FR2901411A1 - Dispositif et procede de purification d'hydrogene par adsorption - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un module de puissance pour véhicule comprenant une pile à combustible comprenant au moins un compartiment anodique et au moins un compartiment cathodique, un réacteur de reformage, au moins une colonne de purification 20 comprenant un adsorbant réversible 29, recevant un mélange gazeux contenant de l'hydrogène provenant du réacteur et fournissant un gaz riche en hydrogène au compartiment anodique, la colonne 20 étant alimentée en mélange gazeux par une première entrée et en désorbant par une deuxième entrée distincte de la première entrée, et dans lequel l'isolation thermique des parois de la colonne 20 de purification est différente du côté de la première entrée et du côté de la deuxième entrée.
Description
composés contenus dans le reformat à l'exception de l'hydrogène. On
obtient ainsi un gaz contenant essentiellement de l'hydrogène. On peut aussi utiliser une purification PSA (Pressure Swing Adsorption : adsorption par variations de pression). La purification PSA permet également d'obtenir un gaz riche en hydrogène en faisant circuler le reformat dans une colonne d'adsorption. Les colonnes d'adsorption font l'objet de nombreux brevets On citera par exemple les demandes de brevet : FR 2846892, FR 2794666, SU 1565494 et DE 3844679.
La demande de brevet FR 2847587 concerne un procédé de désulfuration, déazotation, et/ou de désaromatisation d'une charge hydrocarbonée permettant d'atteindre des teneurs en soufre, en azote et/ou en aromatiques compatibles avec les spécifications requises. En particulier, la demande concerne un procédé de régénération d'une colonne en deux étapes : la première au cours de laquelle on lave une partie de la charge au moyen d'un désorbant ou d'un liquide de balayage et on récupère un effluent de première régénération ; la deuxième au cours de laquelle on fait circuler dans la colonne le désorbant et on récupère un effluent de deuxième régénération. Cependant, un tel procédé rend le dispositif complexe puisque ce dernier doit traiter à la fois le désorbant de la phase d'adsorption, et les deux désorbants de la phase de régénération. De plus, la durée de purification se trouve elle aussi augmentée. Enfin, le dispositif ne permet d'obtenir de manière continue un désorbant.
L'invention vise à remédier aux inconvénients évoqués ci-dessus. L'invention a pour objet un module de puissance qui comprend un système de pile à combustible et qui permette d'optimiser le fonctionnement du système de pile à combustible. Un module de puissance pour véhicule automobile selon un aspect de l'invention comprend une pile à combustible comprenant au moins un compartiment anodique et au moins un compartiment cathodique, un réacteur de reformage et au moins une colonne de purification comprenant un adsorbant réversible. La colonne de purification reçoit un mélange gazeux contenant de l'hydrogène provenant du réacteur, et fournit un gaz riche en hydrogène au compartiment anodique. La colonne est alimentée en mélange gazeux par une première entrée et en désorbant par une deuxième entrée distincte de la première entrée. L'isolation thermique des parois de la colonne de purification est différente du côté de la première entrée et du côté de la deuxième entrée. Le réacteur de reformage tel que considéré dans la présente demande, peut mettre en oeuvre différentes réactions de reformage. Il pourra ainsi s'agir d'un réacteur d'oxydation partielle, d'un réacteur de vapo-reformage, d'un réacteur autotherme ou bien encore d'un réacteur de déshydrogénation. L'isolation thermique de la colonne permet de gérer les échanges thermiques entre la colonne et le milieu extérieur. Il est ainsi possible de gérer des fluctuations de température du mélange gazeux ou du désorbant, ou bien encore de contrôler la température de l'adsorbant réversible. En effet, la température de l'adsorbant réversible permet de modifier l'efficacité de l'adsorption ou de la désorption. Ainsi, une température élevée favorise la désorption tandis qu'une température plus faible favorise l'adsorption. Grâce à une isolation thermique adaptée, il est alors possible d'optimiser le fonctionnement de la colonne, que ce soit durant une phase d'adsorption ou une phase de désorption. En particulier, pour les phases d'adsorption, l'isolation thermique au niveau de la première entrée est choisie de manière à limiter la surchauffe de l'adsorbant, afin de ne pas diminuer les capacités de purification de la colonne. Par contre, pour les phases de désorption, l'isolation thermique au niveau de la deuxième entrée est choisie de manière à ce que la température de l'adsorbant réversible augmente facilement et rapidement. Ainsi, grâce au dispositif revendiqué, il est possible d'augmenter les performances d'adsorption et de désorption d'une colonne sans pilotage complexe de la température des fluides alimentant la colonne. Selon un mode de réalisation préféré, la colonne de purification comprend également une première sortie pour le gaz riche en hydrogène, située au niveau de la deuxième entrée et une deuxième sortie pour le désorbant située au niveau de la première entrée. Dans ce mode de réalisation à contre-courant, les entrées et sorties du mélange gazeux et du désorbant sont placées de manière symétrique par rapport à la colonne et permettent ainsi d'optimiser l'isolation thermique. Préférentiellement, la deuxième sortie de la colonne alimente un brûleur capable d'échanger de l'énergie thermique avec le réacteur de reformage.
