FR2886765A1 - Systeme de pile a combustible, et procede associe - Google Patents

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Abstract

Le système de pile à combustible, embarqué à bord d'un véhicule automobile, comprend un dispositif auxiliaire (9) de production d'eau comprenant :- des moyens de séparation pour séparer l'hydrogène d'un premier courant gazeux d'alimentation (29) desdits moyens de séparation et pour séparer l'oxygène d'un deuxième courant gazeux d'alimentation (13) desdits moyens de séparation ;- un brûleur (3) alimenté en hydrogène et oxygène séparés par lesdits moyens de séparation permettant la réaction de combustion de l'hydrogène et de l'oxygène ;- un condenseur (32) pour condenser la vapeur d'eau résultant de ladite réaction de combustion ; et- une pompe (35) pour faire circuler ladite eau condensée.

Description

Système de pile à combustible, et procédé associé
La présente invention concerne un système de pile à combustible, particulièrement un système de pile à combustible comprenant un dispositif d'alimentation en hydrogène de la pile à combustible générant de l'hydrogène, et un procédé associé.
Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile.
L'utilisation d'un dispositif pour générer l'hydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible, et non d'un réservoir d'hydrogène, permet au conducteur d'un véhicule automobile d'utiliser le réseau existant de distribution d'hydrocarbures pour véhicules. En effet, aucun réseau de distribution d'hydrogène pour véhicules à réservoirs d'hydrogène n'est actuellement assez développé pour subvenir aux besoins de conducteurs de véhicules automobiles à pile à combustible.
La génération d'hydrogène s'effectue par des réactions chimiques de reformage. Les systèmes de pile à combustible embarqués à bord de véhicules automobiles présentent des difficultés de gestion de l'eau et des échanges thermiques nécessaires au bon fonctionnement du système. En effet, il faut notamment compenser la perte en eau provenant de la vapeur d'eau comprise dans les gaz d'échappement du véhicule.
Le document US 2002/0004152 porte sur un procédé et un dispositif pour améliorer l'efficacité d'un système de puissance comprenant une pile a combustible et un reformeur. Selon un aspect de l'invention, il est effectué un mélange air/vapeur sous pression, pouvant également contenir de l'eau. Une injection de ce mélange, avec de l'oxygène restant, dans un brûleur, produit un échappement contenant de la vapeur ayant un potentiel d'expansion utilisé pour le fonctionnement d'un détendeur produisant de l'énergie mécanique.
Cependant, un tel système présente notamment l'inconvénient de nécessiter des radiateurs de très grande surface, ce qui est problématique pour un système embarqué. En effet, l'utilisation de condenseurs utilisant la boucle de circulation de fluide caloporteur du véhicule comme source froide demande une forte dissipation de puissance thermique à un niveau de température faible de 40 à 60 C, ce qui nécessite l'utilisation de radiateurs ou échangeurs thermiques de très grandes surfaces. En outre, un tel système ne permet pas de gérer efficacement la quantité d'eau nécessaire à son bon fonctionnement.
Aussi, l'invention a pour but de gérer l'eau nécessaire au bon fonctionnement d'un système de pile à combustible, en évitant d'utiliser des radiateurs surdimensionnés pour un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile.
Ainsi, selon un aspect de l'invention, il est proposé un système de pile à combustible, embarqué à bord d'un véhicule automobile, comprenant un dispositif auxiliaire de production d'eau. Le dispositif auxiliaire de production d'eau comprend: - des moyens de séparation pour séparer l'hydrogène d'un premier courant gazeux d'alimentation desdits moyens de séparation et pour séparer l'oxygène d'un deuxième courant gazeux d'alimentation desdits moyens de séparation; - un brûleur alimenté en hydrogène et oxygène séparés par lesdits moyens de séparation permettant la réaction de combustion de l'hydrogène et de l'oxygène; - un condenseur pour condenser la vapeur d'eau résultant de ladite réaction de combustion; et - une pompe pour faire circuler ladite eau condensée.
Il est alors possible d'améliorer la gestion de l'eau nécessaire au fonctionnement du système. On améliore également le rendement d'un tel système.
