Brevet FR2806533A1 — publié le 20010921

L'invention concerne un dispositif de récupération de l'eau pour un système à piles à combustible de génération de courant de bord dans un véhicule. Dans tous les systèmes à piles à combustible de nature autarcique se pose le probléme de la gestion de l'eau. Pour générer de l'énergie électrique au moyen dune pile à combustible de type PEM, il est nécessaire que les membranes à électrolyte, en polymère solide, soient maintenues à tout moment sous une atmosphère humide. Pour satisfaire à cette exigence le gaz combustible, ainsi que le gaz oxydant, sont humidifiés avec de l'eau. Dans les systèmes à piles à combustible comprenant un système de génération de gaz, il faut également avoir de l'eau pour celui-ci. Ainsi, par exemple, lors du reformage des hydrocarbures pour la fabrication de gaz de synthèse riche en hydrogène, on amène de façon dosée de l'eau supplémentaire au réacteur de reformage. De plus, on utilise de l'eau également pour le refroidissement de la pile à combustible. Pour éviter d'avoir à embarquer un réservoir d'eau et d'avoir à le remplir régulièrement, il est connu, par le US 5.780.179, de récupérer de l'eau. émanant des gaz d'échappement du système à piles à combustible. On utilise pour cela un séparateur à condensat. Dans ce procédé, il est désavantageux que, du fait du haut niveau de température des gaz d'échappement émanant du système de pile à combustible,, la quantité d'eau obtenue soit relativement faible et ne suffise pas pour alimenter en eau le système à piles à combustible de génération de courant de bord. Ainsi, dans le cas de ce dispositif, il est en plus nécessaire de procéder à un rechargement régulier d'un réservoir d'eau. C'est pourquoi le but de l'invention est de créer un dispositif à l'aide duquel on puisse obtenir à bord d'un véhicule une quantité qui suffise pour le fonctionnement du système à piles à combustible. Ce problème est résolu selon l'invention par le fait que le circuit de refroidissement du radiateur de véhicule et/ou le circuit de refroidissement d'une installation de climatisation est couplé, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, à au moins un écoulement de gaz d'échappement émanant du système de pile à combustible de génération de courant de bord. Des formes de réalisation avantageuses du dispositif sont caractérisées par le fait que: - le flux de gaz d'échappement du système de pile à combustible de génération de courant de bord est le flux de gaz d'échappement d'anode et/ou le flux de gaz d'échappement de cathode et/ou le flux de gaz d'échappement émanant d'un système de génération de gaz, un séparateur de condensat est branché en aval de l'échangeur de chaleur, dans le ou les flux de gaz d'échappement, - une pompe, permettant une circulation du liquide de refroidissement du circuit de refroidissement, est branchée dans le circuit de refroidissement du radiateur de véhicule ou de l'installation de climatisation, - le couplage du circuit de refroidissement du radiateur de véhicule ou de l'installation de climatisation, à au moins un flux de gaz d'échappement du système de pile à combustible de génération de courant de bord, peut être effectué en fonction de la température du radiateur du véhicule, - le système de pile à combustible de génération de courant de bord est couplé à une batterie. Des formes de réalisation avantageuses du dispositif sont caractérisées par le fait que: - le système de pile à combustible de génération de courant de bord est utilisé de préférence lorsque le véhicule est à l'arrêt et que le radiateur de véhicule est refroidi, tandis que, lorsque le véhicule est en déplacement et que le radiateur du véhicule est chaud, c'est la batterie qui assume l'alimentation électrique. - la chaleur, injectée dans le circuit de 'refroidissement du radiateur de véhicule, par le ou les flux de gaz d'échappement émanant du système à piles à combustible de génération de courant de bord, est utilisée pour le préchauffage du moteur ou pour le chauffage auxiliaire. Selon l'invention le circuit de refroidissement du radiateur de véhicule et/ou le circuit de refroidissement de l'installation de climatisation est couplé, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, à au moins un flux de gaz d'échappement du système de pile à combustible de génération de courant de bord. Ainsi, est fournie, à un niveau de température très faible, une' puissance de refroidissement, nécessaire pour obtenir la condensation de l'eau se trouvant dans le flux de gaz d'échappement. Comme source de gaz d'échappement, d'o on peut récupérer de l'eau, sont envisageables en particulier les gaz d'échappement d'anode et de cathode de la pile à combustible, ainsi que les gaz d'é c h a p p e m e n t venant du système de génération de gaz. On peut alors au choix coupler un ou plusieurs de ces flux de gaz d'échappement au circuit de refroidissement de radiateur de véhicule. Grâce à la haute puissance de refroidissement et à la faible température du radiateur du véhicule, on peut obtenir une récupération d'une quantité d'eau qui suffise au fonctionnement du système à piles à combustible (bilan en eau positif). On peut renoncer à embarquer un réservoir d'eau. Du fait que le radiateur de véhicule, et son circuit de refroidissement ou que le circuit de refroidissement de l'installation de climatisation existent de toute façon dans le véhicule, il n'est engendré aucun coût supplémentaire du fait de l'utilisation selon l'invention. Il n'est également demandé qu'un très petit espace de construction supplémentaire. Le dispositif selon l'invention peut, de façon générale, être utilisé dans des systèmes mobiles, en particulier dans des véhicules automobiles, des systèmes ferroviaires ou des aéronefs. Il convient particulièrement pour des systèmes à piles à combustible de type PEM. Avantageusement, la chaleur d'évacuation fournie au circuit de refroidissement du radiateur de véhicule, venant du système à piles à combustible de la génération de courant de bord, peut être utilisée pour le préchauffage du moteur ou comme chauffage auxiliaire. On obtient de ce fait des avantages de confort supplémentaires pour l'utilisateur du véhicule. L'eau condensée est avantageusement séparée des gaz d'échappement au moyen d'un séparateur de condensat qui est mis en circuit en aval de l'échangeur de chaleur. Dans un mode de réalisation préféré, on branche, dans le circuit de refroidissement du radiateur de véhicule ou de I'installation de climatisation, une pompe qui veille à fournir une circulation suffisante au liquide de refroidissement. Le rendement en eau du dispositif selon l'invention dépend naturellement de façon tout à fait notable de la température du radiateur du véhicule.