Ce mode de réalisation permet d'alimenter un brûleur avec les hydrocarbures issus de la colonne. Ainsi, il est possible de produire et fournir de l'énergie thermique au réacteur de reformage tout en réalisant une combustion des hydrocarbures filtrés par la colonne. On peut donc optimiser les performances du réacteur de reformage et également diminuer les émissions polluantes du véhicule. Préférentiellement, l'isolation thermique de la paroi de la colonne est plus importante du côté de la deuxième entrée que du côté de la première entrée. Une isolation thermique élevée au niveau de la deuxième entrée et l'utilisation d'un désorbant ayant une température élevée permet de garder l'énergie thermique du désorbant et de la transmettre à l'adsorbant réversible. Ainsi, il est possible d'augmenter rapidement la température de l'adsorbant pendant les phases de désorption et donc de favoriser la désorption. Par contre, au niveau de la première entrée, l'isolation thermique est choisie faible de façon à ce que l'énergie thermique du mélange gazeux puisse être évacuée vers l'extérieur et de façon à ce que la température de l'adsorbant réversible reste optimale pour l'adsorption. Préférentiellement, un revêtement isolant est placé sur la paroi 30 de la colonne, du côté de la deuxième entrée, et de préférence recouvre entre 25 et 75% de la surface de la paroi de la colonne. Préférentiellement, une résistance électrique est placée à proximité de la paroi située du côté de la deuxième entrée, et de préférence recouvre entre 10 et 75% de la surface de la paroi de la colonne. La résistance électrique permet d'apporter de l'énergie thermique supplémentaire, en particulier lorsque la température du désorbant n'est pas suffisante pour chauffer l'adsorbant réversible. Ainsi, il est possible d'augmenter la température de l'adsorbant et de favoriser ainsi la désorption en apportant de l'énergie thermique en sus, notamment au niveau de la colonne où l'isolation thermique est élevée. De plus, ce mode de réalisation peut permettre également d'accélérer les changements de phases de la colonne, notamment le passage d'une phase d'adsorption à une phase de désorption. On optimise ainsi le fonctionnement et la rapidité de la colonne. Préférentiellement, un adsorbant faiblement réversible est placé à l'intérieur de la colonne, au niveau de la première sortie.
L'adsorbant faiblement réversible est choisi de façon à présenter une capacité d'adsorption plus élevée que l'adsorbant réversible. Ainsi, le but de l'adsorbant faiblement réversible n'est pas d'adsorber et désorber des hydrocarbures en fonctionnement continu, mais est d'éviter ou de piéger efficacement une concentration résiduelle anormalement élevée d'hydrocarbures en sortie de colonne. En effet, une erreur de pilotage de la colonne ou bien un excès d'hydrocarbures en entrée de colonne peut entraîner une concentration anormalement élevée d'hydrocarbures en sortie de colonne et donc endommager la pile à combustible. L'adsorbant faiblement réversible est utilisé comme sécurité. Préférentiellement, un capteur capable de détecter le front d'adsorption est placé dans la colonne. Le capteur est utilisé pour déterminer les instants de changement de phases des colonnes. Ainsi, lorsque le front d'adsorption des hydrocarbures au sein de la colonne approche de la première sortie, c'est-à-dire de la sortie du gaz riche en hydrogène, le capteur peut envoyé par exemple un signal déclenchant la phase de désorption de la colonne, afin d'éviter que des hydrocarbures ne se retrouvent dans le gaz alimentant la pile à combustible.
