FR2876500A1 - Generateur d'electricite pour vehicule automobile - Google Patents

Generateur d'electricite pour vehicule automobile Download PDF

Info

Publication number
FR2876500A1
FR2876500A1 FR0410652A FR0410652A FR2876500A1 FR 2876500 A1 FR2876500 A1 FR 2876500A1 FR 0410652 A FR0410652 A FR 0410652A FR 0410652 A FR0410652 A FR 0410652A FR 2876500 A1 FR2876500 A1 FR 2876500A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
reformer
water
air
reformate
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR0410652A
Other languages
English (en)
Other versions
FR2876500B1 (fr
Inventor
Robert Yu
Gerard Olivier
Abdelhakim Oulefki
Fabien Boudjemaa
Samuel Barbier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Priority to FR0410652A priority Critical patent/FR2876500B1/fr
Priority to PCT/FR2005/050823 priority patent/WO2006040490A1/fr
Priority to US11/576,927 priority patent/US7722971B2/en
Priority to JP2007535220A priority patent/JP2008516385A/ja
Priority to EP05810742A priority patent/EP1799614A1/fr
Publication of FR2876500A1 publication Critical patent/FR2876500A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR2876500B1 publication Critical patent/FR2876500B1/fr
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382Multi-step processes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C01B2203/0288Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step containing two CO-shift steps
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435Catalytic purification
    • C01B2203/044Selective oxidation of carbon monoxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465Composition of the impurity
    • C01B2203/047Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066Integration with other chemical processes with fuel cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288Evaporation of one or more of the different feed components
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14Details of the flowsheet
    • C01B2203/142At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

Générateur d'électricité destiné à un véhicule automobile, comportant- un reformeur (60) apte à produire un reformât à partir d'un carburant primaire, d'air et d'eau,- des circuits d'alimentation du reformeur en carburant primaire (64), en air (36,40,38,62) et en eau (82,86,90,66),- une pile à combustible (20) apte à produire de l'énergie électrique à partir du reformât et d'air,- un compresseur (36;38) apte à comprimer l'air destiné à la pile à combustible (20) et/ou au reformeur (60),- des circuits d'alimentation de la pile à combustible en reformât (80,82,84,86,88,90,92,94,22) et en air (24), connectant la pile à combustible au reformeur et au compresseur (36 ;38), respectivement.Le générateur selon l'invention est remarquable en ce que le circuit d'alimentation en eau (82,86,90,66) du reformeur comporte un premier échangeur thermique (130;40;50) apte à mettre en relation d'échange thermique cette eau et de l'air comprimé par le compresseur (36 ;38).

