Brevet FR2831919A1 — publié le 20030509

SP 20068 AP t Domaine de l'invention La présente invention concerne une unité d'approvisionnement en combustible, pour fournir un combustible conte nant de l'hydrogène à un convertisseur d'énergie du combustible pour la s transformation chimique et la conversion d'énergie du combustible, com prenant un accumulateur de combustible sous pression pour l'alimentation en combustible mis en pression. L'invention concerne également un procédé pour fournir du combustible contenant de l'hydrogène à une unité à pile à combustible 0 et/ou une installation de combustion notamment un moteur à combus tion interne comme convertisseur d'énergie de combustible pour transfor mer chimiquement et convertir l'énergie du combustible avec une unité d'approvisionnement en combustible ainsi qu'un accumulateur de com bustible sous pression pour stocker le combustible contenant de l'hydrogène, mis en pression. État de la technique L'intérêt de l'hydrogène comme porteur d'énergie pour l'avenir a augmenté de manière significative au cours de ces dernières an nces. En particulier des piles à combustible utilisant de l'hydrogène per mettent de générer de manière peu polluante de l'énergie électrique et de la chaleur. Le rendement des piles à combustibles n'est pas limité par le cycle de CARNOT. Ainsi grâce à des rendements élevés, on peut économi ser par exemple des ressources fossiles et les réduire grâce à l'utilisation de piles à combustible dans les véhicules ou dans des installations de couplage force/chaleur. Une pile à combustible convertit de l'énergie, de la combi naison chimique de l'hydrogène directement en énergie électrique utilisa ble par exemple dans les applications aux véhicules équipés d'un moteur électrique pour obtenir de l'énergie motrice mécanique. De plus précisément dans les véhicules actuels, on a un nombre de plus en plus grand de consommateurs électriques, pour offrir des fonctions supplémentaires pour améliorer la commande du moteur, le confort et/ou la sécurité. La plus forte consommation d'énergie électrique qui en résulte peut être couverte par une pile à combustible en combinai son avec le moteur à combustion interne ou son alternateur. En particulier, pour les applications aux véhicules, on uti lise actuellement des piles à combustibles dites PEM (Proton Exchange Membrane) utilisant des membranes en polymère échangeuses de protons et utilisant actuellement comme combustible, de l'hydrogène aussi pur que possible. En outre, l'hydrogéne peut s'utiliser dans les moteurs à combustion interne en particulier les moteurs à pistons linéaires, pour générer l'énergie motrice mécanique par conversion chimique. En principe l'hydrogéne permet une alimentation par régé- nération et la conversion de dioxyde de carbone et d'éléments pratique- ment voisins pour une conversion ou une transformation sans matières polluantes. o En particulier, dans les applications aux vehicules et autres systémes isolés, l'hydrogéne ou le combustible contenant l'hydrogéne sont stockes dans des cuves sous pression. Actuellement, on a développé des réservoirs sous pression pour résister à des pressions de stockage d'environ 200 à 300 bars; pour les compositions nouvelles, on cherche des pressions de stockage allant jusqu'à 700 bars. À côté du stockage de l'hydrogéne dans un grand réservoir sous pression, dans les applications aux vehicules on utilise déjà le pro cèdé de reformage ou un procèdé analogue d'hydrocarbure comme par exemple de l'essence ou du gasoil de manière embarquee. À cet effet, en particulier pour améliorer l'adaptation à un changement de charge, au comportement du démarrage à froid, en cas de perturbation de fonction nement du procèdé de reformage ou analogue, on utilise un réservoir d'hydrogéne mis en pression. Par exemple, pour la fabrication industrielle d'hydrogéne à partir des hydrocarbures, par exemple avec du réformage à la valeur ou de réformage autothermique, on dispose en général d'hydrogéne à des pres sions comprises entre 20 et 40 bars. À l'aide de compresseurs à plusieurs étages on met ensuite de façon générale l'hydrogéne à une pression de stockage d'environ 300 bars. Cela correspond à une consommation d'énergie d'au moins 5 % de l'hydrogéne stocke. Dans d'autres procèdés de mise en pression de l'hydrogéne à