Dans un mode réalisation préféré, le système comprend un dispositif d'alimentation générant de l'hydrogène, muni d'une membrane de purification d'hydrogène et destiné à alimenter en hydrogène la pile à combustible, ledit premier courant gazeux comprenant des gaz résiduels provenant dudit dispositif d'alimentation en hydrogène, bloqués par ladite membrane de purification d'hydrogène.
Pour des raisons physiques, une partie de l'hydrogène créé par le reformeur ne peut franchir la membrane de purification d'hydrogène du dispositif d'alimentation générant de l'hydrogène, par exemple un reformeur. Cet hydrogène fait partie des gaz résiduels du reformeur, est alors exploité de manière à pouvoir créer de l'eau pour compenser les pertes en eau du système.
Dans un mode de réalisation avantageux, le système comprend au moins un condenseur en sortie de la pile à combustible.
Un tel condenseur permet de récupérer une quantité d'eau supplémentaire.
Dans un mode de réalisation préféré, les moyens de séparation comprennent: - une première membrane de séparation de l'hydrogène et une deuxième membrane de séparation de l'oxygène; une première alimentation en premier courant gazeux débouchant dans un premier volume prévu pour la séparation de l'hydrogène par la première membrane; - une deuxième alimentation en deuxième courant gazeux débouchant dans un deuxième volume prévu pour la séparation de l'oxygène par la deuxième membrane; et - une sortie d'un troisième volume prévu pour le mélange de l'hydrogène et de l'oxygène séparés par les première et deuxième membranes.
On va utiliser ces gaz pour créer de l'eau et compenser les pertes en eau du système.
Dans un mode de réalisation avantageux, ledit brûleur, fournissant l'énergie nécessaire à la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène situés dans le troisième volume, est disposé à l'intérieur dudit troisième volume.
Dans un mode de réalisation préféré, les moyens de séparation comprennent une unique enceinte dans laquelle les première et deuxième membranes sont situées en vis-à-vis, à distance, et forment lesdits trois volumes distincts de ladite enceinte. Le premier volume est délimité par une première portion de ladite enceinte et la première membrane, et accueille ledit premier courant gazeux. Le deuxième volume est délimité par une deuxième portion de ladite enceinte et la deuxième membrane, et accueille ledit deuxième courant gazeux. Le troisième volume est délimité par les première et deuxième membranes, et accueille l'hydrogène et l'oxygène séparés par lesdites première et deuxième membranes.
Une unique enceinte permet de simplifier le montage, et de limiter l'encombrement d'un tel système embarqué.
Avantageusement, les moyens de séparation comprennent une première enceinte comprenant la première membrane de séparation de l'hydrogène du premier courant gazeux, une deuxième enceinte comprenant la deuxième membrane de séparation de l'oxygène du second courant gazeux, et une troisième enceinte comprenant l'hydrogène et l'oxygène séparés par lesdites première et deuxième membranes.
Utiliser une enceinte par filtration permet d'optimiser chaque filtration, car chacune a un ordre de température de fonctionnement optimal, et généralement pour ces deux filtration, l'écart entre ces deux ordres de température de fonctionnement est conséquent. Décorreler les deux filtration, d'hydrogène et d'oxygène permet de les optimiser.
En outre, le système comprenant un groupe de compression d'air pour alimenter en oxygène la pile à combustible, ledit deuxième courant gazeux comprend de l'air provenant dudit groupe de compression d'air.
Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un procédé de production auxiliaire d'eau pour un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, par combustion d'hydrogène et d'oxygène. Ledit hydrogène est séparé d'un premier courant gazeux comprenant des gaz résiduels d'un dispositif d'alimentation en hydrogène de la pile à combustible, et ledit oxygène est séparé d'un deuxième courant gazeux.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, de quelques exemples nullement limitatifs, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un premier mode de réalisation d'un système selon un aspect de l'invention; - la figure 2 est un schéma synoptique d'un deuxième mode de réalisation d'un système selon un aspect de l'invention; - la figure 3 est un schéma synoptique d'un troisième mode de réalisation d'un système selon un aspect de l'invention; et - la figure 4 est un schéma synoptique d'un quatrième mode de réalisation d'un système selon un aspect de l'invention.
