Agencement de piles à combustible
La présente invention est relative aux piles à combustible et en particulier à un agencement de plusieurs piles à combustible se suppléant pendant des phases de démarrage et des phases de transition du fonctionnement du système. L'unité auxiliaire de puissance, souvent appelée « APU »
(« Auxiliary Power Unît »), est une application de la pile à combustible destinée à générer de la puissance électrique pour les équipements électriques d'un véhicule conventionnel. L'unité auxiliaire de puissance peut soit remplacer l'alternateur, soit être exclusivement destinée à de nouveaux équipements électriques, tels qu'une climatisation électrique en remplacement de la climatisation mécanique par exemple. Dans un véhicule classique utilisant un moteur à combustion interne pour générer la puissance mécanique nécessaire à l'avancement du véhicule, il est intéressant d'ajouter un système pile à combustible de type unité auxiliaire de puissance qui génère une puissance électrique importante, de l'ordre de quelques kW, utile pour répondre aux besoins de puissance électrique toujours croissants dans les véhicules. La pile à combustible essence ou diesel permet l'utilisation d'un carburant « classique » de type liquide qui est celui utilisé par le moteur à combustion interne du véhicule. En phase de fonctionnement normal, le système reformeur reforme le carburant et produit un débit de reformât riche en hydrogène. L'unité auxiliaire de puissance peut également fonctionner avec un stockage d'hydrogène embarqué. L'hydrogène alimente la pile à combustible qui délivre un courant électrique permettant d'assurer la génération électrique.
Deux technologies de piles à combustible sont actuellement envisagées pour ce type d'application. En effet, les piles à membrane échangeuse de protons, souvent appelée « PE FC » (« Proton Exchange Membrane Fuel Cell »), et celles à oxyde solide, souvent appelées « SOFC » (« Solid Oxide Fuel Cell ») sont chacune associée à une unité auxiliaire de puissance spécifique qui possède des avantages et des inconvénients en fonction de la technologie de pile envisagée. La pile à membrane échangeuse de protons fonctionne à une température relativement faible comprise dans une plage de températures s'étendant sensiblement de 60°C à 1 10°C. ce qui lui confère un démarrage rapide et lui évite des problèmes de cyclage thermique à la température de fonctionnement de la pile, liés à la tenue des matériaux qui la composent. En revanche, sa tolérance au monoxyde de carbone est très faible, de Tordre de 100 ppm à 90°C, ce qui implique l'intégration de plusieurs étages de purification des gaz alimentant la pile. Ces réacteurs de purification et d'oxydation préférentielle du monoxyde de carbone sont imposants, ce qui rend difficile leur implantation dans l'architecture du véhicule. De plus, le refroidissement et le fonctionnement de la pile à membrane échangeuse de protons à des température sensiblement inférieures à 0°C engendrent de nombreux problèmes liés à l'optimisation de ce type de technologie. Pour les unités auxiliaires de puissance utilisant des piles à oxyde solide, le monoxyde de carbone peut être utilisé comme combustible et le méthane peut également être valorisé par reformage interne. Dans ce type de technologie de pile, aucun étage de purification n'est requis après l'étape de reformage du carburant. En revanche, la température de fonctionnement de ce type de pile est comprise dans une plage de températures s'étendant sensiblement de 700°C à 1000°C, ce qui entraîne des temps de démarrage importants et/ou des procédures de maintien en température du système qui sont très
consommatrices d'énergie. La fragilité des céramiques qui composent ce genre de pile à combustible induit également une mauvaise tenue au cyclage thermique. Afin de ne pas détériorer le rendement du système pile à combustible et de fournir une puissance électrique constante et permanente, une telle pile à combustible doit être refroidie efficacement par des composants spécifiques peu encombrants. Or à l'heure actuelle, le circuit de refroidissement d'un système pile à combustible à membrane échangeuse de protons ne peut être embarqué dans un véhicule classique car la puissance thermique à évacuer est très importante et nécessite des radiateurs volumineux. Le problème du refroidissement de ce type de piles réside dans la faible différence de température qui existe entre les gaz à refroidir qui sont à une température de Tordre de 80°C et le fluide de refroidissement qui circule dans le système à une température de Tordre de 60°C. En revanche, le refroidissement des piles à combustible fonctionnant à haute température, comme les piles à combustible à oxyde solide, présente moins de difficultés puisque la même différence de températures est de Tordre de 80O°C. De plus, une telle pile est usuellement refroidie par un excès d'air circulant à travers la cathode et non par un circuit de refroidissement externe utilisant un fluide de refroidissement spécifique. Afin de pallier une partie de ces inconvénients apparaissant au cours de l'utilisation d'une technologie de pile spécifique, la demande de brevet française FR-011 1484 envisageait de coupler une petite pile à oxyde solide dans un agencement d'un module de puissance utilisant une technologie de pile à membrane échangeuse de protons destinée à des applications de traction de véhicule. Bien que cette architecture offre un meilleur rendement et une meilleure compacité, l'introduction d'une telle pile à oxyde solide n'est destinée qu'à des applications de purification des gaz du système et n'assurait pas la génération électrique.