stocker, il faut fournir de l'énergie de sorte que le rendement global de l'utilisation d'hydrogéne, c'est-a-dire pour générer de l'hydrogéne jusqu'à sa consommation, est réduit d'autant. Problèmes et avantages de l'invention La présente invention a pour but de développer une unité fournissant un combustible et un procédé pour fournir un combustible contenant de l'hydrogéne à un convertisseur d'énergie de combustible pour transformer chimiquement et convertir l'énergie du combustible à l'aide d'un accumulateur de combustible sous pression, jusqu'à un réser voir soumis au combustible sous pression avec lequel on augmente le rendement du convertisseur d'énergie de combustible, par rapport à ce qui existe en l'état de la technique. Ce problème est résolu par une unité d'approvisionnement du type défini ci-dessus, caractérisoe en ce qu'il est prévu au moins une unité séparee pour l'exploitation de l'énergie de pression pour convertir et exploiter l'énergie de pression du combustible. Ce problème est également résolu par un procèdé du type o defini cidessus, caractérisé en ce qu'on utilise l'énergie de pression du combustible contenant de l'hydrogène pour fournir de l'énergie mecanique et/ou électrique. Selon l'invention, l'énergie de pression du combustible contenant l'hydrogène est utilisée pour fournir de l'énergie mécanique i5 et/ou électrique de sorte qu'à côté de l'exploitation d'énergie chimique du combustible contenant de l'hydrogène on utilise en plus son énergie sous forme de pression que l'on transforme en énergie mecanique et/ ou élec trique et on l'exploite de manière correspondante. Cela signifie que l'on récupère au moins en partie le travail de compression qu'il faut fournir pour mettre en pression l'hydrogène ou le combustible. Cela permet d'augmenter avantageusement le rendement global du système et ainsi d'arriver à une utilisation particulièrement efficace de l'énergie globale contenue dans le combustible. L'unité de conversion d'énergie de pression comprend de :5 manière préférentielle au moins un dispositif d'entraînement mecanique générant de l'énergie mécanique. Ce moyen permet une conversion aYan tageuse de l'énergie de pression en énergie mécanique selon l'invention. L'énergie mecanique peut être utilisce pour assurer différentes fonctions dans une installation à pile à combustible, une installation de combustion d'un véhicule ou dans des circonstances analogues. Selon un développement particulièrement avantageux de l'invention, l'unité d'exploitation de l'énergie de pression est installee dans le circuit allant du réservoir de combustible sous pression et le convertis seur d'énergie du combustible. Par une disposition appropriee on peut diminuer ou réguler la pression du réservoir de combustible à l'aide de l'unité d'exploitation d'énergie de pression de préférence à la pression de fonctionnement du convertisseur d'énergie du combustible, comme une unité à pile à combustible et/ou une installation de combustion. En même temps, l'énergie de pression ainsi libérée du combustible est convertie et utilisée selon l'invention. En variante ou en combinaison, selon une réalisation avantageuse de l'invention, on peut prévoir l'unité d'exploitation de s l'énergie de pression en aval du convertisseur d'énergie du combustible. Cela signifie que l'unité d'exploitation de l'énergie sous pression est prévue d'un côté exclusivement dans la direction d'écoulement, en aval du con- vertisseur de l'énergie du combustible ou d'autre part cela peut se faire à la fois dans la direction d'écoulement, en aval et en amont du convertis o seur d'énergie de combustible, le cas échéant à l'aide de deux ensembles , separes. L'installation en aval du convertisseur d'énergie du com- bustible permet d'utiliser avantageusement la différence de pression entre le niveau de pression de fonctionnement du convertisseur de combustible s jusqu'à la pression atmosphérique pour récupérer l'énergie de pression selon l'invention. Par exemple, dans le cas d'un réservoir de combustible sous pression qui est mis à une pression de l'ordre de 200 à 700 bars, on peut récupérer l'énergie de pression en amont du convertisseur d'énergie du combustible par réduction de la pression jusqu'à la pression de fonc tionnement du convertisseur d'énergie contenu dans le combustible à en- viron 