La figure 1 représente un dispositif selon l'invention, embarqué dans un véhicule automobile. Le dispositif comprend une pile à combustible 1 comprenant une partie anode A et une partie cathode C, un reformeur 2 pour alimenter en hydrogène la pile à combustible 1, ledit reformeur 2 étant associé à un ensemble 3 de brûleurs permettant de chauffer l'ensemble du dispositif, lors de la phase de démarrage, ainsi que de réguler la température lors du fonctionnement nominal. Un brûleur 3B apporte également l'énergie nécessaire à la réaction de reformage et permet d'oxyder le monoxyde de carbone CO quand il utilise un retour des gaz de sortie de l'anode de la pile à combustible 1. Un brûleur 3A permet également de fournir l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau et du carburant nécessaires au reformeur 2.
Le dispositif comprend également un groupe de compression d'air 4 comprenant un compresseur 5, une turbine 6, et un moteur 7, reliés par un arbre 8. Le compresseur 5 alimente en oxygène, généralement sous forme d'air comprimé, la pile à combustible 1, le brûleur 3, et une enceinte de séparation 9, par des conduits 10 et 11.
Le conduit 11 se sépare en deux conduits 12 et 13 pour alimenter respectivement le brûleur 3B et l'enceinte de séparation 9.
L'air alimentant en oxygène la pile à combustible 1, fournie par le compresseur 5, traverse un échangeur thermique 14, pour être refroidi, puis une unité d'humidification 15 des gaz, pour être humidifié.
Les gaz de sortie de la pile 1 sont dirigés vers la turbine 6 par un conduit 16, pour être rejetés dans l'atmosphère après détente. Les gaz de sortie de la pile 1 traversent l'unité d'humidification 15 pour être asséchés. L'eau récupérée traverse une membrane 17 de l'unité d'humidification 14 pour permettre d'humidifier l'air alimentant la pile 1.
En effet, pour augmenter la durée de vie de la membrane de la pile à combustible, une telle humidification des gaz en amont de la pile 1 est nécessaire. L'unité d'humidification 15 comprend deux chambres séparées par la membrane 17. La membrane 17 permet une perméation ou pervaporation de la chambre dans laquelle la pression partielle en vapeur d'eau est la plus importante vers la chambre dans laquelle la pression partielle en vapeur d'eau est la plus faible. Ainsi les gaz alimentant la cathode C de la pile 1 vont pouvoir être humidifiés à partir de la vapeur d'eau présente dans les gaz de sortie de la cathode C de la pile 1.
Une injection d'essence 18 et une injection d'eau 19 arrivent à un évaporateur 20, servant également de mélangeur, fournissant une alimentation 21 du reformeur 2. Le reformeur 2 comprend une membrane de purification d'hydrogène 22 permettant de purifier le reformat d'alimentation de la pile à combustible 1. L'hydrogène alimentant la pile 1 est refroidi par un échangeur de chaleur 24. Les échanges de chaleur se font avec le fluide caloporteur de la boucle de circulation du véhicule, ainsi qu'avec des radiateurs.
La présence de vapeur d'eau dans l'alimentation 21 du reformeur 2 provient essentiellement du fait qu'une quantité importante d'eau est nécessaire pour assurer un fort rendement de conversion d'essence en hydrogène. La chaleur nécessaire à la vaporisation provient d'un échange thermique avec un fluide chaud, source chaude de l'échange thermique. Durant cet échange thermique, de la vapeur d'eau va se condenser dans un condenseur haute pression 25.
L'alimentation en eau 19 du vaporisateur 20 provient du condenseur 25 reliée à une pompe 26.
L'enceinte de séparation 9 comprend une première membrane 27 de séparation de l'hydrogène et une deuxième membrane 28 de séparation de l'oxygène. Les gaz résiduels du reformeur 2, comprenant de l'hydrogène n'ayant pu traverser la membrane de purification en hydrogène 22, alimentent un premier volume V, par un conduit 29. L'hydrogène contenu dans ces gaz résiduels du reformeur 2 est séparé par la première membrane 27 de séparation de l'hydrogène.