Description

L'invention concerne un générateur d'électricité destiné à un véhicule
automobile, comportant
un reformeur apte à produire un reformât à partir d'un carburant primaire, d'air et d'eau, - des circuits d'alimentation dudit reformeur en carburant primaire, en air et en eau, une pile à combustible apte à produire de l'énergie électrique à partir dudit reformât et d'air, un compresseur apte à comprimer l'air destiné à ladite pile à combustible et/ou audit reformeur, des circuits d'alimentation de ladite pile à combustible en reformât et en air, connectant ladite pile à combustible audit reformeur et audit compresseur, respectivement.
Un tel générateur d'électricité, ou "module de puissance" (MdP), est notamment utilisé dans un véhicule automobile V pour alimenter les consommateurs électriques du véhicule, en particulier un moteur électrique de traction. Il permet la transformation d'un carburant embarqué dans le véhicule en puissance électrique.
Le carburant peut être de l'hydrogène, directement consommable par la pile à combustible. Pour une autonomie accrue, on utilise plus généralement un carburant primaire plus facile à stocker tel que de l'essence, du diesel, du naphta, de l'alcool, un ester, ou un hydrocarbure. Le générateur comporte alors des moyens de reformage, c'est- à-dire de transformation du carburant primaire en hydrogène.
La figure 1 représente une architecture simplifiée type d'un générateur d'électricité 10 selon la technique antérieure.
Le générateur représenté comporte une pile à combustible 20, par exemple de type PEMFC, alimentée en hydrogène et en oxygène, par l'intermédiaire de canalisations 22 et 24, respectivement. La pile à combustible 20 comporte des compartiments anodique 26 et cathodique 28 refroidis au moyen d'un circuit de refroidissement de pile 30 comportant un radiateur 32 apte à évacuer vers l'extérieur l'énergie calorifique récupérée.
L'oxygène est fourni par de l'air extérieur, comprimé successivement par un compresseur basse pression (BP) 36 et un compresseur haute pression (HP) 38 séparés par un échangeur 40, appelé Radiateur de l'Air de Suralimentation Basse Pression ou échangeur RAS BP.
Le compresseur BP 36, apte à comprimer l'air à une pression classiquement comprise entre 2 et 3 bars, est entraîné par un moteur 42.
Le compresseur HP 38 est apte à comprimer l'air sortant de l'échangeur RAS BP à une pression classiquement comprise entre 4 et 5 bars. Le compresseur HP 38 est couplé à une turbine 44 récupérant de l'énergie mécanique par détente du gaz d'échappement chaud en provenance de la pile à combustible 20, transporté par une canalisation 46.
Un autre échangeur 50, dit RAS HP , est prévu en aval du compresseur HP 38 pour refroidir l'air comprimé à la température de fonctionnement de la pile à combustible 20. Les échangeurs RAS HP 50 et RAS BP 40 sont intégrés dans un circuit de refroidissement d'air 52, comportant un radiateur 54 apte à évacuer vers l'extérieur l'énergie calorifique récupérée.
Le générateur 10 comporte en outre des moyens de reformage, ou "FPS" (en anglais, "Fuel Processing System"), comprenant un réacteur autothermal, dit ATR ou "reformeur 60 apte à transformer, en présence d'air et de vapeur d'eau, le carburant primaire en un reformât riche en hydrogène.
Le reformeur 60 est alimenté en air comprimé, depuis la sortie de du compresseur HP 38, par l'intermédiaire d'une canalisation 62, alimenté en carburant primaire, depuis un réservoir non représenté, par l'intermédiaire d'une canalisation 64, et alimenté en eau, sous forme de vapeur, par l'intermédiaire d'une canalisation 66.
Préalablement à leur introduction dans le reformeur 60, les réactifs, c'est-à-dire le carburant primaire, l'eau et l'air, sont chauffés jusqu'à environ 700 C via un échangeur 70 au moyen d'un brûleur catalytique 72. Le brûleur catalytique 72 est alimenté en air comprimé par le compresseur HP 38 par l'intermédiaire d'une canalisation 74, et en hydrogène résiduel, c'est-à-dire non consommé par la pile à combustible 20, par l'intermédiaire d'une canalisation 76. Après avoir traversé l'échangeur 70, les gaz d'échappement du brûleur 72 sont envoyés, par l'intermédiaire d'une canalisation 78, vers l'entrée de la turbine 44, puis rejetés vers l'extérieur.
Le reformât produit par le reformeur 60, convoyé par une canalisation 80, traverse, successivement dans le sens du flux de reformât, un échangeur HTS 82, un purificateur HTS 84 (en anglais High Temperature Shift ), un échangeur LTS 86 (en anglais Low Temperature Shift ), un purificateur LTS 88, un échangeur PrOx 90 (en anglais Preferential Oxydation ), un réacteur d'oxydation préférentielle PrOx 92, et un condenseur pré-anodique 94, avant de rejoindre le compartiment anodique 26 de la pile à combustible 20. Le réacteur d'oxydation préférentielle PrOx 92 est en outre alimenté en air comprimé sortant du compresseur HP 38 par l'intermédiaire d'une canalisation 95.
La purification et l'oxydation préférentielle permettent de convertir une grande partie du CO présent dans le reformât en CO2.