L'objet de la présente invention est de fournir un agencement de piles à combustible amélioré. La présente invention fournit un agencement de piles à combustible comprenant une première pile à combustible alimentée en air, un reformeur destiné à convertir un carburant en un mélange gazeux comprenant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, un dispositif de purification destiné à diminuer la teneur en monoxyde de carbone du mélange gazeux et relié à une entrée d'anode de la première pile à combustible, une seconde pile à combustible alimentée en air et recevant du monoxyde de carbone produit par le reformeur, de façon à convertir une partie de l'énergie chimique du monoxyde de carbone en énergie électrique, caractérisé en ce que la première pile à combustible fonctionne à basse température, la seconde pile à combustible fonctionne à haute température et en ce que les deux piles ont une densité de puissance sensiblement équivalente leur permettant de se suppléer pendant des phases de démarrage et des phases de transition du fonctionnement du système. La présente invention offre ainsi un meilleur rendement et une meilleure compacité au système. En effet, puisque les densités de puissance de chaque technologie sont comparables le volume de pile à combustible est conservé et la compacité du système de refroidissement et du reformeur est améliorée. De préférence, l'agencement de piles à combustible selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes : - la première pile à combustible est une pile à combustible à membrane échangeuse de protons fonctionnant dans une plage de températures s'étendant sensiblement de 60°C à 1 10°C ; - la seconde pile à combustible est une pile à combustible à oxyde solide fonctionnant dans une plage de températures s'étendant sensiblement de 700°C à 1000°C ; - la pile à combustible secondaire comporte une électrode assurant une oxydation du monoxyde de carbone plus rapide que
celle de l'hydrogène ; et - le dispositif de purification est relié à la première pile à combustible et à la seconde pile à combustible. La présente invention s'applique en outre à un véhicule comprenant un tel agencement de piles à combustible. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente schématiquement un agencement de piles à combustible selon un mode de réalisation de l'invention. Bien que pouvant s'appliquer de façon générale à tous types de dispositifs à piles à combustible, l'invention sera plus particulièrement illustrée à titre d'exemple dans le cadre d'un véhicule automobile fonctionnant avec un système de traction à pile à combustible ou utilisant une unité auxiliaire de puissance. Tel qu'il est représenté sur la figure 1 , l'agencement de piles à combustible est équipé d'une première pile à combustible
9, composée d'une anode 7 et d'une cathode 8, ainsi que d'un dispositif d'alimentation d'air 1 1. Cet agencement est en outre composé d'un reformeur 1 , dans lequel entre un carburant 14. Le reformeur 1 assure la transformation du carburant 14 en un mélange gazeux 18 contenant H2, CO2, CO, N2 et H20. Ce mélange gazeux 18 est amené à anode 2 d'une seconde pile à combustible 4, composée de cette anode 2 et d'une cathode 3. La seconde pile à combustible 4 consomme une partie du monoxyde de carbone issu du reformeur 1 et convertit une partie de l'énergie chimique du monoxyde de carbone en énergie électrique. Cette seconde pile à combustible 4 est de préférence une pile à combustible à oxyde solide, bien que d'autres types de piles soient envisageables. Une pile à combustible permet d'oxyder le carburant au cours d'une réaction électrochimique exothermique. A Tanode 2 de la seconde pile à combustible 4, alimentée par le mélange gazeux 18 issu du reformeur 1 , les gaz H2 et CO sont oxydés en
H20 et C02. L'anode 2 de la seconde pile à combustible 4 peut contenir un catalyseur comme le nickel. A la cathode 3, alimentée en air provenant du dispositif d'alimentation en air 11 par une canalisation 16, l'oxygène de air est réduit. La seconde pile à combustible 4 comporte de préférence une électrode assurant une oxydation du monoxyde de carbone plus rapide que celle de l'hydrogène. L'électricité produite par cette seconde pile à combustible 4 est destinée à alimenter un moteur électrique de traction d'un véhicule. Le mélange gazeux 18 lors de son passage dans la seconde pile à combustible 4 est transformé en un mélange gazeux 19 appauvri en monoxyde de carbone. Ainsi, en utilisant comme seconde pile à combustible 4 une pile à combustible à oxyde solide, le