WO2007135301A1 - Dispositif et procede de purification d'hydrogene par adsorption - Google Patents

Dispositif et procede de purification d'hydrogene par adsorption Download PDF

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WO2007135301A1
WO2007135301A1 PCT/FR2007/050887 FR2007050887W WO2007135301A1 WO 2007135301 A1 WO2007135301 A1 WO 2007135301A1 FR 2007050887 W FR2007050887 W FR 2007050887W WO 2007135301 A1 WO2007135301 A1 WO 2007135301A1
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inlet
hydrogen
power module
purification
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Fabien Heurtaux
Alvaro Ternes-Neto
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Renault S.A.S.
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Definitions

  • the present invention relates to power modules used in motor vehicles and more particularly those equipped with a fuel cell.
  • Fuel cells are developed to provide energy for either stationary applications, aeronautics or automotive applications. Fuel cells require hydrogen or a gas rich in hydrogen, and oxygen.
  • oxygen comes from the ambient air.
  • hydrogen it can be stored in compressed tanks onboard the vehicle, or it can be produced in the vehicle itself using a reforming device called reformer.
  • the reformers make it possible to produce a hydrogen-rich gas called reformate from a hydrocarbon fuel such as gasoline, ethanol, etc.
  • the result is a fuel cell system for supplying energy from a conventional fuel.
  • the reformate does not contain only hydrogen and it is necessary to purify it before its use in the fuel cell. There are thus several types of purification, some of which make it possible to obtain hydrogen with a high purity, while others make it possible to remove from the reformate molecules that may deteriorate the power module and more particularly the fuel cell.
  • WGS purification allows for example to reduce the amount of carbon monoxide present in the reformate. Carbon monoxide is indeed capable of damaging a PEM fuel cell, and it is necessary to reduce its concentration in the reformate before using it in the battery.
  • the membrane makes it possible to obtain hydrogen with a high purity. Indeed, the membrane makes it possible to filter all the compounds contained in the reformate with the exception of hydrogen. A gas containing essentially hydrogen is thus obtained.
  • PSA purification Pressure Swing Adsorption
  • PSA purification also makes it possible to obtain a hydrogen-rich gas by circulating the reformate in an adsorption column.
  • the adsorption columns are the subject of numerous patents.
  • the patent application FR 2847587 relates to a process for desulphurisation, denitrogenation, and / or desaromatisation of a hydrocarbon feedstock making it possible to achieve sulfur, nitrogen and / or aromatic content compatible with the required specifications.
  • the application relates to a method for regenerating a column in two stages: the first during which part of the feed is washed with a desorbent or a sweeping liquid and an effluent is recovered. first regeneration; the second during which the desorbent is circulated in the column and a second regeneration effluent is recovered.
  • the invention relates to a power module which comprises a fuel cell system and which makes it possible to optimize the operation of the fuel cell system.
  • a motor vehicle power module comprises a fuel cell comprising at least one anode compartment and at least one cathode compartment, a reforming reactor and at least one purification column comprising a reversible adsorbent.
  • the purification column receives a gaseous mixture containing hydrogen from the reactor, and provides a hydrogen-rich gas to the anode compartment.
  • the column is supplied with gaseous mixture by a first inlet and desorbed by a second inlet distinct from the first inlet.
  • the thermal insulation of the walls of the purification column is different on the side of the first inlet and the side of the second inlet.
  • the reforming reactor as considered in the present application can implement different reforming reactions. It may thus be a partial oxidation reactor, a steam reforming reactor, an autothermal reactor or a dehydrogenation reactor.
  • the thermal insulation of the column makes it possible to manage the heat exchanges between the column and the external environment. It is thus possible to manage temperature fluctuations of the gas mixture or of the desorbent, or else to control the temperature of the reversible adsorbent. Indeed, the temperature of the reversible adsorbent makes it possible to modify the efficiency of the adsorption or the desorption. Thus, a high temperature promotes desorption while a lower temperature promotes adsorption. Thanks to a suitable thermal insulation, it is then possible to optimize the operation of the column, whether during an adsorption phase or a desorption phase.
  • the thermal insulation at the first inlet is chosen so as to limit the overheating of the adsorbent, in order not to reduce the purification capacities of the column.