Préférentiellement, la colonne comprend également une troisième entrée alimentant la colonne en fluide de purge afin d'évacuer le désorbant présent dans la colonne. La troisième entrée permet d'introduire dans la colonne un fluide de purge. La purge intervient par exemple entre la phase d'adsorption et la phase de désorption, afin d'extraire de la colonne le désorbant avant la phase d'adsorption suivante. Avantageusement, le fluide de purge pourra être du gaz riche en hydrogène produit par une autre colonne de purification. De cette façon, le mélange sortant de la colonne et alimentant la pile à combustible comprendra essentiellement de l'hydrogène, même après une phase de désorption. Préférentiellement, un refroidisseur-séparateur est monté en aval du réacteur et en amont de la colonne de purification. Le refroidisseur-séparateur permet de diminuer la température du mélange gazeux issu du réacteur de reformage. La diminution de température permet de liquéfier une partie plus ou moins importante des hydrocarbures. Les hydrocarbures liquéfiés peuvent donc être séparés facilement du reste du mélange gazeux avant l'introduction du mélange dans la colonne de purification. Ainsi, l'utilisation du refroidisseur-séparateur permet d'effectuer une première purification approximative du mélange gazeux issu du réacteur de reformage. La colonne est ensuite utilisée pour effectuer une deuxième purification plus efficace et plus complète. Préférentiellement, un évaporateur de climatisation de l'habitacle du véhicule est placé en aval du réacteur et en amont de la colonne de purification. Dans ce mode de réalisation, l'évaporateur de climatisation permet de sur-refroidir le mélange gazeux issu du réacteur de reformage. La liquéfaction et la séparation est donc plus efficace et permet d'extraire du mélange gazeux une quantité plus importante d'hydrocarbures. L'évaporateur de climatisation peut ainsi être couplé au refroidisseur-séparateur et améliorer ainsi l'efficacité du refroidisseur-séparateur.
L'invention se rapporte également à un procédé de mise en oeuvre d'un module de puissance comprenant une pile à combustible comprenant au moins un compartiment anodique et au moins un compartiment cathodique, un réacteur de reformage et au moins une colonne de purification comprenant un adsorbant réversible. La colonne reçoit un mélange gazeux contenant de l'hydrogène provenant du réacteur et fournit un gaz riche en hydrogène au compartiment anodique. La colonne est alimentée en mélange gazeux par une première entrée et en désorbant par une deuxième entrée distincte de la première entrée. L'isolation thermique des parois de la colonne de purification est différente du côté de la première entrée et du côté de la deuxième entrée. Selon le procédé, dans une phase d'adsorption, on utilise la colonne de purification pour adsorber les hydrocarbures contenus dans le mélange gazeux issu du réacteur puis, dans une phase de désorption, on utilise le désorbant et on augmente la température de la colonne pour désorber les hydrocarbures, et dans une phase de purge, on utilise un gaz riche en hydrogène pour éliminer de la colonne le désorbant et les hydrocarbures restant et on diminue la température de la colonne.
Le procédé permet d'exploiter la différence d'isolation thermique au niveau de la paroi de la colonne. Ainsi, dans la phase de désorption, la température de la colonne est augmentée afin de favoriser la désorption. L'augmentation de température est facilitée grâce à une isolation thermique adaptée au niveau de l'entrée du désorbant. Par contre, pendant la phase de purge, la température de la colonne est diminuée de façon à ce qu'elle soit optimale pour la phase d'adsorption suivante. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, on récupère une partie des hydrocarbures contenus dans le mélange gazeux avant la phase d'adsorption en refroidissant le mélange gazeux. Dans ce mode de réalisation préféré, on effectue une première purification du mélange gazeux en amont de la colonne, en liquéfiant une partie des hydrocarbures. De cette façon, la quantité d'hydrocarbures présents dans le mélange gazeux à l'entrée de la colonne est plus faible, et la colonne de purification peut rester en phase d'adsorption plus longtemps, ce qui optimise le fonctionnement du module. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, le module de puissance comprend au moins deux colonnes et le gaz riche en hydrogène utilisé dans la phase de purge d'une des colonnes est produit par l'autre colonne en phase d'adsorption. On utilise, dans ce mode de réalisation, le gaz riche en hydrogène produit par une première colonne de purification pour purger une deuxième colonne en fin de phase de désorption. De cette manière, on extrait de la deuxième colonne les hydrocarbures et le désorbant restant pour le remplacer par de l'hydrogène. Ainsi, dans la phase d'adsorption suivante, on obtiendra à la sortie de la deuxième colonne un gaz riche en hydrogène contenant peu de désorbant ou d'hydrocarbures. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un module de puissance équipé d'un dispositif de purification selon un aspect de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif de purification du module de puissance de la figure ~; - la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation d'une des colonnes de purification pouvant être utilisée dans le dispositif de purification de la figure 2. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un module de puissance 1 selon un aspect de l'invention. Le module 1 comprend une pile à combustible 2 alimentée en gaz riche en oxygène par un groupe compresseur 3 et en gaz riche en hydrogène par un dispositif de purification 4. Le dispositif 4 reçoit un mélange gazeux issu du réacteur de reformage 5.
