, par exemple en fonction de la position de l'accélérateur La puissance électrique totale disponible dépend, en plus du mode sélectionné par le conducteur, de la gestion 10 d'énergie adoptée pour le véhicule qui peut être programmée dans l'unité de commande électronique.
Dans le mode de fonctionnement à faible consommation, seule la voie b du système de reformage produit de l'hydrogène qui alimente la pile à combustible 2 La puissance fournie par la batterie est 15 additionnée à la puissance générée par la pile à combustible 2, à condition que la vitesse du véhicule ne dépasse pas la vitesse qui peut être atteinte avec la puissance fournie uniquement par la pile 2 alimentée en hydrogène par la voie b, cette vitesse étant inférieure à la vitesse maximum du véhicule qui peut être atteinte quand la pile est 20 alimentée en H 2 par les deux voies a et b Une telle gestion d'énergie permet de disposer, pour les accélérations, de la puissance de la batterie en plus de la puissance de la pile alimentée en hydrogène uniquement par l'une des voies On ne fait pas appel en continu à la puissance fournie par la batterie, étant donné que la vitesse du 25 véhicule est limitée à celle qu'on peut atteindre avec la production d'H 2 de la seule voie b Cela évite de décharger la batterie par une demande continue de puissance Grâce à la batterie, les accélérations du véhicule ne sont pas affectées par le fait que seule la voie b du reformeur est en fonctionnement.
Dans le mode de fonctionnement privilégiant la performance, les deux voies du système de reformage produisent de l'hydrogène qui alimente la pile à combustible 2 La puissance fournie par la batterie 7 est également ajoutée à la puissance générée par la pile à combustible 5 2, à condition que la puissance totale ainsi obtenue ne dépasse pas la puissance maximale du système de pile à combustible 2 Une telle gestion d'énergie permet de disposer de la puissance de la batterie pour compenser le temps de réponse du système de pile à combustible lors d'une augmentation de la puissance demandée par la chaîne de 10 traction Cela permet d'obtenir d'excellentes accélérations sans entraîner un risque de dégradation des performances du véhicule par décharge de la batterie, puisque la puissance maximale fournie au moteur électrique ne dépasse pas la puissance maximale du système de pile à combustible.
Si le conducteur passe du mode de faible consommation au mode privilégiant la performance durant le roulage du véhicule, l'unité de commande électronique est alors capable d'activer le brleur 36 et d'adapter le débit de carburant en agissant sur la pompe 13, de façon à alimenter le brleur pour chauffer la deuxième voie a du système de 20 reformage, alors que la première voie b est déjà à la température optimale de fonctionnement.
L'indicateur de puissance 22 informe le conducteur de la puissance disponible Au démarrage du véhicule, l'indicateur de puissance 22 informe le conducteur que seule la batterie est en mesure 25 de fournir de la puissance Si le mode privilégiant la faible consommation est choisi, l'indicateur informe le conducteur, dès que la voie b est chaude, que seule la batterie et l'une des voies du reformeur sont disponibles Si le mode privilégiant la performance est choisi, l'indicateur informe le conducteur dès que les deux voies du reformeur sont à la température de fonctionnement, que la totalité de la puissance du véhicule est disponible.
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation, dans lequel les mêmes éléments portent les mêmes références et/ou seul le 5 dispositif reformeur est dupliqué On retrouve donc les deux voies a et b, qui comportent chacune un dispositif reformeur 29 a et 29 b Les deux voies a et b se rejoignent cependant en une voie unique à la sortie des dispositifs reformeurs 29 a et 29 b La voie unique comprend alors un seul dispositif d'enrichissement en hydrogène à haute 10 température, référencé 30, un seul dispositif d'enrichissement en hydrogène à basse température, référencé 31, et un seul dispositif de purification 32 On retrouve les mêmes échangeurs 33, 34, 35 et 40 que dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4, les voies a 15 et b comprennent chacune un dispositif reformeur 29 a, 29 b, un dispositif d'enrichissement à haute température 30 a, 30 b, et un dispositif d'enrichissement à basse température 31 a, 31 b, les échangeurs de chaleur 33 a, 33 b, 34 a, 34 b permettant la mise en température optimale des différents composants Les deux voies a et b 20 se rejoignent en une voie unique à la sortie du dispositif d'enrichissement 31 a, 31 b Le dispositif de purification 32 est donc commun aux deux voies a et b.