  • the thermal insulation at the second inlet is chosen so that the temperature of the reversible adsorbent increases easily and rapidly.
  • the purification column also comprises a first outlet for the rich gas. hydrogen, located at the second inlet and a second outlet for the desorbent located at the first inlet.
  • the inlets and outlets of the gaseous mixture and the desorbent are placed symmetrically with respect to the column and thus make it possible to optimize the thermal insulation.
  • the second outlet of the column feeds a burner capable of exchanging thermal energy with the reforming reactor.
  • This embodiment makes it possible to supply a burner with the hydrocarbons coming from the column.
  • it is possible to produce and supply thermal energy to the reforming reactor while achieving combustion of the hydrocarbons filtered through the column. It is therefore possible to optimize the performance of the reforming reactor and also to reduce the polluting emissions of the vehicle.
  • the thermal insulation of the wall of the column is greater on the side of the second inlet than on the side of the first inlet.
  • the thermal insulation at the second inlet and the use of a desorbent having a high temperature makes it possible to keep the thermal energy of the desorbent and to transmit it to the reversible adsorbent. Thus, it is possible to rapidly increase the temperature of the adsorbent during the desorption phases and thus to promote desorption.
  • the thermal insulation is chosen to be low so that the thermal energy of the gaseous mixture can be discharged to the outside and so that the temperature of the reversible adsorbent remains optimal for adsorption.
  • an insulating coating is placed on the wall of the column, on the side of the second inlet, and preferably covers between 25 and 75% of the surface of the wall of the column.
  • an electrical resistor is placed near the wall located on the side of the second input, and preferably covers between 10 and 75% of the surface of the wall of the column.
  • the electrical resistance makes it possible to provide additional thermal energy, in particular when the temperature of the desorbent is not sufficient to heat the reversible adsorbent.
  • this embodiment can also make it possible to accelerate the phase changes of the column, in particular the transition from an adsorption phase to a desorption phase. This optimizes the operation and speed of the column.
  • a weakly reversible adsorbent is placed inside the column at the first outlet.
  • the weakly reversible adsorbent is selected to have a higher adsorption capacity than the reversible adsorbent.
  • the purpose of the weakly reversible adsorbent is not to adsorb and desorb hydrocarbons in continuous operation, but is to avoid or effectively trap an abnormally high residual concentration of hydrocarbons at the column outlet.
  • a control error of the column or an excess of hydrocarbons at the column inlet can lead to an abnormally high concentration of hydrocarbons at the column outlet and thus damage the fuel cell.
  • the weakly reversible adsorbent is used as safety.
  • a sensor capable of detecting the adsorption front is placed in the column.
  • the sensor is used to determine the phase change times of the columns.
  • the sensor can for example send a signal triggering the desorption phase. of the column, in order to avoid that hydrocarbons are found in the gas supplying the fuel cell.
  • the column also comprises a third inlet supplying the purge fluid column to evacuate the desorbent present in the column.
  • the third inlet makes it possible to introduce a purge fluid into the column.
  • the purge occurs, for example, between the adsorption phase and the desorption phase, in order to extract the desorbent from the column before the next adsorption phase.
  • the purge fluid may be hydrogen-rich gas produced by another purification column. In this way, the mixture exiting the column and feeding the fuel cell will essentially comprise hydrogen, even after a desorption phase.
  • a cooler-separator is mounted downstream of the reactor and upstream of the purification column.
  • the cooler-separator makes it possible to reduce the temperature of the gaseous mixture resulting from the reforming reactor.
  • the decrease in temperature makes it possible to liquefy a more or less important part of the hydrocarbons.
  • the liquefied hydrocarbons can thus be easily separated from the rest of the gaseous mixture before the introduction of the mixture into the purification column.
  • the use of the cooler-separator makes it possible to carry out a first rough purification of the gaseous mixture coming from the reforming reactor.
  • the column is then used to perform a second, more efficient and complete purification.
  • an air conditioning evaporator of the passenger compartment of the vehicle is placed downstream of the reactor and upstream of the purification column.
  • the air conditioning evaporator makes it possible to overcool the gaseous mixture from the reforming reactor.