Le réacteur de reformage 5 produit un mélange gazeux contenant de l'hydrogène mais également d'autres composés susceptibles de détériorer la pile à combustible 2 et nécessitant donc l'utilisation d'un ou plusieurs modules de purification. Nous considérerons pour la suite de la description que le réacteur de reformage 5 est par exemple un réacteur catalytique mettant en oeuvre une réaction de déshydrogénation. Ainsi, l'hydrogène est produit par une réaction de déshydrogénation d'un carburant hydrocarboné comprenant des cycloalcanes, par exemple le méthylcyclohexane. On obtient alors en sortie du réacteur 5 un mélange comprenant d'une part de l'hydrogène et d'autre part des hydrocarbures comprenant des aromatiques, par exemple le toluène, et des cycloalcanes n'ayant pas réagi. Le mélange gazeux ainsi produit est ensuite purifié avant d'alimenter la pile à combustible 2. Le mélange gazeux issu du réacteur 5 est d'abord acheminé par une conduite 6 vers un refroidisseur-séparateur 7. Le refroidisseur-séparateur 7 refroidit le mélange et permet la liquéfaction d'une partie des hydrocarbures contenus dans le mélange gazeux, selon la pression et la température du refroidisseur-séparateur 7. Lorsque des hydrocarbures sont sous forme liquide, il est alors aisé de les séparer du reste du mélange gazeux, par exemple avec un vase de séparation. Les hydrocarbures séparés sont évacués par une sortie 8, tandis que le mélange gazeux en partie purifié, est acheminé vers le dispositif de purification 4 par une conduite 9. De manière avantageuse, le refroidisseur-séparateur 7 peut également comprendre un évaporateur de climatisation 10. L'évaporateur de climatisation 10 permet de sur-refroidir le mélange gazeux issu du réacteur de reformage 5. On peut ainsi liquéfier une proportion plus importante d'hydrocarbures présents dans le mélange gazeux. De plus, la température du mélange envoyé au dispositif de purification 4 est plus faible, ce qui favorise l'adsorption dans la ou les colonnes de purification. Ainsi, l'évaporateur de climatisation 10 améliore le fonctionnement du module 1. Le mélange gazeux est purifié dans le dispositif de purification 4 puis est acheminé vers le compartiment anodique de la pile à combustible 2 par une conduite 11. La pile à combustible 2 est de préférence une pile de type PEM (Proton Exchange Membrane) comprenant un compartiment anodique siège de la réaction d'oxydation de l'hydrogène, et un compartiment cathodique siège de la réaction de réduction de l'oxygène. La pile à combustible 2 est donc le siège d'une réaction d'oxydo-réduction au cours de laquelle de l'énergie électrique et de l'eau sont produites. Le compartiment anodique est alimenté par la conduite 11 qui achemine le gaz riche en hydrogène produit par le dispositif de purification 4. La pile à combustible 2 fonctionne de manière optimale lorsqu'elle est alimentée par de l'hydrogène pur. La richesse en hydrogène du gaz alimentant le compartiment anodique peut donc modifier le fonctionnement de la pile 2. Le compartiment cathodique est alimenté par la conduite 12 qui achemine le gaz riche en oxygène issu du groupe compresseur 3. Les fluides produits par la pile à combustible 2 sont évacués par des conduites 13, 14. L'énergie électrique produite par la pile à combustible 2 permet d'alimenter plusieurs éléments, par exemple le groupe compresseur 3, un moteur de traction du véhicule (non représenté) ou bien encore une batterie (non représentée).