taux de monoxyde de carbone est abaissé à 1 %. Le mélange gazeux 19 pénètre ensuite dans un radiateur 12 destiné à refroidir ce flux avant d'entrer dans un dispositif de purification 5 destiné à diminuer encore la teneur en monoxyde de carbone du mélange gazeux 19. Le mélange gazeux 19 est ainsi transformé en un mélange gazeux 23 dont la teneur en monoxyde de carbone n'excède pas 100ppm. Le mélange gazeux 23 est acheminé vers Tanode 7 de là première pile 9. La cathode 8 est alimentée en air par le dispositif d'alimentation en air 11 , relié à cette cathode 8 par une canalisation 26. La première pile à combustible 9 assure une conversion de l'énergie chimique du mélange gazeux 23 en énergie électrique sensiblement équivalente à la seconde pile à combustible 4. La première pile à combustible 9 est de préférence une pile à combustible à membrane échangeuse de protons. Cette pile, où Télectroiyte est de forme polymère, a une température de fonctionnement d'environ 100°C, ce qui rend compatible son utilisation comme moyen embarqué de production d'électricité. La présente invention est en outre constituée d'un système de refroidissement 6 destiné à faire circuler un fluide de
refroidissement au travers de radiateurs 12 et 13. Ces radiateurs 12 et 13 échangent de l'énergie thermique avec le flux gazeux 19 respectivement en amont et en aval du système de purification 5. Le système de refroidissement 6 est en outre destiné à échanger de l'énergie thermique avec Tanode 7 de la première pile à combustible 9 à membrane échangeuse de protons. La présente invention comporte aussi un brûleur 10 recevant les gaz d'échappement issus des deux piles à combustible 4 et 9. Pour une application de pile à combustible de type unité auxiliaire de puissance prévoyant une puissance électrique de Tordre de 5kW, le couplage de ces deux technologies permet de diviser la puissance totale en dimensionnant les deux piles 4 et 9 de puissance réduite et sensiblement équivalente de Tordre de 2 à 3kW. En diminuant la puissance électrique d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons, on soulage d'autant le circuit de refroidissement de la pile. Lors du couplage entre ces deux types de piles 9 et 4 ayant des puissances sensiblement équivalentes, la surface du radiateur à air de suralimentation est ainsi diminuée de moitié. L'excès d'air nécessaire au refroidissement de la seconde pile à combustible 4 nécessite seulement la présence d'un ventilateur compris dans le système d'alimentation en air 1 1. De plus, afin de garantir la quantité d'eau nécessaire au fonctionnement du reformeur sans apport extérieur, des condenseurs sont souvent placés en sortie de pile pour récupérer Teau liquide produite à la cathode d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (respectivement à Tanode d'une pile à combustible à oxyde solide). L'équilibre du bilan en eau impose alors une pression de fonctionnement du système global élevée, de Tordre de 2 à 5 bar. Un groupe moto compresseur permet d'atteindre une telle pression mais il consomme de l'énergie électrique produite par la pile, ce qui diminue le rendement du système d'autant. Dans la présente
invention, le reformeur 1 alimente la seconde pile à combustible à oxyde solide 4 en produisant un maximum de monoxyde de carbone qui en est un combustible. En d'autres termes, un reformeur qui alimente une pile à combustible à oxyde solide met en jeu une réaction qui tend vers l'oxydation partielle, telle que : CπHm + nO2 = nC02 + m/2 H2 et CπHm + n/2 O2 ≈ nCO + m/2 H2 alors qu'un reformeur qui alimente une pile à combustible à membrane échangeuse de protons met en jeu une réaction qui tend vers le vaporeformage. Or cette dernière est coûteuse en eau puisque la réaction chimique est du type : CnHm + nH20 = nCO + (n+m/2) H2. Par conséquent la présente invention permet de réduire nettement la consommation en eau du reformeur et de diminuer la pression de fonctionnement du système qui peut sensiblement atteindre la pression atmosphérique. Le fonctionnement à pression atmosphérique est avantageux pour le système global puisque le groupe moto compresseur et le condenseur anodique ne sont plus nécessaires. Cette diminution du nombre d'éléments permet ainsi d'obtenir un système compact avec moins de bruit et une consommation électrique réduite. En effet, l'humidification des gaz en entrée anodique de la première pile à combustible 9 à membrane échangeuse de protons est automatique puisque les gaz en sortie anodique de la seconde pile à combustible à oxyde solide 4 sont chargés en vapeur d'eau. D'autre part, la température de fonctionnement d'une pile à combustible à oxyde solide est élevée, ce qui implique un temps de démarrage et une consommation au démarrage très importants pour une application automobile avec une seule pile. En revanche, une pile à combustible à membrane échangeuse de protons démarre rapidement, en moins d'une minute, mais le démarrage du reformeur est limitant. On sépare généralement les temps de démarrage du reformeur en deux phases : la première correspond au temps nécessaire pdur atteindre la température