1-3 bars, à l'aide d'un premier dispositif et un second dispositif, installé en aval du convertisseur d'énergie de combustible, l'unité d'exploitation de l'énergie de pression récupère l'énergie de pression lors de l'expansion à partir de cette pression de fonctionnement jusqu'à la s pression atmosphérique. De façon avantageuse, le dispositif d'entrâînement comporte au moins un générateur électrique pour générer de l'énergie électrique. De cette manière généralement on génère avantageusement de l'énergie électrique à l'aide de l'unité d'exploitation de l'énergie de pres sion selon l'invention. L'énergie électrique ainsi obtenue peut servir à dif- férentes applications. Par exemple, on peut alimenter au moins en partie les consommateurs d'énergie électrique d'un véhicule. De manière préférentielle, l'unité d'exploitation de l'énergie de pression comporte au moins un compresseur pour comprimer une au tre matière fonctionnelle du convertisseur de combustible. Avec cette va- riante de réalisation de l'invention, on exploite l'énergie de pression pour une autre matière de fonctionnement du convertisseur d'énergie de com- bustible. Une exploitation correspondante est surtout avantageuse dans s les convertisseurs d'énergie de combustible fonctionnant en surpression. Cette pression de fonctionnement ou surpression est générée à l'aide du compresseur selon l'invention pour appliquer la pression à l'autre matière fonctionnelle. Par une compensation (partielle) de l'énergie nécessaire à la mise en pression de l'une des matières fonctionnelles, l'utilisation de l'énergie de pression de l'autre matière peut augmenter globalement le rendement du système. Selon une variante particulière de l'invention, l'unité d' exploitation de l'énergie de pression comprend au moins un disp ositif de o couplage pour coupler le dispositif d'entraînement avec le compresseur. Par exemple, le dispositif de couplage est réalisable comme liaison électri- que et le générateur du dispositif d'entrâînement s'utilise notamment pour l'alimentation électrique du compresseur. En variante ou en combinaison, le dispositif de couplage s comporte au moins un arbre ou analogue. Un dispositif de couplage mé- canique consfftue un couplage particulièrement sûr et relativement simple à réaliser. En particulier, cela permet de réaliser une suralimentation pour l'autre matière fonctionnelle comme l'air, avec l'énergie de pression du combustible. o De manière avantageuse, le dispositif de couplage comporte au moins une unité de transmission pour adapter mécaniquement le compresseur au dispositif d'entraînement. À l'aide d'une unité de trans mission appropriée on peut notamment transformer une démultification mécanique c'est-à-dire une adaptation des vitesses de rotation entre le s dispositif d'entraînement et le compresseur. Cela peut être avantageux en particulier dans le cas d'un couplage mécanique direct et de composants, étant donné les flux massiques éventuellement très différents pour l'expansion du combustible et la compression d'un autre composant de fonctionnement. De manière préférentielle, pour garantir l'équilibre de puis sance au niveau du dispositif de couplage, on a le cas échéant un moyen d'entraînement électrique supplémentaire du compresseur, avantageuse ment réalisé par une roue libre du dispositif de couplage ou par un arbre correspondant en cas de travail d'expansion insuffisant du combustible. 3s De manière générale, l'unité d'exploitation de l'énergie de pression peut servir à l'expansion ou à la compression du combustible ou d'autres composants de fonctionnement comme l'air ou analogue et être constitué d'un compresseur à vis, à spirale et/ou à aube ou d'une turbine correspondante. Le cas échéant, on peut utiliser des composants du commerce ce qui permet une réalisation particulièrement économique de l'invention. De manière préférentielle, au moins dans l'absence de s l'écoulement, en amont du convertisseur d'énergie du combustible on a un élément réducteur de pression, séparé pour limiter la pression du com- bustible. À titre d'exemple, la réduction de la pression du réservoir sous pression de combustible se fait de la pression du réservoir jusqu'à la pres- sion de fonctionnement du convertisseur d'énergie de combustible, en o particulier la pile à combustible ou l'installation