Le dispositif 4 permet de purifier le mélange gazeux en mettant en oeuvre un mécanisme d'adsorption, mais nécessite également une phase de désorption afin de régénérer l'adsorbant. Ainsi, le dispositif 4 est alimenté en air comprimé, de préférence présentant une température élevée, par le groupe compresseur 3 via une conduite 15. L'air comprimé permet de désorber les hydrocarbures présents dans les colonnes de purification. Afin d'améliorer les phases d'adsorption-désorption, il est préférable de choisir une pression de mélange gazeux dans la conduite 9 plus élevée que la pression de l'air comprimé dans la conduite 15. De plus, une température élevée de l'air favorise la désorption par augmentation de la température de l'adsorbant des colonnes. L'air chaud et les hydrocarbures désorbés sont ensuite évacués du dispositif 4 par une conduite 16 qui les achemine vers un brûleur 17. Un capteur de température 18 permet de mesurer la température des gaz sortant du dispositif 4 et permet donc de déterminer si les conditions opératoires durant la phase de désorption, notamment la température, favorisent ou non la désorption des hydrocarbures. Le brûleur 17 est de préférence un brûleur catalytique mais peut également être un brûleur à flamme et est en contact thermique avec le réacteur de reformage 5. Il est alimenté, par la conduite 16, avec un mélange d'air comprimé, d'hydrocarbures désorbés et de mélange gazeux présent dans la ou les colonnes au moment de la phase de désorption. L'ensemble des gaz est alors brûlé et fournit de l'énergie thermique au réacteur de reformage 5. Ainsi, lorsque le refroidisseur- séparateur 7 effectue une première purification efficace du mélange gazeux issu du réacteur de reformage 5, le rapport entre la quantité d'hydrogène et la quantité d'hydrocarbures envoyés vers le brûleur 17 est plus importante et favorise ainsi la combustion. Le brûleur 17 fournit donc une énergie thermique plus importante au réacteur 5, et améliore le fonctionnement du module 1. De plus, lorsque la quantité d'hydrocarbures est plus faible en entrée du brûleur 17, les gaz issus de la combustion présentent une proportion plus faible de dioxyde de carbone, ce qui diminue les émissions polluantes du véhicule. Les gaz issus du brûleur 17 sont ensuite envoyés à l'échappement par une conduite 19. Cependant, ils peuvent également traverser des échangeurs ou bien être valorisés dans le groupe compresseur 3 avant d'être évacués du véhicule. Sur la figure 2, on a représenté un mode de réalisation plus détaillé du dispositif de purification 4 de la figure 1. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 4 comprend par exemple trois colonnes de purification 20, 21, 22, placées avantageusement de manière verticale. La position verticale permet en effet une meilleure séparation des hydrocarbures durant la phase d'adsorption. Chaque colonne 20, 21, 22 est alimentée, par une première entrée, en mélange gazeux provenant du refroidisseur-séparateur et acheminé respectivement par une conduite 201, 211, 221. Les hydrocarbures présents dans le mélange gazeux sont adsorbés sur un adsorbant placé dans la colonne 20, 21, 22 et permettant une adsorption réversible des hydrocarbures. Chaque conduite 201, 211, 221 comprend une vanne 202, 212, 222 permettant l'alimentation en mélange gazeux de la colonne et définissant ainsi les phases d'adsorption. Les vannes 202, 212, 222 permettent également d'empêcher la sortie de l'air comprimé et des hydrocarbures vers le refroidisseur-séparateur durant les phases de désorption et les phases de purge. Chaque colonne 20, 21, 22 comprend également une première sortie par laquelle le gaz riche en hydrogène sort de la colonne pour alimenter la pile à combustible. Des conduites 203, 213, 223 acheminent le gaz riche en hydrogène en sortie des colonnes 20, 21, 22. Chaque conduite 203, 213, 223 comprend une vanne 204, 214, 224 permettant de laisser passer le gaz riche en hydrogène vers la pile à hydrogène durant les phases d'adsorption, et de bloquer la sortie de l'air comprimé durant les phases de désorption ou bien du gaz riche en hydrogène durant les phases de purge.
Chaque colonne 20, 21, 22 est alimentée, par une deuxième entrée, en air comprimé provenant du groupe de compression et acheminé respectivement par une conduite 205, 215, 225. L'air comprimé permet de régénérer la colonne 20, 21, 22 en faisant désorber les hydrocarbures de l'adsorbant réversible. Chaque conduite 205, 215, 225 comprend une vanne 206, 216, 226 permettant l'alimentation en air comprimé de la colonne et définissant ainsi les phases de désorption. Les vannes 206, 216, 226 permettent également d'empêcher la sortie du gaz riche en hydrogène vers le groupe de compression durant les phases d'adsorption ou de purge. Les vannes 206, 216, 226 peuvent également être commandées de manière à contrôler la proportion d'air dans les gaz produits durant la phase de désorption et alimentant le brûleur. En effet, lorsque deux colonnes, par exemple les