Les échangeurs HTS 82, LTS 86 et PrOx 90 sont destinés à refroidir le réformât entre chaque étage de traitement. Ils sont refroidis par une circulation de l'eau destinée au reformeur 60, l'énergie calorifique récupérée par l'eau pouvant être utilisée dans l'échangeur 70 pour la vaporisation et le chauffage des réactifs du reformeur 60, comme représenté, ou être prise en charge par un circuit de refroidissement externe. Sur la figure 1, les sorties d'eau des échangeurs HTS 82, LTS 88 et PrOx 90 se rejoignent ainsi en la canalisation commune 66 connectée à l'entrée de l'échangeur 70 du reformeur.
Dans la pile à combustible 20, l'hydrogène contenu dans le reformât est partiellement converti par une réaction électrochimique afin de fournir de l'électricité. L'hydrogène non consommé par la pile à combustible 20, sortant du compartiment anodique 26 par une canalisation 96 traverse un condenseur anodique 100, avant d'alimenter, via la canalisation 76, le brûleur 72. L'air chaud sortant du compartiment cathodique 28 par une canalisation 102 traverse un condenseur cathodique 104, avant d'être envoyé, par la canalisation 46, à la turbine 44 et rejeté vers l'extérieur par la canalisation 106.
Les condenseurs anodique 100, cathodique 104 et pré-anodique 94 sont refroidis au moyen d'un circuit de refroidissement de condenseurs, référencé 110, comportant un radiateur 112 apte à évacuer vers l'extérieur l'énergie calorifique récupérée. L'eau récupérée par ces condenseurs est envoyée, par l'intermédiaire de canalisations non représentées, vers un réservoir non représenté, puis, en cas de besoin, pompée vers les entrées 114, 116 et 118 des échangeurs HTS 82, LTS 86 et PrOx 90.
Les circuits de refroidissement 30, 52 et 110 de la pile à combustible 20, de l'air comprimé par les compresseurs 36 et 38 et des condenseurs 94, 100 et 104, respectivement, ont été représentés séparés les uns des autres pour la clarté du dessin. En fait, ces trois circuits sont fusionnés en un unique circuit de refroidissement, après par la suite circuit de refroidissement du véhicule .
Le fonctionnement du générateur 10 de la figure 1 est le suivant.
Les compresseurs BP 36 et HP 38, séparés par l'échangeur RAS BP 40, produisent de l'air comprimé à environ 190 C et à une pression d'environ 4,5 bars.
L'échangeur RAS BP 40 refroidit l'air chauffé par le compresseur BP 36, ce qui augmente le taux de compression et réduit le travail mécanique requis pour chaque compresseur.
L'air comprimé alimente le brûleur 72, le reformeur 60 par l'intermédiaire de l'échangeur 70, et le compartiment cathodique 28 de la pile à combustible 20 par l'intermédiaire de l'échangeur RAS HP 50. En aval de l'échangeur RAS HP 50, la température de l'air comprimé est d'environ 110 C.
L'échangeur 70 du reformeur 60, chauffé par les gaz d'échappement du brûleur 72, réchauffe tous les réactifs destinés au reformeur 60 jusqu'à une température adaptée au reformage du carburant, la température du reformeur 60 étant typiquement de l'ordre de 700 C. Le reformât sortant du reformeur 60 est ensuite refroidi à environ 400 C par l'échangeur HTS 82, puis à environ 200 C par l'échangeur LTS 86, puis enfin à environ 120 C par l'échangeur PrOx 90. Le reformât peut ainsi être purifié efficacement dans les purificateurs HTS 84 et LTS 88, puis oxydé préférentiellement dans le réacteur d'oxydation PrOx 92. Il traverse ensuite le condenseur pré-anodique 94 qui le refroidit à une température d'environ 80 à 110 C adaptée à son injection dans le compartiment anodique 26 de la pile à combustible 20. Le condenseur pré-anodique 94 a également pour fonction de récupérer une partie de la vapeur d'eau contenue dans le reformât purifié.
Dans la pile à combustible 20, l'hydrogène du reformât injecté est partiellement converti par une réaction électrochimique afin de fournir de l'électricité. L'hydrogène résiduel sortant du compartiment anodique à une pression d'environ 3 bars est utilisé par le brûleur 72, après récupération de la vapeur d'eau dans le condenseur anodique 100. Les gaz d'échappement du compartiment cathodique 28, à une pression d'environ 3 bars, après récupération de la vapeur d'eau dans le condenseur cathodique 104, sont utilisés par la turbine 44, puis rejetés vers l'extérieur.
Dans un véhicule automobile, il est nécessaire d'assurer l'autonomie en eau du régénérateur 10. L'eau récupérée dans les condenseurs anodique 100, cathodique 104 et pré-anodique 94, à environ 60 C, est donc réutilisée pour alimenter le reformeur en eau.
En fonctionnement, la pile à combustible 20 dégage une puissance calorifique d'environ 60 à 70 kW. Les condenseurs 94, 100 et 104 dégagent environ 30 à 40 kW et les échangeurs thermiques 40, 50, 82, 86 et 118 dégagent au total environ 10 kW. Le circuit de refroidissement du véhicule doit donc échanger avec le milieu ambiant une puissance calorifique de l'ordre de 100 à 120 kW, pour une puissance électrique brute de pile à combustible 20 de 70 kWe.
L'évacuation d'une telle puissance implique des contraintes de dimensionnement, en particulier des radiateurs 54, 112 et 32, qui rendent difficile l'intégration du générateur 10 dans un véhicule automobile.
Le but de la présente invention est de fournir un générateur du type décrit 15 en préambule offrant un encombrement réduit et/ou un rendement amélioré, de manière à faciliter son intégration dans le véhicule.
Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'un générateur d'électricité destiné à un véhicule automobile, comportant un reformeur apte à produire un reformât à partir d'un carburant primaire, 20 d'air et d'eau, des circuits d'alimentation dudit reformeur en carburant primaire, en air et en eau, une pile à combustible apte à produire de l'énergie électrique à partir dudit reformât et d'air, un compresseur apte à comprimer l'air destiné à ladite pile à combustible et/ou audit reformeur, des circuits d'alimentation de ladite pile à combustible en reformât et en air, connectant ladite pile à combustible audit reformeur et audit compresseur, respectivement.
Le générateur selon l'invention est remarquable en ce que ledit circuit d'alimentation en eau dudit reformeur comporte un premier échangeur thermique apte à mettre en relation d'échange thermique ladite eau et ledit air comprimé par ledit compresseur.
L'eau traversant le premier échangeur refroidit l'air destiné à la pile à combustible et/ou au reformeur. L'eau récupère ainsi de l'énergie calorifique lors de la traversée du premier échangeur. Elle arrive ainsi préchauffée dans l'échangeur disposé en amont du reformeur. Avantageusement, l'énergie calorifique supplémentaire nécessaire pour que la température de l'eau convienne à son injection dans le reformeur, classiquement apportée par un brûleur catalytique, est donc réduite. Il en résulte un gain d'énergie et une amélioration du bilan énergétique du générateur.
En outre, l'eau traversant le premier échangeur refroidit l'air comprimé, ce qui, avantageusement, soulage le circuit de refroidissement du véhicule. La puissance thermique à évacuer vers l'extérieur par ce dernier est donc réduite. II en résulte avantageusement un dimensionnement réduit du circuit de refroidissement et une intégration dans le véhicule améliorée.
De préférence, le générateur selon l'invention présente encore les 15 caractéristiques suivantes.
Ledit circuit d'alimentation en eau dudit reformeur comporte au moins un deuxième échangeur thermique, inséré en aval dudit premier échangeur thermique, apte à mettre en relation d'échange thermique ladite eau et ledit reformât circulant dans ledit circuit d'alimentation en reformât de ladite pile à combustible. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, cette configuration améliore encore le rendement énergétique global du générateur et permet de limiter l'encombrement du circuit de refroidissement.
Ledit circuit d'alimentation en eau dudit reformeur comporte, en aval dudit premier échangeur thermique, une pluralité de dits deuxièmes échangeurs thermiques branchés en parallèle et aptes à mettre en relation d'échange thermique ladite eau et ledit reformât circulant dans ledit circuit d'alimentation en reformât de ladite pile à combustible.
Ledit circuit d'alimentation en reformât de ladite pile à combustible comporte un ou plusieurs purificateurs et/ou réacteurs d'oxydation dudit reformât, au moins un desdits deuxièmes échangeurs étant inséré entre ledit reformeur et l'un quelconque desdits purificateurs et/ou réacteurs d'oxydation, et/ou entre deux quelconques desdits purificateurs et/ou réacteurs d'oxydation.
- Ledit deuxième échangeur est inséré dans ledit circuit d'alimentation en eau dudit reformeur en amont d'un échangeur de vaporisation de ladite eau.
Ledit air comprimé est également destiné à un brûleur de chauffage dudit carburant primaire et/ou de l'air et/ou de l'eau destinés audit reformeur.
L'invention concerne également un véhicule automobile comportant un générateur d'électricité selon l'invention.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la figure 1, décrit en introduction représente schématiquement un générateur d'électricité selon la technique antérieure; les figures 2 à 6 représentent schématiquement différentes variantes du générateur selon l'invention.
Dans les différentes figures, des références identiques ont été utilisées pour 15 décrire des organes identiques ou analogues.
Dans toutes les figures, les circuits d'alimentation en air de la pile à combustible, du brûleur, du réacteur d'oxydation préférentielle et du reformeur ont été représentés en trait interrompu. Le circuit d'alimentation en reformât de la pile à combustible a été représenté en trait épais. Le circuit d'alimentation en eau du reformeur a été représenté en trait pointillé. Les canalisations dans lesquelles circulent les gaz s'échappant de la pile à combustible ont été représentées en trait mixte.
La figure 1 ayant été décrite en introduction, on se reporte à présent à la figure 2.
Le générateur 10 représenté sur la figure 2 comporte, en plus de celui représenté sur la figure 1, un échangeur RAS BP supplémentaire, référencé 130, inséré immédiatement en aval du compresseur BP 36. L'échangeur RAS BP 130 est refroidi par une circulation d'eau, entrant dans l'échangeur à environ 20 C et à environ 8 bars. A travers l'échangeur 130, l'eau est réchauffée par l'air chaud sortant, à environ 190 C, du compresseur BP 36. En sortie de l'échangeur 130, l'eau est conduite par l'intermédiaire d'une canalisation 132, puis de dérivations parallèles 134, 136 et 138, jusqu'aux échangeurs HTS 82, LTS 88 et pré-anodique 90, respectivement. La traversée des échangeurs HTS, LTS et pré-anodique provoque la vaporisation de l'eau, ce qui permet de qualifier ces échangeurs d'échangeurs de vaporisation. La vapeur d'eau traverse ensuite l'échangeur 70 où elle est chauffée jusqu'à la température d'entrée du reformeur 60 grâce à la chaleur produite dans le brûleur catalytique 72. Elle est ensuite injectée dans le reformeur 60.
