FR2883667A1 - Electricity generation system for motor vehicle, has condenser traversed by gas flow directed to turbine that recovers energy of cathodic and anodic evacuation gases which are guided by water recuperation conduit till another condenser - Google Patents
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Abstract
Description
Installation de production d'électricité à bord d'un véhiculeOn-vehicle power generation system
automobile comprenant une pile à combustible L'invention concerne une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible. The invention relates to an installation for producing electricity on board a motor vehicle, of the type comprising a fuel cell.
lo L'invention concerne plus particulièrement une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comportant au moins un orifice d'évacuation de gaz résiduels qui sont constitués notamment d'air et de vapeur d'eau, et qui sont rejetés dans une conduite d'évacuation dans laquelle est agencé un premier récupérateur d'eau, le même flux de gaz résiduels traversant successivement une turbine et un second récupérateur d'eau, l'eau liquide étant dérivée depuis la conduite d'évacuation vers un circuit d'eau liquide. The invention relates more particularly to an electricity production installation on board a motor vehicle, of the type comprising a fuel cell having at least one residual gas evacuation orifice which consist in particular of air and steam. of water, and which are discharged into a discharge pipe in which is arranged a first water recuperator, the same flow of residual gas successively passing through a turbine and a second water recuperator, the liquid water being derived from the evacuation pipe to a liquid water circuit.
Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles. La pile à combustible est alors embarquée à bord du véhicule. Fuel cells are used in particular to provide electrical energy necessary for the propulsion of motor vehicles. The fuel cell is then embarked on board the vehicle.
Une pile à combustible est constituée principalement de deux électrodes, une anode et une cathode, qui sont séparées par un électrolyte. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydo-réduction suivantes: - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, 30 qui alimente l'anode en continu; et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la cathode en continu. A fuel cell consists mainly of two electrodes, anode and a cathode, which are separated by an electrolyte. This type of cell allows the direct conversion into electrical energy of the energy produced by the following oxidation-reduction reactions: an oxidation reaction of a fuel, or fuel, which feeds the anode continuously; and a reduction reaction of an oxidant which feeds the cathode continuously.
Les piles à combustible utilisées pour fournir de l'énergie électrique à bord de véhicules automobiles sont généralement du type à électrolyte solide, notamment à électrolyte formé par une membrane en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) en guise de combustible et de comburant respectivement. The fuel cells used to supply electrical energy in motor vehicles are generally of the solid electrolyte type, in particular with an electrolyte formed by a polymer membrane. Such a cell uses in particular hydrogen (H2) and oxygen (02) as fuel and oxidant respectively.
Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec les gaz d'échappement une quantité non négligeable de substances polluantes, la pile à combustible offre notamment io l'avantage de rejeter principalement de l'eau qui est produite par la réaction de réduction à la cathode. Unlike thermal engines which discharge with the exhaust gas a significant amount of polluting substances, the fuel cell has the advantage in particular to reject mainly water that is produced by the reduction reaction at the cathode.
La pile rejette aussi une partie du comburant qui n'a pas réagi sous forme de gaz d'évacuation cathodique et elle rejette éventuellement une partie du carburant qui n'a pas réagi sous forme de gaz d'évacuation anodique. Dans ce dernier cas, le carburant est généralement brûlé avant d'être rejeté dans l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau. The cell also rejects a portion of the unreacted oxidant as cathodic evacuation gas and eventually rejects a portion of the unreacted fuel as anode exhaust gas. In the latter case, the fuel is usually burned before being released into the atmosphere as water vapor.
De plus, le comburant d'une pile du type décrit précédemment peut être de l'air ambiant dont l'oxygène (02) est 20 réduit. In addition, the oxidant of a battery of the type previously described may be ambient air whose oxygen (O 2) is reduced.