de combustion, de préfé- rence à l'aide d'une soupape réductrice de pression ou d'un moyen analo- gue. Un élément réducteur de pression, distinct, permet une régulation ou une réduction particulièrement exacte et relativement simple à réaliser pour la pression du combustible jusqu'à la pression de fonctionnement du 1S convertisseur d'énergie de combustible. Grâce à la réduction relativement fiable de la pression du réservoir jusqu'à la pression de fonctionnement à l'aide de l'élément réducteur de pression, séparé, on augmente la sécurité de l'unité fournissant le combustible de manière décisive en cas de per- turbation de l'unité d'exploitation de l'énergie de pression ou analogue. o De manière générale, l'unité d'exploitation d'énergie de pression peut être limitée à un étage, c'est-à-dire réduire la pression du réservoir à la pression de fonctionnement au cours d'une seule étape de procédé. En variante, en particulier dans des applications spéciales, on peut également prévoir une réduction de plusieurs étages ou étapes de la pression du réservoir jusqu'à la pression de fonctionnement. Dans cette dernière variante de l'invention, on prévoit avantageusement plusieurs étages d'expansion les uns à la suite les autres. En principe, une unité de chanffage appropriée ou un échangeur de chaleur permet d'éviter avantageusement un trop fort refroi so dissement du combustible dans l'unité d'exploitation de l'énergie de pres- sion ou dans les différents étages. Un échangeur de chaleur prévu le cas échéant est avanta- geusement réalisé pour recevoir la chaleur dégagée par l'unité à pile à combustible et, la fournir à l'installation de combustion et/ou un autre ss composant dégageant de la chaleur comme par exemple le reformeur ou dispositif analogue lui servant à chauffer le combustible. Dessins La présente invention sera décrite ci après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma par blocs d'un premier mode de réalisation selon l'invention comportant une pile à combustible, s - la figure 2 montre un schéma par bloc d'un autre mode de réalisation selon l'invention avec un moteur à combustion interne. Description des exemples de réalisation La figure l montre une installation à pile à combustible, comportant une pile à combustible 1 ou un empilage de piles à combusti o ble 1 et un réservoir sous pression 2 pour stocker l'hydrogène sous pres- sion. Il s'agit par exemple pour la pile à combustible 1, d'une pile à combustible PEM l recevant du côté de l'anode, de l'hydrogène venant du réservoir sous pression 2. Par réaction électrochimique entre l'hydrogène et l'oxygène, is on obtient du côté de la cathode, un flux d'air enrichi en eau. Pour un bi- lan neutre, de l'eau c'est-à-dire que l'eau 3 ne doit pas étre prélevée comme combustible d'un réservoir, on peut de nouveau condenser l'eau 3 formée et l'utiliser pour humidifier la membrane. Selon l'invention, la réduction de la pression du réservoir o sous pression 2 jusqu'à la pression de fonctionnement de la pile à com- bustible 1 se fait à l'aide d'une turbine 4 et d'une vanne de réduction de pression 5 prévue en option. Le courant électrique généré par la pile à combustible 1 est transformé en énergie motrice d'un véhicule non représenté notamment par un moteur électrique 6. Selon la figure 1, on augmente la pression de l'air 7 comme comburant à l'aide d'un compresseur 8 jusqu'à la pression de fonctionne- ment de la pile à combustible 1. Cette pression peut par exemple étre de l'ordre de 3 bars. De façon générale, la pile à combustible 1 peut égale so ment fonctionner à une pression amblante de 1 bar. Dans ce cas, il suffit d'un ventilateur 8 relativement simple ou d'un moyen analogue comme variante de réalisation du compresseur 8. Le fonctionnement de la pile à combustible 1 sous une pression relevoe à environ 3 bars permet avantageusement un rendement ss plus élevé de la pile à combustible et permet de séparer par condensation à partir du procédé pour disposer de suffisamment d'eau 3 pour assurer l'humidification. À l'aide d'une turbine 9, en aval de la pile à combustible 1 on peut en outre récupérer une partie du travail de compression du compresseur 8 par l'expansion à partir de la pression de fonctionnement jusqu'à la pression atmosphérique. En fonction des pressions appliquées ou existantes, on