L'hydrogène séparée passe dans un troisième volume V3 compris entre les deux membranes de séparation 27 et 28. L'oxygène de l'air fourni par le conduit 13 et débouchant dans un deuxième volume V, est séparé par la deuxième membrane 28 de séparation de l'oxygène. Le volume V3 comprend alors un mélange d'hydrogène et d'oxygène.
Les gaz résiduels du reformeur 2 alors fortement appauvris en hydrogène, sont dirigés, par un conduit 30 vers le condenseur haute pression 25. L'évacuation de la chaleur nécessaire à la condensation réalisée dans le condenseur 25 est réalisée avec la partie vaporisateur 20. Les gaz sortant du condenseur haute pression 25 passent par un déverseur 30a comprenant un conduit 30b et une vanne 30c. Le déverseur 30a permet d'abaisser la pression des gaz sortant du condenseur haute pression 25 de la pression de reformage à la pressin de la pile 1. Les gaz de sortie du condenseur haute pression 25 sont injectés dans le brûleur 3B utilisé pour la génération d'hydrogène par le reformeur 2.La réaction de combustion fournit l'énergie nécessaire à la production d'hydrogène, et les résidus de combustion sont dirigés vers une turbine 36 par un conduit 37.
Le mélange d'hydrogène et d'oxygène obtenu dans le troisième volume V3 de l'enceinte de séparation 9, alimente le brûleur 3A, par un conduit 31.
Bien entendu, en variante, un brûleur spécifique à la réaction de combustion de ce mélange d'hydrogène et d'oxygène peut être utilisé, voire même directement disposé dans le troisième volume V3.
La réaction de combustion du mélange d'hydrogène et d'oxygène dans le brûleur 3, crée de la vapeur d'eau. Le brûleur est relié à un condenseur 32 par un conduit 33. Le condenseur 32, comprenant un volume de rétention, est relié par un conduit 34 au condenseur 25. Le conduit 34 comprend une pompe 35.
Sur l'arbre 8 du groupe de compression d'air 4, est en outre montée la turbine auxiliaire 36 destinée à la détente de gaz de sortie du brûleur 3B transportés par le conduit 37.
La pression partielle de l'enceinte de séparation 9 varie généralement entre 0,3 et 3 bars. Cette pression conditionne les débits d'hydrogène et d'oxygène diffusant au travers des membranes de séparation respectives 27 et 28. Une dépression peut être effectuée par un contrôle de niveau de l'eau du volume de rétention du condenseur 32 via l'aspiration de la pompe 35. Cette mise en dépression permet d'augmenter la diffusion d'hydrogène et d'oxygène au travers des membranes de séparation respectives 27 et 28.
Les surfaces respectives des membranes de séparation 27 et 28 sont dimensionnées de manière à optimiser le débit de gaz comprenant de l'hydrogène et de l'oxygène en sortie de l'enceinte de séparation 9.
L'utilisation d'une unique enceinte de séparation 9 permet de faciliter le montage et de minimiser l'encombrement du système qui est embarqué à bord d'un véhicule automobile.
Le rendement de récupération de l'eau est alors de l'ordre de 100%, ce qui est bien plus élevé que dans les dispositifs classiques, dans lesquels les gaz sortant du condenseur transportent encore, en fin de condensation, de la vapeur d'eau dont la pression partielle est égale à sa pression partielle de vapeur saturante.
Sur la figure 2, en variante, l'enceinte de séparation 9 est remplacée par trois enceintes 9a, 9b, et 9c. L'enceinte 9a comprend la première membrane 27 de séparation de l'hydrogène. L'enceinte 9b comprend la deuxième membrane 28 de séparation de l'oxygène. Un conduit 9d transporte l'hydrogène séparé par la première membrane 27 vers l'enceinte 9c, et un conduit 9e transporte l'oxygène séparé par la deuxième membrane 28 vers l'enceinte 9c. L'enceinte 9c permet une bonne homogénéisation du mélange d'hydrogène et d'oxygène.
Bien entendu, en variante, il est possible de supprimer l'enceinte 9c, et de réunir directement les conduits 9d et 9e.
Utiliser deux enceintes 9a et 9b pour les deux séparations d'hydrogène et d'oxygène permet d'optimiser chaque séparation, car les deux membranes de séparations fonctionnent de manière optimale à des températures très différentes.