Le comburant est généralement humidifié avant d'être injecté à la cathode de façon que la membrane en matériau polymère ne soit pas endommagée, par exemple par assèchement. Cette opération d'humidification est également appliquée au carburant lorsque ce dernier ressort de l'anode via un orifice d'évacuation anodique. The oxidant is generally moistened before being injected at the cathode so that the membrane of polymeric material is not damaged, for example by dewatering. This humidification operation is also applied to the fuel when the latter leaves the anode via an anode outlet.
L'eau nécessaire à l'humidification de la membrane est généralement récupérée en sortie de pile, et plus particulièrement dans les gaz d'évacuation cathodique qui comportent de l'eau, sous forme liquide ou vapeur, qui est produite par la réaction de réduction du comburant à la cathode. The water required for humidification of the membrane is generally recovered at the outlet of the cell, and more particularly in the cathodic evacuation gases which comprise water, in liquid or vapor form, which is produced by the reduction reaction. from the oxidant to the cathode.
La récupération d'eau à la sortie de la cathode présente en effet l'avantage de ne pas avoir à renouveler fréquemment les réserves d'eau du véhicule. De plus, si suffisamment d'eau peut être récupéré pour humidifier la membrane, il n'est pas nécessaire que le véhicule soit équipé d'un réservoir d'eau de volume important. The water recovery at the outlet of the cathode has the advantage of not having to frequently renew the water reserves of the vehicle. In addition, if enough water can be recovered to humidify the membrane, it is not necessary that the vehicle is equipped with a water tank of large volume.
Pour récupérer l'eau produite à la cathode, on peut agencer un condenseur dans le flux de gaz d'évacuation cathodique. Pour un fonctionnement optimal de la pile à combustible qui est alimentée par du comburant et du carburant sous pression atmosphérique, l'utilisation d'un seul condenseur io peut induire une contrainte trop forte sur la boucle de refroidissement. To recover the water produced at the cathode, a condenser may be arranged in the cathodic evacuation gas stream. For optimum operation of the fuel cell which is fed with oxidant and fuel at atmospheric pressure, the use of a single condenser can induce too much stress on the cooling loop.
En effet, dans cette configuration d'architecture, la quantité d'énergie thermique à évacuer par la boucle de refroidissement est trop importante pour le circuit de refroidissement. Cette solution n'est pas applicable car ce système est mal dimensionné entraînant une dégradation du rendement. D'autre part la température du flux gazeux à atteindre pour récupérer suffisamment d'eau liquide est trop faible: dans le cas où la température du liquide de refroidissement est plus élevée que celle du flux à refroidir, le système ne peux pas récupérer d'eau en quantités suffisantes. Indeed, in this architecture configuration, the amount of thermal energy to be removed by the cooling loop is too important for the cooling circuit. This solution is not applicable because this system is poorly dimensioned resulting in a degradation of the yield. On the other hand the temperature of the gas flow to reach to recover enough liquid water is too low: in the case where the temperature of the coolant is higher than that of the flow to be cooled, the system can not recover from water in sufficient quantities.
Pour résoudre ces problèmes, l'invention propose une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile du type décrit précédemment, caractérisée en ce que la turbine est intercalée dans la conduite d'évacuation des gaz résiduels entre les deux récupérateurs d'eau. To solve these problems, the invention proposes an installation for producing electricity on board a motor vehicle of the type described above, characterized in that the turbine is inserted in the residual gas evacuation pipe between the two recuperators. 'water.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - la turbine entraîne un compresseur intercalé dans une conduite d'alimentation en gaz en amont de ladite pile à combustible, par une liaison mécanique, - les récupérateurs d'eau sont des condenseurs qui liquéfient la vapeur d'eau du flux de gaz résiduels, - le flux de gaz résiduels issu du circuit anodique et celui issu du circuit cathodique se détendent dans la turbine respectivement via les conduites d'évacuation, - l'installation comporte un compresseur supplémentaire qui est intercalé dans la conduite d'alimentation de la pile en amont du premier compresseur (9) de façon à pré comprimer les gaz, - la turbine et le compresseur forment un turbocompresseur, et io - ladite installation comprend un reformeur qui alimente la pile à combustible en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pression qui sont injectés dans la turbine. According to other features of the invention: the turbine drives a compressor interposed in a gas supply pipe upstream of said fuel cell, by a mechanical connection, the water recuperators are condensers which liquefy the water vapor from the residual gas stream, - the residual gas stream from the anode circuit and that from the cathode circuit are expanded in the turbine respectively via the discharge pipes, - the installation comprises an additional compressor which is inserted in the supply line of the stack upstream of the first compressor (9) so as to prepress the gases, - the turbine and the compressor form a turbocharger, and - said installation comprises a reformer which supplies the fuel cell with fuel and which rejects pressurized exhaust gases that are injected into the turbine.
