Brevet FR2833761A1 — publié le 20030620

Dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible et véhicule comportant un tel dispositif L'invention se rapporte à un dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible ainsi qu'à un véhicule comportant un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible comprenant une cathode destinée à être alimentée en comburant et une anode destinée à être alimentée en carburant pour générer un courant électrique à partir d'une réaction chimique entre le carburant et le comburant. Classiquement, les effluents anodique et cathodique, c'est-à-dire les gaz aval à la sortie de la pile, sont traités pour optimiser le rendement énergétique de la pile et également pour assurer une récupération d'eau en vue de sa réutilisation par le système. Ainsi, des moyens de traitement sont prévus pour refroidir l'un au moins des flux aval et récupérer au moins une partie de l'eau contenue dans ce ou ces flux. Les moyens de traitement peuvent comporter un brûleur catalytique assurant une combustion de l'hydrogène en surplus dans le flux anodique aval. L'énergie générée par cette combustion peut être réutilisée par le système, par exemple au moyens d'un ou plusieurs échangeurs de chaleur. Par ailleurs, pour éviter des pertes d'eau, on cherche à minimiser la quantité d'eau sortant par les gaz d'échappement de la pile. Pour ce faire, il est connu d'utiliser un condenseur sur l'un au moins des flux aval, pour diminuer la température du ou des flux. En effet, la température en fin de condensation détermine la pression de vapeur saturante du gaz aval à la sortie du condenseur. Cette pression de vapeur saturante détermine alors la masse d'eau vapeur par unité de masse de gaz sortant du système transporté dans les gaz d'échappement. Ces systèmes connus de donnent pas entière satisfaction. En effet, on constate notamment que ces derniers ne récupèrent pas une quantité d'eau suffisante dans les gaz aval. En particulier, on constate que le condenseur situé sur le flux cathodique aval augmente considérablement la perte de charge sur le trajet du flux, sans pour autant assurer un refroidissement satisfaisant. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que les moyens de traitement comportent des premiers moyens de séparation de phase liquide/gaz et un premier système de refroidissement/condensation disposés sur le flux cathodique aval, et en ce que les premiers moyens de séparation de phase sont disposés en amont du premier système de refroidissement/condensation. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les moyens de traitement comportent des seconds moyens de séparation de phase liquide/gaz sur le flux cathodique aval, disposés en aval du premier système de refroidissement/condensation, - les moyens de traitement comportent des troisièmes moyens de séparation de phase liquide/gaz et un second système de refroidissement/condensation disposés sur le flux gazeux anodique aval, - le premier système de refroidissement/condensation est constitué d'un échangeur de chaleur apte à mettre le gaz cathodique aval en échange thermique avec l'air, - le premier système de refroidissement/condensation est constitué d'un échangeur de chaleur apte à mettre le gaz cathodique aval en échange thermique avec un liquide caloporteur d'un circuit de refroidissement, - l'un au moins des moyens de séparation de phase liquide/gaz est relié à un réservoir de récupération de liquide via au moins un conduit comportant des moyens anti-retour pour empêcher la remontée de liquide depuis le réservoir ou le conduit vers les moyens de séparation, - le dispositif comporte au moins une pompe située sur un conduit reliant au moins l'un des moyens de séparation de phase liquide/gaz au réservoir, la ou les pompes étant pilotée par des moyens de commande en fonction d'une mesure du niveau de liquide dans l'un au moins des moyens de séparation de phase et/ou en fonction du régime de fonctionnement du dispositif de génération d'électricité, - le dispositif comporte un ventilateur ou pulseur associé à l'échangeur de chaleur, apte à accroître l'échange thermique du flux aval avec l'air, - le fonctionnement du ventilateur est piloté par des moyens de commande en fonction de la mesure de la température du flux cathodique aval à la sortie ou à l'entrée de l'échangeur, - les premiers et seconds moyens de séparation de phase sont reliés au réservoir par un conduit d'évacuation commun, et en ce que les moyens anti-retour comportent deux clapets disposés sur le conduit commun au niveau respectivement des sorties de liquide des premiers et seconds moyens de séparation, les deux clapets étant tarés relativement pour empêcher au flux cathodique aval de court-circuiter le premier système de refroidissement via le conduit commun, - les deux clapets ont une différence de tarage sensiblement égale à la différence de pression maximale entre d'une part la ligne de trajet du flux aval via le premier système de refroidissement et, d'autre part, via le conduit commun. - les altitudes relatives d'une part des entrées et sorties des moyens