Après avoir été partiellement refroidi par l'eau du reformeur 60, l'air est refroidi à une température adaptée au compresseur HP 38 par l'échangeur RAS BP 40 classiquement inséré dans le circuit de refroidissement du véhicule. Avantageusement, le refroidissement amont par l'échangeur supplémentaire 130 permet de limiter la puissance de refroidissement requise du circuit de refroidissement du véhicule. L'utilisation du circuit de refroidissement pour refroidir l'air permet également d'assurer un contrôle optimal de la température de l'air entrant dans le compresseur HP 38, ce qui est particulièrement avantageux lors des phases de fonctionnement transitoire. Le refroidissement de l'échangeur supplémentaire RAS BP 130 par l'eau destinée au reformeur 60 permet de valoriser 3 à 7kW thermiques et de réduire d'autant la charge du circuit de refroidissement.
La récupération, grâce à l'échangeur supplémentaire RAS BP 130, d'une partie de l'énergie thermique nécessaire à la vaporisation et au chauffage de l'eau permet de prélever moins d'énergie thermique au niveau du brûleur catalytique 72. Ainsi, l'apport de 5 kW au niveau de l'échangeur supplémentaire RAS BP 130 permet-il de diminuer de 5 kW la puissance calorifique prélevée au gaz chaud sortant du brûleur catalytique 70 destiné au chauffage des réactifs du reformeur 60 dans l'échangeur 70. La température de ce gaz lorsqu'il entre dans la turbine 44 est donc accrue, ce qui, avantageusement, augmente la récupération d'énergie mécanique dans la turbine de 1 à 2 kW. Cette augmentation de la récupération d'énergie mécanique au niveau de la turbine 44 permet d'augmenter la compression du compresseur HP 38 et de réduire celle du compresseur BP 36. La consommation électrique des compresseurs en est légèrement réduite et la quantité d'électricité disponible pour la traction du véhicule avantageusement augmentée d'environ de 1 à 2 kW.
Le rendement global du générateur augmente de 0,5 à 1%.
Comme représenté sur la figure 3, l'eau chaude sortant de l'échangeur RAS BP supplémentaire 130 ne traverse pas nécessairement ensuite les trois échangeurs HTS 82, LTS 86 et pré-anodique 90. Sur la figure 3, elle ne traverse par exemple que le seul échangeur LTS 86, dans lequel elle est vaporisée.
Dans la variante de l'invention représentée sur la figure 4, l'échangeur RAS BP supplémentaire 130 est branché dans le circuit d'alimentation en eau du reformeur 60 en parallèle avec les échangeurs HTS 82, LTS 86 et pré-anodique 90, toutes les eaux réchauffées dans les échangeurs 130, 82, 86 et 90 se rejoignant en entrée de l'échangeur 70. L'eau sortant réchauffée de l'échangeur RAS BP supplémentaire 130 ne traverse donc aucun des trois échangeurs HTS 82, LTS 86 et pré-anodique 90.
Dans la variante de l'invention représentée sur la figure 5, proche de celle de la figure 2, les circuits de refroidissement de l'air sortant des compresseurs BP 36 et HP 38 ont été dissociés. L'échangeur RAS BP 40 est refroidi par le circuit de refroidissement du véhicule, comme selon la technique antérieure. En revanche, l'échangeur RAS HP 50 est désormais refroidi par de l'eau liquide, initialement à environ 20 C et à environ 8 bars, qui, après avoir traversé l'échangeur RAS HP 50 et avoir été réchauffée par de l'air chaud sortant du compresseur HP 38, est conduite, par l'intermédiaire des canalisations 132, 134, 136 et 138, jusqu'aux échangeurs HTS 82, LTS 84 et pré-anodique 90. La traversée des échangeurs HTS, LTS et pré-anodique provoque la vaporisation de l'eau. La vapeur d'eau traverse ensuite l'échangeur 70 chauffé par le brûleur, puis alimente le reformeur 60.
Le refroidissement de l'échangeur RAS HP 50 par l'eau utilisée dans le reformeur 60 permet de valoriser 3 à 7 kW thermiques de la charge du circuit de refroidissement du véhicule, et ainsi d'alléger la charge thermique à évacuer vers l'extérieur par ce dernier.
La récupération, grâce à l'échangeur RAS HP 50, d'une partie de l'énergie thermique nécessaire à la vaporisation et au chauffage de l'eau permet de prélever moins d'énergie thermique au niveau du brûleur catalytique 72. Ainsi, l'apport de 5 kW au niveau de l'échangeur RAS HP 50 permet-il par exemple de diminuer de 5 kW la puissance calorifique prélevée aux gaz chauds sortant du brûleur catalytique 72 et destinée au chauffage de la vapeur. La température de ces gaz lorsqu'ils entrent dans la turbine 44 est donc accrue, ce qui, avantageusement, augmente la récupération d'énergie mécanique dans la turbine de 1 à 2 kW. Cette augmentation de la récupération d'énergie mécanique au niveau de la turbine 44 permet d'augmenter la compression du compresseur HP 38 et de réduire celle du compresseur BP 36. La consommation électrique des compresseurs en est réduite et la quantité d'électricité disponible pour la traction du véhicule avantageusement augmentée d'environ de 1 à 2 kW.