  • the liquefaction and the separation is thus more efficient and makes it possible to extract from the gas mixture a larger quantity of hydrocarbons.
  • the air conditioning evaporator can thus be coupled to the chiller / separator and thus improve the efficiency of the chiller / separator.
  • the invention also relates to a method for implementing a power module comprising a fuel cell comprising at least one anode compartment and at least one cathode compartment, a reforming reactor and at least one purification column comprising a reversible adsorbent.
  • the column receives a gaseous mixture containing hydrogen from the reactor and provides a hydrogen-rich gas to the anode compartment.
  • the column is supplied with gaseous mixture by a first inlet and desorbed by a second inlet distinct from the first inlet.
  • the thermal insulation of the walls of the purification column is different on the side of the first inlet and the side of the second inlet.
  • the method makes it possible to exploit the difference in thermal insulation at the wall of the column.
  • the temperature of the column is increased to promote desorption.
  • the temperature increase is facilitated by a thermal insulation adapted to the level of the desorbent inlet.
  • the temperature of the column is decreased so that it is optimal for the next adsorption phase.
  • a portion of the hydrocarbons contained in the gaseous mixture is recovered before the adsorption phase by cooling the gaseous mixture.
  • a first purification of the gaseous mixture is carried out upstream of the column, by liquefying a portion of the hydrocarbons.
  • the amount of hydrocarbons present in the gas mixture at the inlet of the The column is weaker, and the purification column can remain in the adsorption phase longer, which optimizes the operation of the module.
  • the power module comprises at least two columns and the hydrogen-rich gas used in the purge phase of one of the columns is produced by the other column in the adsorption phase.
  • the hydrogen-rich gas produced by a first purification column is used to purge a second column at the end of the desorption phase.
  • the hydrocarbons and the remaining desorbent are removed from the second column and replaced by hydrogen.
  • FIG. 1 shows schematically a power module equipped with a purification device according to one aspect of the invention
  • FIG. 2 diagrammatically represents an embodiment of the purification device of the power module of FIG. 1;
  • FIG. 3 diagrammatically represents an embodiment of one of the purification columns that can be used in the purification device of FIG. 2.
  • FIG. 1 diagrammatically shows a power module 1 according to one aspect of the invention.
  • the module 1 comprises a fuel cell 2 supplied with oxygen-rich gas by a compressor unit 3 and hydrogen-rich gas by a purification device 4.
  • the device 4 receives a gaseous mixture from the reforming reactor 5.
  • the reforming reactor 5 produces a gaseous mixture containing hydrogen but also other compounds likely to deteriorate the fuel cell 2 and thus requiring the use of one or more purification modules.
  • the reforming reactor 5 is for example a catalytic reactor implementing a dehydrogenation reaction.
  • hydrogen is produced by a dehydrogenation reaction of a hydrocarbon fuel comprising cycloalkanes, for example methylcyclohexane.
  • a mixture comprising, on the one hand, hydrogen and, on the other hand, hydrocarbons comprising aromatics, for example toluene, and unreacted cycloalkanes, is then obtained at the outlet of reactor 5.
  • the gaseous mixture thus produced is then purified before supplying the fuel cell 2.
  • the gas mixture from the reactor 5 is first conveyed via a pipe 6 to a cooler-separator 7.
  • the cooler-separator 7 cools the mixture and allows the liquefaction of a portion of the hydrocarbons contained in the gas mixture, depending on the pressure and the temperature of the chiller-separator 7.
  • hydrocarbons are in liquid form, it is then easy to separate them from the rest of the gas mixture, for example with a separation vessel.
  • the separated hydrocarbons are discharged through an outlet 8 while the partly purified gas mixture is conveyed to the purification device 4 via a line 9.
  • the chiller-separator 7 may also comprise an air-conditioning evaporator 10.
  • the air-conditioning evaporator 10 makes it possible to over-cool the gaseous mixture from the reforming reactor 5. It is thus possible to liquefy a larger proportion of hydrocarbons present in the gaseous mixture. In addition, the temperature of the mixture sent to the purification device 4 is lower, which promotes adsorption in the purification column or columns. Thus, the air conditioning evaporator 10 improves the operation of the module 1.