peut prévoir un couplage 10, 11 représenté, en traits interrompus, entre la tur bine 4, le compresseur 8 ou le ventilateur 8 et/ou la turbine 9. La turbine 9 est supprimée pour une pression de fonction- nement de la pile à combustible 1 égale à 1 bar. De manière préférentielle, le couplage 10 et/ou 11 se réalise mécaniquement notamment par un arbre. Cela signifie que le compres o seur 8 ou la turbine 4, 9 sont installés le cas échéant sur un arbre. En particulier pour garantir un équilibre des puissances, il n'est plus néces- saire comme cela est représenté, de prévoir sur le moyen de couplage mé- canique 10, 11 en cas de travail d'expansion insuffisant, un moteur électrique supplémentaire pour le compresseur 8, par une liaison en roue s libre avec l'arbre. Toutefois on peut également réaliser un découplage mé- canique total des composants 4, 8, 9 selon l'invention. Pour cela il est pré- vu un compresseur 8 à entramement électrique ainsi que la récupération en couplage du travail d'expansion des turbines 4, 9 par un générateur non détaillé, sous forme d'énergie électrique. o Du fait des niveaux de pression différents au moment de l'expansion notamment lorsqu'on passe d'une pression de 300 bars à une pression de 3 bars et pour la compression et surtout pour passer d'un ni veau de pression de 1 bar à celui de 3 bars et pour un débit massique re lativement faible d'hydrogène à partir de l'accumulateur de pression 3, il s faut prévoir plusieurs étages d'expansion, non représentés, qui sont ins- tallés les uns à la suite des autres. Avant tout dans le cas d'un couplage mécanique, 11 direct entre la turbine 4 et le compresseur 8, du fait des débits massiques diffé- rents pour l'expansion d'hydrogène et la compression de l'air il est avanta geux de prévoir une démultiplication mécanique c'est-à-dire une adaptation des vitesses de rotation du compresseur 8 et de la turbine 4 ou 9. D'une façon non représentée, surtout dans le cas d'une ex- pansion à plusieurs étages de l'hydrogène, on peut prévoir un réchauffage 3s intermédiaire de l'hydrogène gazeux alimentant la pile à combustible 1, notamment grâce à un échangeur de chaleur pour utiliser la chaleur dé- gagée par la pile à combustible. La vanne 5 assure que méme par une perturbation ou un fonctionnement non correct de la turbine 4, on évite de manière fiable une réduction de la pression d'accumulation à la pression de fonctionnement de la pile à combustible 1 pour éviter les détériorations génantes qui cor respondent. s La figure 2 montre un autre mode de réalisation de l'invention comprenant un moteur à combustion interne 12. Le moteur à combustion interne 12 nécessite pour son fonctionnement à la fois de l'hydrogène et de l'air 7. Les composants analogues ou comparables à ceux de la figure 1 portent les mémes références à la figure 2. o Selon la figure 2, de l'hydrogène est fourni par la turbine 4 et la vanne 5, du réservoir sous pression 2 au moteur à piston alternatif 12 pour étre brulé avec l'air 7. La charge en air 7 est assurée par la tur bine 9 ou le compresseur 8 et conduit à une combustion particulièrement propre et à une consommation de combustible relativement réduite. Cette charge peut se faire ou se soutenir le cas échéant par le couplage 11 avec la turbine 4. Selon l'invention, la turbine 4 utilise le travail d'expansion de l'hydrogène stocké dans le réservoir accumulateur 2. De plus on peut avoir un couplage mécanique et/ou électrique 10, 11 des composants 4, 8, 9 selon les réalisations de la figure 1. : t R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Unité d'approvisionnement en combustible, pour fournir un combusti- ble contenant de l'hydrogène à un convertisseur d'énergie du combustible ( 1, 12) pour la transformation chimique et la conversion d'énergie du combustible, comprenant un accumulateur de combustible sous pression (2) pour le stockage du combustible mis en pression, caractérisce en ce qu' il est prévu au moins une unité séparée pour l'exploitation de l'énergie de pression (4, 8, 9) pour convertir et exploiter l'énergie de pression du com- bustible. 2 ) Unité selon la revendication 1, caractérisce en ce que l'unité d'exploitation d'énergie de pression (4, 8, 9) comporte au moins un dispositif d'entraînement mécanique générant de l'énergie mécanique. 