colonnes 21 et 22, sont simultanément en phase de désorption, on peut contrôler la quantité d'air envoyée au brûleur en commandant de manière appropriée chacune des deux vannes 216, 226 d'alimentation en air désorbant. On peut alors optimiser la combustion dans le brûleur grâce à une proportion adéquate d'air et d'hydrocarbures. Chaque colonne 20, 21, 22 comprend aussi une deuxième sortie par laquelle l'air comprimé et les hydrocarbures désorbés sortent de la colonne pour alimenter le brûleur. Des conduites 207, 217, 227 acheminent l'air comprimé et les hydrocarbures désorbés en sortie des colonnes de purification 20, 21, 22 vers le brûleur. Chaque conduite 207, 217, 227 comprend une vanne 208, 218, 228 permettant de laisser sortir de la colonne l'air comprimé et les hydrocarbures durant les phases de désorption et de purge, et de bloquer la sortie du mélange gazeux durant les phases d'adsorption. Le dispositif de purification 4 comprend également des conduites reliant les colonnes 20, 21, 22 entre elles afin de réaliser les phases de purge. Ainsi, la conduite 23 relie la conduite 213 qui achemine du gaz riche en hydrogène purifié par la colonne 21, à la conduite 205 qui alimente en air comprimé la colonne 20. Ainsi, lorsqu'une phase de désorption de la colonne 20 se termine, la phase de purge commence en faisant passer du gaz riche en hydrogène produit par la colonne 21 jusque dans la colonne 20, par la conduite 205. Le gaz riche en hydrogène va alors chasser de la colonne 20 l'air comprimé et les hydrocarbures restant en fin de phase de désorption. L'ensemble des gaz est évacué par la conduite 208 qui les achemine vers le brûleur. Une fois la phase de purge terminée, la colonne 20 contient du gaz riche en hydrogène qui va alimenter la pile à combustible lors de la phase de désorption suivante. Une vanne 24 placée sur la conduite 23 permet d'autoriser le passage, par la conduite 205, du gaz riche en hydrogène et définit ainsi la phase de purge de la colonne 20. La vanne 24 permet également d'éviter la circulation d'air comprimé ou de gaz riche en hydrogène en direction de la conduite 214 durant les phase de désorption ou d'adsorption de la colonne 20. De manière similaire, une conduite 25 comprenant une vanne 26 relie la conduite 223 à la conduite 215. La conduite 25 permet ainsi d'acheminer du gaz riche en hydrogène purifié par la colonne 22 vers la colonne 21 afin d'effectuer la phase de purge de la colonne 21. De même, une conduite 27 comprenant une vanne 28 relie la conduite 203 à la conduite 225. La conduite 25 permet ainsi d'acheminer du gaz riche en hydrogène purifié par la colonne 20 vers la colonne 22 afin d'effectuer la phase de purge de la colonne 22. Les conduites 23, 25, 27 sont avantageusement équipées d'un système de sécurité, par exemple un clapet anti-retour. Le clapet anti-retour permet d'éviter le passage de fluide dans la direction opposée à celle du gaz de purge. On pourra aussi utiliser une restriction avec un trou calibré permettant le passage, à débit réduit, de fluide dans la direction opposée à celle du gaz de purge. Ainsi, les différentes phases des colonnes 20, 21, 22 doivent alterner de manière à ce qu'il y ait au moins une colonne en phase d'adsorption pouvant fournir un gaz riche en hydrogène à la pile à combustible et éventuellement à une autre colonne en phase de purge, et au moins une colonne en phase de désorption ou en phase de purge susceptible de remplacer la colonne en phase d'adsorption lorsque celle-ci devra être régénérée. Dans le cas du système de purification 4 de la figure 2, trois colonnes sont utilisées et alternent les différentes phases de manière à fournir en continu un gaz riche en hydrogène et assurer le fonctionnement du système 4. Le pilotage des colonnes pourra être effectué à partir de capteurs détectant le front d'adsorption des hydrocarbures au sein de chaque colonne 20, 21, 22. Ainsi, lorsque le front d'adsorption de la colonne 20 atteint un certain niveau, la purge de la colonne 22 peut être commencée de manière à ce que la colonne 22 puisse commencer la phase d'adsorption lorsque la colonne 20 devra commencer la phase de désorption. Puis, lorsque le front d'adsorption de la colonne 22 atteint un certain niveau, la purge de la colonne 21 peut être commencée et ainsi de suite. Les colonnes en phase d'adsorption permutent donc selon la séquence : colonne 20, colonne 22, colonne 21, colonne 20, ... On a ainsi plusieurs colonnes 20, 21, 22 utilisées en parallèle et réalisant les mêmes opérations de manière décalée. Le temps de basculement de chaque phase dépend du déplacement du front dans la colonne. Il est ainsi préférable de conserver une marge de sécurité en limitant le déplacement du front d'adsorption à 70-80% de la longueur totale de l'adsorbant réversibleplacé dans la colonne. On évite alors le phénomène de perçage qui correspond à une saturation de la colonne en hydrocarbures et qui conduit à une concentration trop élevée en hydrocarbures en sortie de colonne.
Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation plus détaillé d'une colonne de purification, par exemple la colonne 20, du dispositif de purification 4 de la figure 2. Les éléments communs aux figures 2 et 3 portent les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, la colonne 20 comprend un adsorbant réversible 29 placé dans la partie centrale de la colonne 20, entre une hauteur h=0 et une hauteur h=H, ainsi qu'une paroi métallique 30. La paroi métallique 30 permet de favoriser les échanges thermiques avec l'air extérieur au niveau des parties de la colonne 20 non-isolée thermiquement. Il s'agit plus particulièrement de la partie de la colonne 20 qui est à proximité de l'entrée du mélange gazeux. En effet, l'adsorption des hydrocarbures est plus efficace lorsque la température n'est pas trop élevée, et les échanges thermiques avec le milieu extérieur permettent d'évacuer l'énergie thermique de la colonne. On pourra ainsi laisser la paroi de la colonne 20 sans isolation thermique particulière, le long d'une portion comprise entre la hauteur h=0 et la hauteur h=i. Sur cette portion de colonne 20, l'évacuation de l'énergie thermique favorise l'adsorption des hydrocarbures présents dans le mélange gazeux alimentant la colonne 20.
Sur la partie de la colonne située entre la hauteur h=i et h=H, un isolant thermique 40 est placé sur la paroi 30 afin de limiter les échanges thermiques entre la colonne 20 et l'air extérieur. L'isolant 40 permet d'augmenter l'efficacité de la désorption en permettant une montée en température plus rapide de l'adsorbant réversible 29 sur la portion de colonne 20 située entre la hauteur h=i et h=H. En effet, les gaz chauds provenant du groupe de compression peuvent augmenter la température de l'adsorbant 29 plus rapidement et plus facilement. Si les pertes thermiques sont importantes, il est également possible de placer un isolant thermique au niveau de la première sortie, c'est-à-dire entre la hauteur h=H et l'extrémité supérieure de la colonne 20 à laquelle sont reliées les conduites 205 et 203. La détermination de la hauteur h=i correspond à un compromis entre la capacité d'adsorption et la capacité de désorption.
Afin d'améliorer l'efficacité de la phase de désorption, un élément chauffant 41, par exemple une résistance électrique, pourra être utilisé afin de fournir de l'énergie thermique supplémentaire à l'adsorbant réversible 29. L'élément chauffant pourra ainsi être une résistance électrique enroulée autour de la colonne 20, entre la paroi 30 et l'isolant thermique 40, entre l'extrémité supérieure de la colonne 20 et la hauteur h=c. La hauteur h=c est choisie en fonction de la température de la colonne 20 en désorption et de la température de l'air comprimé utilisé pour désorber. L'utilisation de résistances 41 différentes sur les colonnes permet un chauffage adapté de chaque colonne au lieu d'un chauffage commun de l'air comprimé permettant de désorber. On obtient ainsi une plus grande facilité de gestion de l'apport et de la distribution de l'énergie thermique, ce qui est particulièrement intéressant durant les phases de démarrage à froid du module.
La colonne 20 peut également comprendre, au niveau de l'entrée du mélange gazeux et de l'air comprimé, des matériaux poreux ou peu denses 31, 32. Ces matériaux 31, 32 permettent d'obtenir une distribution relativement uniforme des vitesses des gaz (mélange gazeux ou air comprimé) sur la section d'entrée de ces gaz dans la colonne 20.
On évite ainsi un profil présentant des vitesses élevées au centre de la colonne et des vitesses faibles à proximité des parois. Il est alors possible d'obtenir un comportement du front d'adsorption de type piston, c'est-à-dire un front d'adsorption relativement plan et se déplaçant perpendiculairement à l'axe de la colonne. Il est également possible d'utiliser, en plus des matériaux 31, 32, des particules neutres 33, 34 de granulométrie plus élevée que celle de l'adsorbant pour réduire les pertes de charge. Avantageusement, un adsorbant faiblement réversible, par exemples des charbons actifs, possédant une capacité d'adsorption élevée mais une capacité de désorption faible, peut être introduit au niveau de la sortie du gaz riche en hydrogène, à la place ou en plus du matériau 34 et/ou 32. L'adsorbant réversible a pour but de piéger les hydrocarbures susceptibles d'arriver au niveau de la première sortie de la colonne, et donc de se retrouver dans le gaz riche en hydrogène alimentant la pile à combustible. En particulier, l'adsorbant faiblement réversible constitue une sécurité en cas d'erreur de pilotage des colonnes ou lorsque la quantité d'hydrocarbures en entrée de colonne est importante.
La colonne 20 peut comprendre également un ou plusieurs capteurs 35, 36. Les capteurs 35, 36 sont utilisés pour détecter le front d'adsorption de la colonne 20. En particulier, les capteurs 35, 36 peuvent être avantageusement des catharomêtres du type de ceux utilisés en chromatographie gazeuse. Les capteurs 35, 36 peuvent ainsi être réalisés dans des petits cylindres placés dans l'axe de la colonne 20 et ayant une résistance au centre. La modification de la résistance permet de détecter l'arrivée du front d'adsorption dans la zone du capteur 35, 36. Les capteurs 35, 36 peuvent alors être utilisés pour commander les changements de phases des colonnes et contrôler le fonctionnement du système de purification. Le module de puissance tel que décrit précédemment peut être utilisé au sein d'un véhicule automobile pour diverses applications. Ainsi, selon la gamme de puissance délivrée par le module, on pourra envisager soit l'entraînement du véhicule, soit l'alimentation des équipements électriques du véhicule, soit enfin une prolongation d'autonomie du véhicule.