Dans la variante illustrée sur la figure 5, le dispositif d'enrichissement à basse température 31 est également commun aux 25 deux voies a et b, qui comportent chacune un dispositif reformeur 29 a, 29 b, et un dispositif d'enrichissement à haute température 30, 30 b.
On comprendra, bien entendu, que d'autres architectures pourraient être imaginées On pourrait, en particulier, utiliser un nombre plus important de voies que les deux voies illustrées à titre d'exemples dans la présente description, de façon à permettre d'augmenter la palette de choix du conducteur.
La présente invention permet au conducteur de choisir pour une conduite en ville, un fonctionnement du véhicule à consommation 5 réduite en contrepartie d'une réduction temporaire des performances du véhicule Le choix du mode de fonctionnement du véhicule reste sous le contrôle du conducteur, qui peut à tout moment basculer d'un mode économique à faible consommation à un mode favorisant la performance et correspondant à la totalité de la puissance installée à 10 bord du véhicule.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1-Système de reformage de carburant pour l'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible, en particulier destiné à un véhicule automobile, du type comprenant un dispositif reformeur, un 5 dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, et un dispositif de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux voies séparées (a, b) comportant chacune au moins un des dispositifs précités et un moyen de commande ( 19, 39) pour choisir 10 l'une des voies ou toutes les voies à la fois.
2-Système de reformage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des voies séparées comporte un dispositif reformeur, un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, et un dispositif de purification du reformat par 15 réaction du monoxyde de carbone.
3-Système de reformage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des voies séparées comporte un dispositif reformeur, les voies séparées se rejoignant en une voie unique comportant un dispositif commun d'enrichissement en hydrogène du 20 reformat issu des reformeurs des différentes voies, et un dispositif commun de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone.
4-Système de reformage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des voies séparées comporte un dispositif 25 reformeur, un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, les voies séparées se rejoignant en une voie unique comportant un dispositif commun de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone.
5-Système de reformage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des voies séparées comporte un dispositif reformeur et une partie à haute température d'un dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur, les 5 voies séparées se rejoignant en une voie unique comportant une partie commune à température moins élevée du dispositif d'enrichissement en hydrogène du reformat issu du reformeur et un dispositif commun de purification du reformat par réaction du monoxyde de carbone.
6-Système de reformage selon l'une des revendications 10 précédentes, caractérisé par le fait que chacune des voies séparées est adaptée pour fournir un débit d'hydrogène différent correspondant à une puissance différente de la pile à combustible.
7-Système de reformage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moyen de 15 commande est également adapté pour commander le débit de carburant alimentant le système, en fonction de la ou des voies choisies.
8-Procédé de commande de la puissance électrique alimentant un organe de propulsion électrique d'un véhicule automobile équipé d'une batterie et d'une pile à combustible alimentée en hydrogène 20 produit au moyen d'un reformage de carburant, caractérisé par le fait que l'on commande le débit d'hydrogène alimentant la pile à combustible, en fonction de la puissance désirée, en utilisant une ou plusieurs voies individuelles de reformage.
9-Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que 25 l'on utilise une seule voie de reformage et que la puissance fournie par la batterie est ajoutée à la puissance fournie par la pile à combustible tant que la vitesse du véhicule reste inférieure à la vitesse qui pourrait être atteinte sans la batterie.
10-Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que 30 l'on utilise simultanément toutes les voies de reformage et que la puissance fournie par la batterie est ajoutée à la puissance fournie par la pile à combustible tant que la puissance totale est inférieure à la puissance maximale fournie par la pile à combustible.
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