Le rendement global du générateur augmente de 0,5 à 1%.
Dans la variante représentée sur la figure 6, aucun des échangeurs RAS BP 40 et RAS HP 50 n'est plus refroidi par le circuit de refroidissement du véhicule. Chacun de ces échangeurs 40 et 50 est refroidi par la traversée d'un flux d'eau, rejoignant ensuite, comme dans la configuration de la figure 5, les échangeurs HTS 82, LTS 86 et pré-anodique 90, puis le reformeur 60.
Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, l'eau traversant les échangeurs RAS BP 40 ou RAS HP 50 dissociés du circuit de refroidissement du véhicule est de préférence de l'eau recyclée, en provenance des condenseurs anodique, cathodique et pré-anodique, puis stockée dans un réservoir. A la sortie de ce réservoir, la température est typiquement d'environ 20 C, mais peut, en fonction des conditions de roulage, atteindre 60 C.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. Les différentes variantes pourraient par exemple être combinées.
En particulier, l'invention n'est pas limitée à l'architecture représentée, le nombre et le positionnement des échangeurs RAS, HTS, RTS et pré-cathodique, ou des condenseurs pouvant être différents. Elle n'est pas limitée à un type de pile à combustible ou de reformeur.
Le choix d'une architecture dépend en particulier de la quantité de puissance développée dans les échangeurs RAS et de la puissance nécessaire au préchauffage de l'eau destinée au reformeur.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Générateur d'électricité destiné à un véhicule automobile (V), comportant - un reformeur (60) apte à produire un reformât à partir d'un carburant primaire, d'air et d'eau, des circuits d'alimentation dudit reformeur (60) en carburant primaire (64), en air (36,40,38,62) et en eau (82,86,90,66), - une pile à combustible (20) apte à produire de l'énergie électrique à partir dudit reformât et d'air, un compresseur (36;38) apte à comprimer l'air destiné à ladite pile à combustible (20) et/ou audit reformeur (60), des circuits d'alimentation de ladite pile à combustible (20) en reformât (80,82,84,86,88,90,92,94,22) et en air (24), connectant ladite pile à combustible (20) audit reformeur (60) et audit compresseur (36;38), respectivement, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation en eau (82,86,90,66) dudit reformeur (60) comporte un premier échangeur thermique (130;40;50) apte à mettre en relation d'échange thermique ladite eau et de l'air comprimé par ledit compresseur (36;38).
2. Générateur d'électricité selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation en eau (82,86,90,66) dudit reformeur (60) comporte au moins un deuxième échangeur thermique (82,86,90), inséré en aval dudit premier échangeur thermique (130), apte à mettre en relation d'échange thermique ladite eau et ledit reformât circulant dans ledit circuit d'alimentation en reformât (80,82,84,86,88,90,92,94,22) de ladite pile à combustible (20).
3. Générateur d'électricité selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation en eau (82,86,90,66) dudit reformeur (60) comporte en aval dudit premier échangeur (130;40;50), une pluralité de dits deuxièmes échangeurs thermiques (82,86,90) branchés en parallèle et aptes à mettre en relation d'échange thermique ladite eau et ledit reformât circulant dans ledit circuit d'alimentation en reformât (80,82, 84,86,88,90,92,94,22) de ladite pile à combustible (20).
4. Générateur d'électricité selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation en reformât (80,82,84, 86,88,90,92,94,22) de ladite pile à combustible (20) comporte un ou plusieurs purificateurs (84,88) et/ou réacteurs d'oxydation (92) dudit reformât, au moins un desdits deuxièmes échangeurs (82,86,90) étant inséré entre ledit reformeur (60) et l'un quelconque desdits purificateurs (84,88) et/ou réacteurs d'oxydation (92), et/ou entre deux quelconques desdits purificateurs (84,88) et/ou réacteurs d'oxydation (92).
5. Générateur d'électricité selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit deuxième échangeur (82,86,90) est inséré dans ledit circuit d'alimentation en eau (82,86,90,66) dudit reformeur (60) en amont d'un échangeur de vaporisation (82,86,90) de ladite eau.
6. Générateur d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit air comprimé est également destiné à un brûleur de chauffage (72) dudit carburant primaire et/ou de l'air et/ou de l'eau destinés audit reformeur (60).
7. Véhicule automobile comportant un générateur d'électricité (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
FR0410652A 2004-10-08 2004-10-08 Generateur d'electricite pour vehicule automobile Expired - Fee Related FR2876500B1 (fr)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0410652A FR2876500B1 (fr) 2004-10-08 2004-10-08 Generateur d'electricite pour vehicule automobile
PCT/FR2005/050823 WO2006040490A1 (fr) 2004-10-08 2005-10-06 Generateur d'electricite pour vehicule automobile
US11/576,927 US7722971B2 (en) 2004-10-08 2005-10-06 Electric generator for motor vehicle
JP2007535220A JP2008516385A (ja) 2004-10-08 2005-10-06 自動車用の発電機
EP05810742A EP1799614A1 (fr) 2004-10-08 2005-10-06 Generateur d'electricite pour vehicule automobile