- C'est pourquoi il peut s'avérer avantageux d'effectuer le couplage du circuit de refroidissement à un ou plusieurs flux de gaz d'échappement émanant du système à piles à combustible de génération de courant de bord, en fonction de la température du radiateur de véhicule. Par exemple, le dispositif peut être conçu de manière que les flux de gaz d'échappement dans le circuit d'échangeur de chaleur soient branchés ensuite, au-dessous d'une certaine température, prédéterminée, du radiateur de véhicule. Selon un autre mode de réalisation, le système de pile à combustible de génération de courant de bord est couplé à une batterie. Dans les phases de fonctionnement du véhicule dans lesquelles le radiateur présente une température élevée, le besoin électrique du véhicule peut être couvert depuis la batterie. Dans les phases de fonctionnement du véhicule dans lesquelles le radiateur présente des températures particulièrement faibles, en particulier à l'état stationnaire lorsque le radiateur est refroidi, le système de pile à combustible de génération de courant de bord est utilisé pour générer du courant. L'invention va être présentée ci-après à l'aide d'un dessin, qui illustre la structure de principe du système de pile à combustible de génération de courant de bord dans un véhicule. Le dessin montre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans un véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion 5. Pour le refroidissement du moteur à combustion 5, celui-ci est branché dans le circuit de refroidissement 1 usuel connu en soi. Le circuit de refroidissement 1 comprend une pompe 2, à l'aide de laquelle le liquide de refroidissement est transporté à l'intérieur de la conduite 3 à travers la soufflante de véhicule 4, du moteur d'entraînement 5 ainsi que du radiateur de véhicule 6. Selon l'invention, dans le circuit de refroidissement se trouve en outre un échangeur de chaleur 7 dont la fonction va être explicitée en détail ci-après. Le système de pile à combustible de génération de courant de bord 8 comprend un système de génération de gaz 9 devant générer du gaz de synthèse riche en hydrogène ainsi qu'une pile à combustible 10. Le système de génération de gaz 9 alimente, par une conduite d'amenée 11, la pile à combustible 10 en gaz combustible. Le numéro de référence 12 désigne la conduite de gaz d'échappement de système de génération de gaz 9. Les numéros de référence 13, 14 désignent les conduites de gaz d'échappement (gaz d'échappement d'anode 13, gaz d'échappement de cathode 14) de la pile à combustible 10. Pour récupérer l'eau, on amène les conduites de gaz d'échappement 12, 13, 14 à l'échangeur de chaleur 7 qui est couplé au circuit de refroidissement 1 du radiateur de véhicule 6. En aval de l'échangeur de chaleur 7 se trouve, dans chaque conduite de gaz d'échappement, un séparateur de condensat 15. L'eau condensée est séparée des gaz d'échappement dans ces séparateurs de condensat. L'alimentation en eau du système de pile à combustible de la génération de courant de bord 8 peut être assurée avec l'eau qui est produite à cet endroit. REVENDICATIONS 1. Dispositif de récupération de l'eau pour un système à piles à combustible de génération de courant de bord dans un véhicule, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (1) du radiateur de véhicule (6) et/ou le circuit de refroidissement (1) d'une installation de climatisation est couplé, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (7), à au moins un écoulement de gaz d'échappement émanant du système de pile à combustible de génération de courant de bord (8). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux de gaz d'échappement du système de pile à combustible de génération de courant de bord (8) est le flux de gaz d'échappement d'anode et/ou le flux de gaz d'échappement de cathode et/ou le flux de gaz d'échappement émanant d'un système de génération de gaz (9). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un séparateur de condensat est branché en aval de l'échangeur de chaleur (7), dans le ou les flux de gaz d'échappement. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisé en ce qu'une pompe (2), permettant une circulation du liquide de refroidissement du circuit de refroidissement (1), est branchée dans le circuit de refroidissement (1) du radiateur de véhicule (6) ou de l'installation de climatisation. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le couplage du circuit de refroidissement (1) du radiateur de véhicule (6) ou de l'installation de climatisation, à au moins un flux de gaz d'échappement du système de pile à combustible de génération de courant de bord (8), peut être effectué en fonction de la température du radiateur de véhicule (6). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de pile à combustible de génération de courant de bord (8) est couplé à une batterie. 7. Procédé de fonctionnement d'un dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système de pile à combustible de génération de courant de bord (8) est utilisé de préférence lorsque le véhicule est à l'arrêt et que le radiateur de véhicule (6) est refroidi, tandis que, lorsque le véhicule est en déplacement et que le radiateur de véhicule (6) est chaud, c'est la batterie qui assume l'alimentation électrique. 8. Procédé de fonctionnement d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaleur, injectée dans le circuit de refroidissement (1) du radiateur de véhicule (6), par le ou les flux de gaz d'échappement émanant du système à piles à combustible de génération de courant de bord (8), est utilisée pour le préchauffage du moteur ou pour le chauffage auxiliaire.