  • the gaseous mixture is purified in the purification device 4 and is then conveyed to the anode compartment of the battery.
  • the fuel cell 2 is preferably a PEM (Proton Exchange Membrane) type cell comprising an anode compartment seat of the hydrogen oxidation reaction, and a cathode compartment seat of the reaction reaction. reduction of oxygen. Fuel cell 2 is therefore the seat of an oxidation-reduction reaction during which electrical energy and water are produced.
  • the anode compartment is fed by the pipe 1 1 which conveys the hydrogen-rich gas produced by the purification device 4.
  • the fuel cell 2 operates optimally when it is fed with pure hydrogen.
  • the hydrogen richness of the gas supplying the anode compartment can therefore modify the operation of the battery 2.
  • the cathode compartment is fed by the pipe 12 which conveys the oxygen-rich gas from the compressor unit 3.
  • the fluids produced by the fuel cell 2 are evacuated by conduits 13, 14.
  • the electric energy produced by the fuel cell 2 makes it possible to feed several elements, for example the compressor unit 3, a traction motor of the vehicle (not shown) or a battery (not shown).
  • the device 4 makes it possible to purify the gaseous mixture by implementing an adsorption mechanism, but also requires a desorption phase in order to regenerate the adsorbent.
  • the device 4 is supplied with compressed air, preferably having a high temperature, by the compressor unit 3 via a pipe 15.
  • the compressed air makes it possible to desorb the hydrocarbons present in the purification columns.
  • a high temperature of the air promotes desorption by increasing the temperature of the adsorbent columns.
  • the hot air and the desorbed hydrocarbons are then removed from the device 4 by a pipe 16 which conveys them to a burner 17.
  • a temperature sensor 18 makes it possible to measure the temperature of the gases leaving the device 4 and thus makes it possible to determine whether the conditions during the desorption phase, especially the temperature, favor or not the desorption of hydrocarbons.
  • the burner 17 is preferably a catalytic burner but may also be a flame burner and is in thermal contact with the reforming reactor 5. It is fed, via line 16, with a mixture of compressed air, desorbed hydrocarbons and gaseous mixture present in the column or columns at the time of the desorption phase. The set of gases is then burned and supplies thermal energy to the reforming reactor 5.
  • the cooler-separator 7 performs a first efficient purification of the gas mixture from the reforming reactor 5
  • the ratio between the amount of hydrogen and the amount of hydrocarbons sent to the burner 17 is greater and thus promotes combustion.
  • the burner 17 thus provides a greater thermal energy to the reactor 5, and improves the operation of the module 1.
  • the gases from the combustion have a higher proportion. low carbon dioxide, which decreases the vehicle's polluting emissions.
  • the gases from the burner 17 are then sent to the exhaust pipe 19. However, they can also pass through heat exchangers or be upgraded in the compressor unit 3 before being removed from the vehicle.
  • FIG. 2 shows a more detailed embodiment of the purification device 4 of FIG. 1.
  • the device 4 comprises, for example, three purification columns 20, 21, 22 advantageously placed in a manner vertical. The vertical position allows a better separation of the hydrocarbons during the adsorption phase.
  • Each column 20, 21, 22 is supplied, by a first inlet, with a gaseous mixture from the cooler-separator and conveyed respectively by a pipe
  • Each pipe 201, 21 1, 221 comprises a valve 202, 212, 222 allowing the supply of gaseous mixture of the column and thus defining the adsorption phases.
  • the valves 202, 212, 222 also prevent the release of compressed air and hydrocarbons to the cooler-separator during the desorption and purge phases.
  • Each column 20, 21, 22 also includes a first outlet through which the hydrogen-rich gas exits the column to feed the fuel cell.
  • Pipes 203, 213, 223 convey the hydrogen-rich gas at the outlet of the columns 20, 21, 22.
  • Each pipe 203, 213, 223 comprises a valve 204, 214, 224 making it possible to pass the hydrogen-rich gas towards the stack to hydrogen during the adsorption phases, and to block the exit of the compressed air during the desorption phases or the hydrogen - rich gas during the purge phases.
  • Each column 20, 21, 22 is supplied, by a second inlet, with compressed air coming from the compression unit and conveyed respectively by a pipe 205, 215, 225.