Les figures 3 et 4 représentent respectivement une amélioration des modes de réalisation représentés sur les figures 1 et 2.
Les gaz de sortie de la pile 1 traversent, en outre, un condenseur 38, monté entre l'unité d'humidification 15 et la turbine 6, afin de récupérer l'eau qu'ils contiennent.
L'eau récupérée par le condenseur 38 est dirigée vers le 5 condenseur 25 par un conduit 39, au moyen d'une pompe 40. La quantité d'eau récupérée est alors augmentée.
L'invention permet d'optimiser la gestion de l'eau dans un système de pile à combustible.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Système de pile à combustible, embarqué à bord d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif auxiliaire (9) de production d'eau comprenant: - des moyens de séparation pour séparer l'hydrogène d'un premier courant gazeux d'alimentation (29) desdits moyens de séparation et pour séparer l'oxygène d'un deuxième courant gazeux d'alimentation (13) desdits moyens de séparation; - un brûleur (3) alimenté en hydrogène et oxygène séparés par lesdits moyens de séparation permettant la réaction de combustion de l'hydrogène et de l'oxygène; - un condenseur (32) pour condenser la vapeur d'eau résultant de ladite réaction de combustion; et - une pompe (35) pour faire circuler ladite eau condensée.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le système comprenant un dispositif (2) d'alimentation générant de l'hydrogène muni d'une membrane (22) de purification d'hydrogène et destiné à alimenter en hydrogène la pile à combustible (1), ledit premier courant gazeux comprend des gaz résiduels provenant dudit dispositif (2) d'alimentation en hydrogène, bloqués par ladite membrane (22) de purification d'hydrogène.
3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un condenseur (38) en sortie de la pile à combustible.
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de séparation comprennent: une première membrane (27) de séparation de l'hydrogène et une deuxième membrane (28) de séparation de l'oxygène; une première alimentation (29) en premier courant gazeux débouchant dans un premier volume (V,) prévu pour la séparation de l'hydrogène par ladite première membrane (27) ; une deuxième alimentation (13) en deuxième courant gazeux débouchant dans un deuxième volume (V2) prévu pour la séparation de l'oxygène par ladite deuxième membrane (28) ; et une sortie (31) d'un troisième volume (V3) prévu pour le mélange de l'hydrogène et de l'oxygène séparés par les première et deuxième membranes (27,28).
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit brûleur (3), fournissant l'énergie nécessaire à la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène situés dans le troisième volume (V3), est disposé à l'intérieur dudit troisième volume (V3).
6. Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de séparation comprennent une unique enceinte (9) dans laquelle les première et deuxième membranes (27,28) sont situées en vis-à-vis, à distance, et forment lesdits trois volumes distincts (V1,V2,V3) de ladite enceinte, le premier volume (V,) étant délimité par une première portion de ladite enceinte (9) et la première membrane (27) accueille ledit premier courant gazeux, le deuxième volume (V2) étant délimité par une deuxième portion de ladite enceinte (9) et la deuxième membrane (28) accueille ledit deuxième courant gazeux, et le troisième volume (V3) étant délimité par les première et deuxième membranes (27,28) accueille l'hydrogène et l'oxygène séparés par lesdites première et deuxième membranes (27,28).
7. Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de séparation comprennent une première enceinte (9a) comprenant la première membrane (27) de séparation de l'hydrogène du premier courant gazeux, une deuxième enceinte (9b) comprenant la deuxième membrane (28) de séparation de l'oxygène du second courant gazeux, et une troisième enceinte (9c) comprenant l'hydrogène et l'oxygène séparés par lesdites première et deuxième membranes (27,28).
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, le système comprenant un groupe de compression d'air (4) pour alimenter en oxygène la pile à combustible (1), ledit deuxième courant gazeux comprend de l'air provenant dudit groupe de compression d'air (4).
9. Procédé de production auxiliaire d'eau pour un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, par combustion d'hydrogène et d'oxygène, ledit hydrogène étant séparé d'un premier courant gazeux comprenant des gaz résiduels d'un dispositif d'alimentation en hydrogène de la pile à combustible (1), et ledit oxygène étant séparé d'un deuxième courant gazeux.
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