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0410652A FR2876500B1 (fr) 2004-10-08 2004-10-08 Generateur d'electricite pour vehicule automobile

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR2876500A1 true FR2876500A1 (fr) 2006-04-14
FR2876500B1 FR2876500B1 (fr) 2007-08-10

Family

ID=34950370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR0410652A Expired - Fee Related FR2876500B1 (fr) 2004-10-08 2004-10-08 Generateur d'electricite pour vehicule automobile

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7722971B2 (fr)
EP (1) EP1799614A1 (fr)
JP (1) JP2008516385A (fr)
FR (1) FR2876500B1 (fr)
WO (1) WO2006040490A1 (fr)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5103236B2 (ja) * 2008-03-24 2012-12-19 三洋電機株式会社 改質装置
US9300168B2 (en) * 2008-11-18 2016-03-29 Derek S. Elleman Hybrid power system for a vehicle

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000039875A1 (fr) * 1998-12-23 2000-07-06 International Fuel Cells, Llc Groupe electrogene alimente par hydrocarbures utilisant une pile a combustible a membrane echangeuse de protons
EP1021845A1 (fr) * 1997-09-10 2000-07-26 AlliedSignal Inc. Systeme hybride d'alimentation electrique
US6521204B1 (en) * 2000-07-27 2003-02-18 General Motors Corporation Method for operating a combination partial oxidation and steam reforming fuel processor
US6572994B1 (en) * 1998-10-26 2003-06-03 Kabushiki Kaisha Toshiba Polymer electrolyte fuel cell system
WO2003060043A1 (fr) * 2002-01-10 2003-07-24 General Motors Corporation Systeme de gestion thermique de processeur de combustible