Claims (14)
1. Module de puissance (1) pour véhicule comprenant : - une pile à combustible (2) comprenant au moins un compartiment anodique et au moins un compartiment cathodique, - un réacteur de reformage (5) et - au moins une colonne de purification (20, 21, 22) comprenant un adsorbant réversible (29), recevant un mélange gazeux contenant de l'hydrogène provenant du réacteur (5) et fournissant un gaz riche en hydrogène au compartiment anodique, la colonne (20, 21, 22) étant alimentée en mélange gazeux par une première entrée et en désorbant par une deuxième entrée distincte de la première entrée, dans lequel l'isolation thermique des parois de la colonne de purification (20, 21, 22) est différente du côté de la première entrée et du côté de la deuxième entrée.
2. Module de puissance (1) pour véhicule selon la revendication 1 dans lequel la colonne de purification (20, 21, 22) comprend également une première sortie pour le gaz riche en hydrogène, située au niveau de la deuxième entrée et une deuxième sortie pour le désorbant située au niveau de la première entrée.
3. Module de puissance (1) pour véhicule selon la revendication 2 dans lequel la deuxième sortie de la colonne alimente un brûleur (17) capable d'échanger de l'énergie thermique avec le réacteur de reformage (5).
4. Module de puissance (1) pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel l'isolation thermique de la paroi de la colonne est plus importante du côté de la deuxième entrée que du côté de la première entrée.
5. Module de puissance (1) pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel un revêtement isolant (40) est placé sur la paroi de la colonne (30), du côté de la deuxième entrée, et de préférence recouvre entre 25 et 75% de la surface de la paroi (30) de la colonne (20).
6. Module de puissance (1) pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel une résistance électrique (41) est placée à proximité de la paroi (30) située du côté de la deuxième entrée, et de préférence recouvre entre 10 et 75% de la surface de la paroi (30) de la colonne (20).
7. Module de puissance (1) pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel un adsorbant faiblement réversible est placé à l'intérieur de la colonne (20), au niveau de la première sortie.
8. Module de puissance (1) pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel un capteur (35, 36) capable de détecter le front d'adsorption est placé dans la colonne (20).
9. Module de puissance (1) pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel la colonne comprend également une troisième entrée alimentant la colonne en fluide de purge afin d'évacuer le désorbant présent dans la colonne.
10. Module de puissance (1) pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel un refroidisseur-séparateur (7) est monté en aval du réacteur (5) et en amont de la colonne de purification (20, 21, 22).
11. Module de puissance (1) pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel un évaporateur de climatisation (10) de l'habitacle du véhicule est placé en aval du réacteur (5) et en amont de la colonne de purification (20, 21, 22).
12. Procédé de mise en oeuvre d'un module de puissance (1) comprenant : -une pile à combustible (2) comprenant au moins un compartiment anodique et au moins un compartiment cathodique, - un réacteur de reformage (5) et -au moins une colonne de purification (20, 21, 22) comprenant un adsorbant réversible (29), recevant un mélange gazeux contenant de l'hydrogène provenant du réacteur (5) et fournissant un gaz riche en hydrogène au compartiment anodique, la colonne étant alimentée en mélange gazeux par une première entrée et en désorbant par une deuxième entrée distincte de la première entrée, l'isolation thermiquedes parois de la colonne de purification étant différente du côté de la première entrée et du côté de la deuxième entrée dans lequel : - dans une phase d'adsorption, on utilise la colonne de purification (20, 21, 22) pour adsorber les hydrocarbures contenus dans le mélange gazeux issu du réacteur (5), - puis, dans une phase de désorption, on utilise le désorbant et on augmente la température de la colonne (20, 21, 22) pour désorber les hydrocarbures, - et dans une phase de purge, on utilise le gaz riche en hydrogène pour éliminer de la colonne (20, 21, 22) le désorbant et les hydrocarbures restant et on diminue la température de la colonne.
13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel on récupère une partie des hydrocarbures contenus dans le mélange gazeux avant la phase d'adsorption en refroidissant le mélange gazeux.
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13 dans lequel le module de puissance (1) comprend au moins deux colonnes et dans lequel le gaz riche en hydrogène utilisé dans la phase de purge d'une des colonnes est produit par l'autre colonne en phase d'adsorption.20
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