La présente invention s'applique en outre à un véhicule automobile comportant une telle installation de production d'électricité. The present invention also applies to a motor vehicle comprising such a power generation facility.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique annexée qui est une représentation schématique de l'installation de production d'électricité réalisée selon les enseignements de l'invention. Other features and advantages of the invention will appear during the reading of the detailed description which follows for the understanding of which reference will be made to the single appended figure which is a schematic representation of the power generation installation carried out. according to the teachings of the invention.
On a représenté à la figure 1 une installation de production d'électricité 1 qui est ici embarquée à bord d'un véhicule automobile. L'installation 1 comporte principalement une pile à combustible 2 dont l'électrolyte est ici une membrane de polymère 16. There is shown in Figure 1 a power generation facility 1 which is here on board a motor vehicle. The installation 1 mainly comprises a fuel cell 2, the electrolyte of which is here a polymer membrane 16.
La pile à combustible 2 comporte une anode 17 et une cathode 18. La cathode 18 est alimentée en continu par un comburant qui est ici de l'air. L'anode 17 est alimentée en continu par un carburant qui est ici principalement de l'hydrogène (H2). Les débits de comburant et de carburant sont ici régulés en fonction de la puissance électrique requise pour le véhicule automobile. The fuel cell 2 comprises an anode 17 and a cathode 18. The cathode 18 is fed continuously with an oxidant which is here air. The anode 17 is fed continuously with a fuel which is here mainly hydrogen (H2). The oxidizer and fuel flow rates are here regulated according to the electrical power required for the motor vehicle.
Le circuit cathodique comporte notamment une conduite d'alimentation cathodique 23 qui est raccordée à un orifice d'alimentation cathodique 26 afin d'alimenter la cathode 18 en air. La cathode 18 comporte un orifice d'évacuation cathodique 28 par lequel les gaz d'évacuation cathodique, ou gaz résiduels, c'est-à-dire n'ayant pas été consommés par la cathode, sont évacués dans une conduite d'évacuation cathodique 15. Cette même conduite d'évacuation 15 est reliée à une conduite d'évacuation 4 des gaz d'évacuation anodiques. The cathode circuit includes in particular a cathode supply line 23 which is connected to a cathode supply port 26 for supplying the cathode 18 with air. The cathode 18 comprises a cathodic evacuation orifice 28 through which the cathodic evacuation gases, or residual gases, that is to say not having been consumed by the cathode, are discharged in a cathodic evacuation pipe. 15. The same exhaust pipe 15 is connected to a discharge pipe 4 of the anode evacuation gases.
to La conduite d'évacuation cathodique 15 est raccordée à un condenseur 5. Le flux de gaz traversant le condenseur 5 est ensuite dirigé vers une turbine 6 via une conduite 19. Cette turbine 6 entraîne mécaniquement un compresseur 9. La turbine 6 est destinée à récupérer l'énergie des gaz d'évacuation cathodique et anodique qui sont ensuite guidés par une conduite de récupération d'eau 20 jusqu'à un condenseur 7. La turbine 6 et le compresseur 9 sont reliés par une liaison mécanique 10 et forment ici un turbocompresseur 13. The cathodic evacuation pipe 15 is connected to a condenser 5. The flow of gas passing through the condenser 5 is then directed towards a turbine 6 via a pipe 19. This turbine 6 mechanically drives a compressor 9. The turbine 6 is intended for recovering the energy of the cathodic and anodic evacuation gases which are then guided by a water recovery line 20 to a condenser 7. The turbine 6 and the compressor 9 are connected by a mechanical connection 10 and form here a turbocharger 13.