  • Each conduit 205, 215, 225 comprises a valve 206, 216, 226 for supplying compressed air to the column and thus defining the desorption phases. Valves 206, 216, 226 also prevent the exit of hydrogen rich gas to the compression group during the adsorption or purge phases.
  • the valves 206, 216, 226 may also be controlled to control the proportion of air in the gases produced during the desorption phase and feeding the burner. In fact, when two columns, for example the columns 21 and 22, are simultaneously in the desorption phase, it is possible to control the quantity of air sent to the burner by appropriately controlling each of the two air supply valves 216, 226. desorbent. The combustion in the burner can then be optimized by an adequate proportion of air and hydrocarbons.
  • Each column 20, 21, 22 also comprises a second outlet through which the compressed air and the desorbed hydrocarbons leave the column to feed the burner.
  • Pipes 207, 217, 227 convey the compressed air and the desorbed hydrocarbons at the outlet of the purification columns 20, 21, 22 to the burner.
  • Each pipe 207, 217, 227 comprises a valve 208, 218, 228 making it possible to let the compressed air and the hydrocarbons out of the column during the desorption and purge phases, and to block the exit of the gas mixture during the phases of adsorption.
  • the purification device 4 also comprises pipes connecting the columns 20, 21, 22 between them in order to carry out the purge phases.
  • the pipe 23 connects the pipe 213 which conveys purified hydrogen-rich gas through the column 21, to the pipe 205 which supplies compressed air to the column 20.
  • the purge phase begins by passing hydrogen-rich gas produced by the column 21 into the column 20, through the pipe 205.
  • the hydrogen-rich gas will then expel the compressed air from the column 20 and the remaining hydrocarbons end of the desorption phase. All of the gases are discharged through line 208 which routes them to the burner.
  • column 20 contains hydrogen-rich gas which will feed the fuel cell during the next desorption phase.
  • a valve 24 placed on the pipe 23 allows to allow the passage through the pipe 205, the hydrogen-rich gas and thus defines the purge phase of the column 20.
  • the valve 24 also prevents the circulation of air compressed or hydrogen-rich gas to the line 214 during the desorption or adsorption phase of column 20.
  • a line 25 comprising a valve 26 connects the line 223 to the line 215.
  • the line 25 thus enables the purified hydrogen-rich gas to be conveyed by the column 22 to the column 21 in order to carry out the purge phase. of the column 21.
  • a pipe 27 comprising a valve 28 connects the pipe 203 to the pipe 225.
  • the pipe 25 thus makes it possible to route the purified hydrogen-rich gas through the column 20 to the column 22 in order to carry out the purge phase of the column 22.
  • the conduits 23, 25, 27 are advantageously equipped with a safety system, for example a non-return valve.
  • the check valve prevents the passage of fluid in the opposite direction to that of the purge gas. It will also be possible to use a restriction with a calibrated hole allowing the passage, at reduced flow, of fluid in the direction opposite to that of the purge gas.
  • the different phases of the columns 20, 21, 22 must alternate so that there is at least one adsorption phase column capable of supplying a hydrogen-rich gas to the fuel cell and possibly to another column. in the purge phase, and at least one column in the desorption phase or purge phase that can replace the column adsorption phase when it will be regenerated.
  • the purification system 4 of FIG. 2 three columns are used and alternate the different phases so as to continuously supply a gas rich in hydrogen and ensure the operation of the system 4.
  • the control of the columns can be carried out from of sensors detecting the adsorption front of the hydrocarbons within each column 20, 21, 22.
  • the purge of the column 22 can be started in such a way that that the column 22 can start the adsorption phase when the column 20 will have to start the desorption phase. Then, when the adsorption front of the column 22 reaches a certain level, the purge of the column 21 can be started and so on.
  • the columns in the adsorption phase thus rotate according to the sequence: column 20, column 22, column 21, column 20, ... There are thus several columns 20, 21, 22 used in parallel and performing the same operations in an off-set manner. The tilting time of each phase depends on the displacement of the front in the column.
  • a thermal insulation 40 is placed on the wall 30 in order to limit heat exchanges between the column 20 and the outside air.