3 ) Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'unité d'exploitation d'énergie de pression (4, 8, 9) est installée dans le passage du flux entre l'accumulateur de pression de combustible (2) et le convertisseur d'énergie du combustible (1, 12). 4 ) Unité selon la revendication 1, caractérisoe en ce que l'unité d'exploitation d'énergie de pression (4, 8, 9) est installée en aval du convertisseur d'énergie du combustible (1,12) dans le sens de passage des courants. ) Unité selon la revendication 2, caractérisce en ce qu' au moins un générateur électrique fournissant de l'énergie électrique est relié au dispositif d'entraînement. 6 ) Unité selon la revendication 1, caractérisce en ce que l'unité d'exploitation d'énergie de pression (4, 8, 9) comporte au moins un compresseur (8) pour comprimer une autre matière fonctionnelle (7) du convertisseur d'énergie de combustible (1,12). 7 ) Unité selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'unité d'exploitation d'énergie de pression (4, 8, 9) comprend au moins un dispositif de couplage (10, 11) pour coupler le dispositif d'entraînement au compresseur (8). 8 ) Unité selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif de couplage (10, 11) est réalisé comme dispositif de couplage mécanique ( 10, 11). 9 ) Unité selon la revendication 7, caractérisce en ce que le dispositif de couplage (10, 11) comporte au moins une unité de trans- mission pour adapter mécaniquement le compresseur (8) au dispositif d'entraînement. ) Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' o au moins dans le sens de passage en amont du convertisseur d'énergie de combustible (1, 12) on a un élément réducteur de pression (5), séparé pour limiter la pression du combustible. 11 ) Installation de pile à combustible comportant une unité d'approvisionnement en combustible pour fournir du combustible conte- nant de l'hydrogène, un accumulateur de pression de combustible (2) pour stocRer le combustible contenant de l'hydrogène et qui est mis en pression ainsi qu'une unité à pile combustible (1) comme convertisseur d'énergie de combustible ( 1, 12) pour la transformation chimique et la conversion d'énergie du combustible, caractérisée en ce que l'unité d'approvisionnement en combustible est une unité selon l'une des revendications précédentes. 12 ) Installation de combustion comportant une unité d'approvisionnement en combustible pour fournir un combustible conte- nant de l'hydrogène, un accumulateur de combustible sous pression (2) pour stocRer le combustible contenant de l'hydrogène, mis en pression et 2831919: une installation de combustion (12) notamment un moteur à combustion interne (12) comme convertisseur d'énergie de combustible (1, 12) pour la transformation chimique et la conversion d'énergie du combustible, caractérisée en ce que s l'unité d'approvisionnement en combustible est une unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 1O. 13 ) Véhicule équipé d'une unité d'approvisionnement en combustible pour fournir un combustible contenant de l'hydrogène, ayant un accu o mulateur de combustible sous pression (2) pour stocker le combustible contenant de l'hydrogène, mis en pression, et comprenant une unité de pile à combustible (11) et/ou une installation de combustion (12) notam- ment un moteur à combustion interne (12) comme convertisseur d'énergie du combustible ( 1, 12) pour transformer chimiquement et convertir l'énergie du combustible, caractérisé en ce que l'unité d'approvisionnement du combustible est une unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 1O. 14 ) Procédé pour fournir du combustible contenant de l'hydrogène à une unité à pile à combustible et/ou une installation de combustion (12) no- tamment un moteur à combustion interne (12) comme convertisseur d'énergie de combustible ( 1, 12) pour transformer chimiquement et convertir l'énergie du combustible avec une unité d'approvisionnement en combustible ainsi qu'un accumulateur de combustible sous pression (2) pour stocker le combustible contenant de l'hydrogène, mis en pression, caractérisé en ce qu' on utilise l'énergie de pression du combustible contenant de l'hydrogène pour fournir de l'énergie mécanique et/ou électrique. ) Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu' on utilise une unité d'approvisionnement en combustible selon l'une quel