Les condenseurs 5 et 7 sont destinés à recueillir l'eau liquide contenue dans les gaz d'évacuation cathodique et anodique comprimés. The condensers 5 and 7 are intended to collect the liquid water contained in the compressed cathodic and anodic discharge gases.
Après passage dans le condenseur 7, les gaz d'évacuation cathodique et anodique sont ensuite expulsés dans l'atmosphère. After passing through the condenser 7, the cathodic and anodic evacuation gases are then expelled into the atmosphere.
Le circuit anodique comporte notamment un réservoir 14 contenant un carburant usuel qui est ici de l'essence et qui est situé en amont de l'anode 17. L'essence est guidée par une tubulure d'acheminement de l'essence 11 depuis le réservoir 14 jusqu'à un reformeur 12 qui est destiné à extraire l'hydrogène (H2) de l'essence. The anode circuit comprises in particular a reservoir 14 containing a conventional fuel which is gasoline here and which is located upstream of the anode 17. The gasoline is guided by a pipe for transporting gasoline 11 from the tank 14 to a reformer 12 which is intended to extract hydrogen (H2) from gasoline.
Le reformeur 12 rejette un reformât contenant de l'hydrogène (H2) dans une tubulure d'alimentation anodique 21 qui est raccordée à un orifice d'alimentation anodique 22 qui débouche à l'anode 17 de la pile à combustible 2. The reformer 12 rejects a reformate containing hydrogen (H2) in an anode feed pipe 21 which is connected to an anode feed port 22 which opens at the anode 17 of the fuel cell 2.
Après consommation d'une partie de l'hydrogène (H2), le carburant résiduel est ici injecté via une tubulure d'évacuation anodique 24 dans un brûleur 25 intégré au reformeur 12 afin d'y être brûlé. Les gaz d'échappement résultants de cette opération sont ensuite évacués par un orifice d'échappement 27 du brûleur 25 dans la tubulure d'échappement 4 du brûleur 25 qui est raccordée à la conduite d'expulsion 15 en amont du condenseur io 5. Après leur passage dans le condenseur 5, les gaz d'échappement se détendent dans la turbine 6 et sont ainsi rejetés dans l'atmosphère via le deuxième condenseur 7 avec les gaz d'évacuation cathodique. After consumption of a portion of the hydrogen (H2), the residual fuel is injected here via an anode discharge pipe 24 into a burner 25 integrated in the reformer 12 in order to be burned. The resulting exhaust gases from this operation are then discharged through an exhaust port 27 of the burner 25 into the exhaust manifold 4 of the burner 25 which is connected to the expulsion line 15 upstream of the condenser 5. when they pass through the condenser 5, the exhaust gases relax in the turbine 6 and are thus released into the atmosphere via the second condenser 7 with the cathodic evacuation gases.
L'installation 1 comporte aussi un circuit de distribution is d'eau qui est représenté en trait pointillé sur la figure 1. Le circuit de distribution d'eau comporte un réservoir d'eau 8. Le réservoir d'eau 8 est alimenté en eau par les deux condenseurs 5 et 7 respectivement par des conduits d'écoulement d'eau 29 et 30. The installation 1 also comprises a water distribution circuit which is shown in dashed line in FIG. 1. The water distribution circuit comprises a water reservoir 8. The water reservoir 8 is supplied with water by the two condensers 5 and 7 respectively by water flow conduits 29 and 30.