d'allumage du catalyseur et la deuxième phase correspond au temps nécessaire pour fournir un reformât à la pureté requise pour cette pile à combustible à membrane échangeuse de protons. La présente invention permet d'obtenir un maintien en température de la seconde pile à combustible 4 à oxyde solide, pour des arrêts momentanés par exemple, avec un redémarrage très rapide puisque le temps de démarrage du reformeur est alors divisé par deux, seule la première phase étant nécessaire. La seconde pile à combustible 4 à oxyde solide peut fonctionner dès que la température d'allumage du catalyseur du reformeur est atteinte. La puissance électrique disponible correspond environ à la moitié de la pleine puissance du système jusqu'à ce que la première pile à combustible 9 à membrane échangeuse de protons soit elle aussi alimentée, après le préchauffage de l'étage de purification. Dans ce cas, la consommation d'énergie nécessaire pour maintenir la seconde pile à combustible 4 à oxyde solide en température est diminuée par rapport au cas d'une utilisation exclusive de la seconde pile à combustible 4 à oxyde solide car la puissance thermique de la seconde pile à combustible 4 à oxyde solide est divisée par deux. Le démarrage rapide de la première pile à combustible 9 à membrane échangeuse de protons permet de fonctionner en mode dégradé pendant un temps réduit. L'utilisation de la batterie de démarrage est fortement réduite voire même inutile. Pour un fonctionnement à des températures inférieures à 0°C, une pile à combustible à membrane échangeuse de protons utilisée seule ne peut pas fonctionner sous de telles températures. Il faut purger ses canaux pour éviter que le gel ne fasse craquer sa membrane et la réchauffer au-dessus de 0°C. L'utilisation exclusive de la seconde pile à combustible 4 à oxyde solide à ces températures telle que représentée dans le mode de réalisation de la figure 1 , permet de faire fonctionner le système en mode dégradé, c'est à dire à 50% de la puissance totale,
jusqu'à ce que le réchauffement de la première pile à combustible 9 à membrane échangeuse de protons soit terminé. Pour le craquage et la gestion d'énergie du système, les matériaux constitutifs de la pile à combustible à oxyde solide montrent une mauvaise résistance au stress mécanique induit par les cyclages thermiques, ce qui entraîne une faible durée de vie pour ces piles lors d'une utilisation différente du fonctionnement stationnaire. Pour les applications à l'automobile, la réponse aux transitoires et les arrêts-démarrage du système impose des cycles thermiques fréquents et de forte amplitude. La présente invention propose d'utiliser la seconde pile à combustible 4 à oxyde solide selon un mode quasi-stationnaire par le maintien en température lors des phases d'arrêt et de démarrage, et par l'utilisation couplée de la première pile à combustible 9 à membrane échangeuse de protons et de la batterie lors des transitoires. La seconde pile à combustible 4 à oxyde solide fonctionne ainsi en quasi-permanence à sa pleine puissance, qui correspond à la moitié de la pleine puissance du système, et la première pile à combustible 9 à membrane échangeuse de protons fournit Ténergie complémentaire. Si la puissance électrique requise par la charge est inférieure à la celle délivrée par la seconde pile à combustible 4 à oxyde solide, la différence sert à recharger la batterie. La présente invention permet de pallier les inconvénients majeurs de chaque type de piles à combustible grâce à leur utilisation combinée et à une meilleure gestion des alimentations en eau et en air du système. Les dispositifs d'alimentation de la première et de la seconde pile à combustible 4 et 9 peuvent avantageusement être utilisés pour la traction électrique de véhicules ou pour des applications de type unités auxiliaires de puissance. Ils peuvent également être utilisés pour les productions collectives et individuelles d'électricité et notamment pour des cogénérateurs électrique-thermique.