  • a heating element 41 for example an electrical resistance, may be used to provide additional heat energy to the reversible adsorbent 29.
  • the use of different resistances 41 on the columns allows a suitable heating of each column instead of a common heating of the compressed air to desorb.
  • the column 20 may also comprise, at the inlet of the gaseous mixture and the compressed air, porous or low density materials 31, 32. These materials 31, 32 make it possible to obtain a relatively uniform distribution of the gas velocities. (Gas mixture or compressed air) on the inlet section of these gases in the column 20. This avoids a profile having high speeds in the center of the column and low speeds near the walls. It is then possible to obtain a behavior of the piston type adsorption front, ie a relatively planar adsorption front moving perpendicular to the axis of the column. It is also possible to use, in addition to materials 31, 32, neutral particles
  • a weakly reversible adsorbent for example activated carbons, having a high adsorption capacity but a low desorption capacity, can be introduced at the outlet of the hydrogen-rich gas, instead of or in addition to the material 34 and / or 32.
  • the reversible adsorbent is intended to trap the hydrocarbons likely to arrive at the level of the first outlet of the column, and thus to end up in the hydrogen-rich gas. feeding the fuel cell.
  • the weakly reversible adsorbent constitutes a safety in the event of steering error of the columns or when the quantity of hydrocarbons at the column inlet is important.
  • the column 20 may also comprise one or more sensors 35, 36.
  • the sensors 35, 36 are used to detect the adsorption front of the column 20.
  • the sensors 35, 36 may advantageously be catharomers of the type of those used in gas chromatography.
  • the sensors 35, 36 can thus be made in small cylinders placed in the axis of the column 20 and having a resistance in the center. The modification of the resistance makes it possible to detect the arrival of the adsorption front in the zone of the sensor 35, 36.
  • the sensors 35, 36 can then be used to control the column phase changes and to control the operation of the purification system. .
  • the power module as described above can be used within a motor vehicle for various applications. Thus, depending on the power range delivered by the module, it will be possible to consider either driving the vehicle, or feeding the electrical equipment of the vehicle, or an extension of the vehicle autonomy.

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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

Dispositif et procédé de purification d'hydrogène par adsorption
La présente invention concerne les modules de puissance utilisés dans les véhicules automobiles et plus particulièrement ceux équipés d'une pile à combustible.
Les piles à combustible sont développées pour fournir de l' énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Les piles à combustible nécessitent de l'hydrogène ou un gaz riche en hydrogène, et de l' oxygène.
Généralement, l' oxygène provient de l' air ambiant. En ce qui concerne l'hydrogène, il peut être stocké dans des réservoirs comprimés embarqués à bord du véhicule, ou bien il peut être produit dans le véhicule lui-même à l' aide d'un dispositif de reformage appelé reformeur. Les reformeurs permettent de produire un gaz riche en hydrogène appelé reformat, à partir d'un carburant hydrocarboné tel que l' essence, l' éthanol, etc. On obtient alors un système de pile à combustible permettant de fournir de l' énergie à partir d'un carburant conventionnel. Cependant, le reformat ne contient pas que de l'hydrogène et il est nécessaire de le purifier avant son utilisation dans la pile à combustible. On distingue ainsi plusieurs types de purification, certains permettant d' obtenir de l'hydrogène avec une pureté élevée et d' autres permettant d' enlever du reformat des molécules susceptibles de détériorer le module de puissance et plus particulièrement la pile à combustible. La purification WGS (Water Gas Shift : conversion du gaz à l' eau) permet par exemple de diminuer la quantité de monoxyde de carbone présent dans le reformat. Le monoxyde de carbone est en effet capable de détériorer une pile à combustible de type PEM, et il est nécessaire de réduire sa concentration dans le reformat avant de l'utiliser dans la pile.
Il est également possible de positionner une membrane en aval du reformeur. La membrane permet d' obtenir de l'hydrogène avec une pureté élevée. En effet, la membrane permet de filtrer l' ensemble des 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 œuvre 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 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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 1 ; - 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 œuvre 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 1 1 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 œuvre 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 , 21 1 , 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 réversible placé 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

REVENDICATIONS
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 œuvre 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 thermique des 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.
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