L'eau récupérée par les condenseurs 5 et 7 est ensuite distribuée par un réseau de distribution d'eau au reformeur 12 ainsi qu'à un dispositif d'humidification 31 du carburant et du comburant qui est agencé dans la conduite d'alimentation cathodique 23 et dans la tubulure d'alimentation anodique 21. La distribution de l'eau est ici réalisée grâce à une pompe à eau non représentée. The water recovered by the condensers 5 and 7 is then distributed by a water distribution network to the reformer 12 as well as to a humidification device 31 for the fuel and the oxidant which is arranged in the cathodic supply line 23. and in the anodic feed pipe 21. The distribution of water is here carried out by means of a water pump, not shown.
Nous allons maintenant décrire le fonctionnement d'une telle installation 1, et notamment le fonctionnement du dispositif de récupération d'eau. We will now describe the operation of such a facility 1, and in particular the operation of the water recovery device.
Dans le circuit anodique, l'essence est conduite dans le reformeur 12 par la tubulure d'acheminement de l'essence 11. Le produit de l'opération de reformage est appelé reformât . In the anode circuit, the gasoline is conducted in the reformer 12 by the fuel delivery pipe 11. The product of the reforming operation is called reformate.
Le reformât est constitué principalement d'hydrogène (H2), de monoxyde de carbone (CO), de dioxyde de carbone (CO2), d'azote (N2) et d'eau (H2O). Le reformât est le combustible qui alimente l'entrée anodique 22 par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation anodique 21. The reformate consists mainly of hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), nitrogen (N2) and water (H2O). The reformate is the fuel that feeds the anode inlet 22 through the anode feed line 21.
Il est ici injecté à l'anode 17 sous une pression d'environ 1 bar après passage dans le dispositif d'humidification 31. It is here injected at the anode 17 under a pressure of approximately 1 bar after passing through the humidification device 31.
Dans le circuit cathodique, l'air atmosphérique est admis dans le compresseur 9 et est comprimé en direction de la io cathode 18 via la conduite d'alimentation cathodique 23. L'air comprimé est ensuite introduit à la cathode 18 par l'orifice d'alimentation cathodique 26 après passage dans le dispositif d'humidification 31. Un compresseur supplémentaire peut être ajouté en amont du compresseur 9 pour le compléter lorsque is l'énergie récupérée par la turbine n'est pas suffisante pour entraîner le compresseur 9. In the cathode circuit, the atmospheric air is admitted into the compressor 9 and compressed in the direction of the cathode 18 via the cathode supply line 23. The compressed air is then introduced to the cathode 18 through the orifice of the cathode. cathode supply 26 after passing through the humidification device 31. An additional compressor may be added upstream of the compressor 9 to complete it when the energy recovered by the turbine is not sufficient to drive the compressor 9.
La pile à combustible 2 est ainsi alimentée en combustible et en comburant. Des réactions d'oxydation à l'anode 17 et de réduction à la cathode 18 permettent alors la production d'énergie électrique. The fuel cell 2 is thus supplied with fuel and with oxidant. Oxidation reactions at the anode 17 and reduction at the cathode 18 then allow the production of electrical energy.
Lorsque le combustible est en contact avec l'anode 17, 70% à 95% de l'hydrogène (H2) est ici oxydé. Le reste du combustible est rejeté sous forme de gaz d'évacuation anodique vers le brûleur 25 par l'intermédiaire de la tubulure d'évacuation anodique 24. When the fuel is in contact with the anode 17, 70% to 95% of the hydrogen (H2) is oxidized here. The remaining fuel is discharged as anode exhaust gas to the burner 25 via the anode discharge pipe 24.