de séparation de phase et, d'autre part, des entrées et sorties des systèmes de refroidissement/condensation ainsi que les chemins de circulations des gaz dans ces derniers sont déterminées pour assurer un écoulement continu de liquide sans accumulation dans ces systèmes de refroidissement/condensation. Un autre but de l'invention est de proposer un véhicule comportant un dispositif de génération d'électricité conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif de génération d'électricité à pile à combustible de type connu, - la figure 2 représente de façon synoptique la structure et le fonctionnement d'un dispositif génération d'électricité à pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente de façon synoptique la structure et le fonctionnement d'un dispositif de génération d'électricité à pile à combustible selon un second mode de réalisation de l'invention. En se référant à présent à la figure 1, le dispositif de génération d'électricité à pile à combustible de type connu comprend une cathode C destinée à être alimentée en comburant 21 (oxygène de l'air) et une anode A destinée à être alimentée en carburant 2 (hydrogène), pour générer un courant électrique à partir d'une réaction chimique entre le carburant 21 et le comburant 2. Classiquement, le comburant 21 peut être compressé dans un compresseur 24 puis refroidi et/ou humidifié dans un organe de conditionnement 25 en amont de la cathode C. Le carburant délivré à l'anode A peut provenir quant à lui d'un réservoir 26 d'hydrogène pur, ou d'un reformeur d'un carburant hydrogéné. L'énergie électrique produite par la réaction de la synthèse de l'eau entre la cathode C et l'anode A (selon la formule : H2+1/202H2O) peut être utilisée, par exemple, pour assurer l'entraînement d'une chaîne de traction électrique 27 d'un véhicule. Par ailleurs, un circuit de fluide frigorigène 29 peut être prévu pour refroidir la pile à combustible. Les effluents 5,6 des anode A et cathode C, c'est à dire les gaz en aval de la pile 1, sont envoyés à la sortie de la pile 1 vers des moyens de traitements 3,4 respectifs. La figure 2 illustre un dispositif de génération d'électricité comportant une pile à combustible selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Par soucis de simplification, certains des constituants décrits en référence à la figure 1 n'ont pas été représentés à la figure 2. Par ailleurs, les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques. Le dispositif 1 comprend une anode A alimentée en carburant 2 et une cathode C alimentée en comburant 21. Les moyens 3,4 de traitement des flux aval respectivement cathodique 5 et anodique 6 selon l'invention vont à présent être décrits plus en détail. Selon l'invention, les moyens de traitement des flux aval comportent des premiers moyens 7 de séparation de phase liquide/gaz et un premier système 8 de refroidissement/condensation disposés sur le flux 5 cathodique aval. Les premiers moyens 7 de séparation de phase sont disposés en amont du premier système 8 de refroidissement/condensation. Les premiers moyens 7 de séparation de phase liquide/gaz sont constitués, par exemple, d'une bouteille de décantation de type connu assurant une séparation des phases liquide et gazeuses dans le flux 5 cathodique aval. A la sortie de la première bouteille 7 de décantation, le flux gazeux débarrassé de tout ou partie de son liquide, pénètre dans le premier système 8 de refroidissement/condensation constitué, par exemple, d'un échangeur de chaleur gaz/air. Le gaz cathodique aval débarrassé de son eau est alors refroidi par échange thermique avec l'air. On constate que la condensation du gaz dans l'échangeur 8 selon l'invention se trouve nettement améliorée par rapport aux systèmes de l'art antérieur. En effet, la séparation de phase avant l'entrée dans l'échangeur 8, permet d'assurer un meilleur échange thermique entre le gaz cathodique aval et l'air. En minimisant ainsi la quantité de liquide admise dans l'échangeur 8, on minimise l'échange thermique liquide/l'air qui se fait au détriment de l'échange thermique gaz/gaz. Par ailleurs, on constate que la séparation de phase avant l'entrée dans l'échangeur 8 diminue de façon significative les pertes de charges dans l'échangeur 8 et améliore le fonctionnement global du système. Le dispositif 1 peut comporter des seconds moyens 9 de séparation de phase liquide/gaz tel qu'une bouteille de décantation disposée en aval de l'échangeur 8. Cette seconde séparation de phase assure une récupération optimale de l'eau dans le flux cathodique aval 5 avant son entrée dans un système 30 de post utilisation. Le système 30 de post utilisation peut consister en un brûleur catalytique qui va utiliser l'oxygène résiduel lors d'une combustion. Le flux anodique aval 6 est envoyé quant à lui directement dans un second système 11 de refroidissement/condensation tel qu'un échangeur de chaleur gaz/air. A la sortie du second échangeur 11, le gaz anodique aval refroidi peut être envoyé dans un troisième moyen 10 de séparation de phase liquide/gaz, constitué par exemple d'une bouteille de décantation