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19707814C1 (de) * 1997-02-27 1998-08-20 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage
JP3561706B2 (ja) * 2002-01-18 2004-09-02 三洋電機株式会社 固体高分子形燃料電池発電装置
US6818336B2 (en) * 2002-08-20 2004-11-16 Utc Fuel Cells, Llc Fuel control for fuel-processor steam generation in low temperature fuel cell power plant
JP4457559B2 (ja) * 2003-01-09 2010-04-28 日産自動車株式会社 燃料蒸発装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1021845A1 (fr) * 1997-09-10 2000-07-26 AlliedSignal Inc. Systeme hybride d'alimentation electrique
US6572994B1 (en) * 1998-10-26 2003-06-03 Kabushiki Kaisha Toshiba Polymer electrolyte fuel cell system
WO2000039875A1 (fr) * 1998-12-23 2000-07-06 International Fuel Cells, Llc Groupe electrogene alimente par hydrocarbures utilisant une pile a combustible a membrane echangeuse de protons
US6521204B1 (en) * 2000-07-27 2003-02-18 General Motors Corporation Method for operating a combination partial oxidation and steam reforming fuel processor
WO2003060043A1 (fr) * 2002-01-10 2003-07-24 General Motors Corporation Systeme de gestion thermique de processeur de combustible

Also Published As

Publication number Publication date
FR2876500B1 (fr) 2007-08-10
JP2008516385A (ja) 2008-05-15
EP1799614A1 (fr) 2007-06-27
WO2006040490A1 (fr) 2006-04-20
US7722971B2 (en) 2010-05-25
US20080050624A1 (en) 2008-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5616064B2 (ja) 燃料電池の熱交換システム及び方法
EP1495473B1 (fr) Procede et dispositif de production d'electricite a partir de la chaleur produite dans le coeur d'au moins un reacteur nucleaire a haute temperature
FR3056230A1 (fr) Systeme d'electrolyse reversible de l'eau a haute temperature comportant un reservoir d'hydrures couple a l'electrolyseur
EP3499626B1 (fr) Systeme reversible de stockage et destockage d'electricite comprenant un convertisseur electrochimique (sofc/soec) couple a un systeme de stockage/destockage d'air comprime (caes)
EP3732743B1 (fr) Ensemble de production d'énergie couplant une pile à combustible et un système thermodynamique réversible
FR3063181A1 (fr) Procede pour demarrer un ensemble de pile a combustible, et ensemble correspondant
EP1799614A1 (fr) Generateur d'electricite pour vehicule automobile
EP1733447B1 (fr) Dispositif et procede de refroidissement d'un ensemble de generation d'electricite comprenant une pile a combustible.
FR2805805A1 (fr) Dispositif de generation de gaz riche en hydrogene pour pile a combustible
FR2886765A1 (fr) Systeme de pile a combustible, et procede associe
FR2863778A1 (fr) Generateur d'electricite pour vehicule automobile.
EP1733446B1 (fr) Dispositif et procede de refroidissement d'un module de puissance d'une pile a combustible
JP2008523552A (ja) 燃料電池が装備された動力車両に搭載される電力を発生するためのシステムとそれに関連する方法
FR2904476A1 (fr) Systeme de pile a combustible avec reformeur
WO2005107001A2 (fr) Agencement de piles a combustible
EP1730806B1 (fr) Procede de regulation de la pression d'un gaz d'echappement d'une pile a combustible de maniere a reguler l'aptitude a la condensation de ce gaz
FR2868605A1 (fr) Dispositif et procede de refroidissement d'un module de puissance d'une pile a combustible
FR2887077A1 (fr) Installation de production d'energie comportant une pile a combustible et comportant un echangeur de chaleur
FR2865854A1 (fr) Procede de mise en temperature d'un generateur electrique a pile a combustible et generateur electrique mettant en oeuvre ce procede.
WO2005096426A1 (fr) Dispositif et procede de refroidissement d'un module de puissance d'une pile a combustible
FR2833761A1 (fr) Dispositif de generation d'electricite du type pile a combustible et vehicule comportant un tel dispositif
FR2875951A1 (fr) Dispositif de pile a combustible autonome en eau
FR2868212A1 (fr) Dispositif de gestion de l'eau d'un systeme pile a combustible
FR2886766A1 (fr) Systeme de pile a combustible perfectionne et procede de production d'eau associe
FR2899020A1 (fr) Systeme de pile a combustible a haut rendement

Legal Events

Date Code Title Description
ST Notification of lapse

Effective date: 20130628