Lors du contact de l'air avec la cathode 18, une portion de l'oxygène (02) contenu dans l'air est réduite en eau. Les surplus d'air et d'eau sont ensuite évacués sous forme de gaz d'évacuation cathodique par la conduite d'évacuation cathodique 15 jusqu'au condenseur 5. L'eau est présente dans les gaz d'évacuation cathodique sous forme de liquide et sous forme de vapeur. Les gaz d'évacuation cathodique ont ici une température d'environ 70 C. When the air is contacted with the cathode 18, a portion of the oxygen (02) contained in the air is reduced to water. The surplus air and water are then discharged in the form of cathodic evacuation gas through the cathodic evacuation pipe 15 to the condenser 5. The water is present in the cathodic evacuation gases in the form of a liquid. and in the form of steam. The cathodic evacuation gases here have a temperature of about 70.degree.
Les gaz d'évacuation cathodique et anodique comportent alors de l'eau sous forme de liquide et de vapeur. The cathodic and anodic evacuation gases then comprise water in the form of liquid and vapor.
Après leur passage dans le condenseur 5, une partie de la vapeur d'eau contenu dans ce flux est transformée en eau et recueilli dans le réservoir d'eau 8 par le conduit d'écoulement d'eau 29. Les gaz d'évacuation cathodique et anodique sont ensuite dirigés vers la turbine 6 où ils se détendent. La température du flux gazeux diminue ce qui permet de liquéfier une partie de l'eau et de la récupérer dans le condenseur 7 situé io en aval de la turbine 6. After passing through the condenser 5, part of the water vapor contained in this stream is converted into water and collected in the water tank 8 by the water flow conduit 29. The cathodic evacuation gases and anodic are then directed to the turbine 6 where they relax. The temperature of the gaseous flow decreases, which makes it possible to liquefy part of the water and to recover it in the condenser 7 situated downstream of the turbine 6.
L'eau est ensuite dérivée jusqu'au réservoir d'eau 8 par le conduit d'écoulement d'eau 30. The water is then diverted to the water reservoir 8 via the water flow conduit 30.
Avantageusement, la turbine 6 est située à proximité du condenseur 5 de façon que les gaz d'évacuation cathodique qui arrivent à la turbine 6 subissent peu de pertes de charges. Les gaz d'évacuation cathodique sont ainsi susceptibles de fournir une partie non négligeable d'énergie pour entraîner le compresseur 9. Advantageously, the turbine 6 is located near the condenser 5 so that the cathodic evacuation gases that reach the turbine 6 undergo little loss of charge. The cathodic evacuation gases are thus likely to provide a significant part of energy to drive the compressor 9.
Dans le cas où la boucle de refroidissement ne permet pas d'évacuer la puissance thermique du condenseur 5 situé en amont de la turbine 6 ou d'atteindre la température cible du condenseur 5, le condenseur 7 situé en aval de la turbine 6 est utilisé pour la récupération de l'eau en complément du condenseur 5 tout en soulageant la boucle de refroidissement du système. In the case where the cooling loop does not allow to evacuate the thermal power of the condenser 5 located upstream of the turbine 6 or to reach the target temperature of the condenser 5, the condenser 7 located downstream of the turbine 6 is used for the recovery of water in addition to the condenser 5 while relieving the cooling loop of the system.
Une telle installation 1 permet d'utiliser la turbine 6 du système de compression d'air, dont la fonction principale est la récupération d'énergie dans les gaz d'échappement. L'utilisation de la détente des gaz d'échappement dans la turbine 6 permet de réduire fortement la température du flux gazeux et donc d'aider à la récupération d'eau liquide. Such an installation 1 makes it possible to use the turbine 6 of the air compression system, the main function of which is the recovery of energy in the exhaust gases. The use of the exhaust gas expansion in the turbine 6 can greatly reduce the temperature of the gas stream and thus help the recovery of liquid water.
Claims (7)
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| US10505208B2 (en) | 2014-02-24 | 2019-12-10 | Intelligent Energy Limited | Water recovery in a fuel cell system |
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