de type connu. Le gaz anodique aval 6 sortant de la troisième bouteille 10 de décantation peut ensuite être envoyé vers des moyens 31 de post traitement du flux anodique, tel qu'un brûleur catalytique. Avantageusement, le dispositif peut comporter un ventilateur ou pulseur 20 associé au premier 8 et éventuellement au second 11 échangeur de chaleur, et apte à accroître les échanges thermiques entre les flux aval 5,6 et l'air Le ventilateur 20 est piloté par des moyens 22 de commande en fonction, par exemple, de la mesure 23 de la température du flux cathodique aval à la sortie ou à l'entrée du premier 8 échangeur. Le fonctionnement du ventilateur 20 peut ainsi fournir un appoint de refroidissement, en particulier lorsque l'échange thermique dans le ou les échangeurs 8, 11 n'est pas suffisant. La régulation du refroidissement en fonction d'une température de gaz aval permet une condensation suffisante d'eau par rapport aux besoins de recyclage de l'eau dans le dispositif. Dans le cas où le dispositif est utilisé dans un véhicule, le ventilateur 20 peut notamment être avantageux lorsque la vitesse du véhicule n'est pas suffisante pour générer un écoulement d'air suffisant sur les échangeurs 8,11. Les première 7, seconde 9 et troisième 10 bouteilles de décantation sont reliées par des conduits 14,15 à un réservoir 13 de récupération de liquide (eau). Les conduits 14, 15 d'amenée du liquide comportent, à la sortie de chaque bouteille 7, 9,10, un moyen anti-retour respectif 16,17, 28. Les moyens 16, 17, 28 anti-retour sont constitués, par exemple, de clapets connus, prévus pour empêcher la remontée de liquide depuis le réservoir 13 ou les conduits 14, 15 vers les bouteilles 7,9, 10 de séparation. Le conduit commun 15 qui reçoit l'eau de chacune des bouteilles 7,9, 10 peut comporter une électrovanne 32 et une pompe 36 prévues pour piloter les écoulements de liquide vers le réservoir 13. En particulier, l'électrovanne 32 peut être conformée pour ne permettre l'écoulement de la troisième bouteille 10 vers le réservoir 13 que si le niveau de liquide dans cette bouteille est supérieur à un seuil déterminé. De même, la pompe 36 peut être pilotée par des moyens de commande 19 en fonction des mesures 38, 17 de niveau des liquides dans respectivement les premières 7 et seconde 9 bouteilles. 1 De cette façon, les bouteilles 7,9, 10 sont purgées régulièrement et donc toujours aptes à séparer le liquide du gaz avec un bon rendement. De plus, en empêche également tout risque de passage de gaz d'une bouteille 7,9, 10 vers le circuit de liquide. En variante (ou en combinaison), la pompe 36 peut être pilotée à une fréquence de mise en route indexée sur des conditions de fonctionnement du dispositif 1, comme par exemple la température et/ou le régime de fonctionnement de la pile. Dans le cas où les première 7 et seconde 9 bouteilles de décantation sont reliées par un conduit 14 d'évacuation commun, les deux clapets anti-retour 16, 28 correspondants sont tarés relativement pour empêcher au flux cathodique aval 5 de court-circuiter le premier échangeur 8 via le conduit 14 commun. Par exemple, les deux clapets 16,28 ont une différence de tarage sensiblement égale à la différence de pression maximale possible entre d'une part la ligne de trajet du flux aval via le premier échangeur 8 et, d'autre part, via le conduit 14 commun. On constate donc aisément que le dispositif selon l'invention, tout en étant de structure simple, permet une récupération d'eau avec un rendement élevé et dans des conditions de sécurité très satisfaisantes. La gestion des flux aval 5, 6 de façon séparée pour l'anode A et la cathode C permet notamment de garantir les conditions de sécurité du dispositif. De plus, le dispositif selon l'invention présente une grande compacité, qui peut encore être améliorée en fixant l'un à l'autre les deux échangeurs 8, 11. De la même façon, les deuxième 9 et troisième 10 bouteilles de décantation peuvent être fixées l'une à l'autre pour former un ensemble monobloc compact. En outre, les altitudes relatives des entrées et sorties des condenseurs et bouteilles de décantation sont choisies pour permettre l'écoulement continu de l'eau sans accumulation dans les condenseurs. C'est à dire que les entrées et sorties des condenseurs, ainsi que le chemin de circulation des gaz dans ces derniers sont disposés au-dessus des réservoirs de liquide récupérés. La figure 3 représente une variante de réalisation de l'invention sensiblement identique à celle décrite ci-dessus. Par soucis de simplification les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques. Le dispositif de la figure 3 se distingue de celui de la figure 1 uniquement par le fait que les premier 18 et second 11 échangeurs de chaleur sont constitués chacun d'un échangeur gaz/liquide. Chacun des échangeurs 18, 41 est apte à mettre en échange thermique le flux aval 5,6 avec un liquide frigorigène froid provenant, par exemple d'un circuit 12 de climatisation. De préférence, le débit de fluide frigorigène dans l'échangeur 18 est commandé de la même façon que le ventilateur 20 du mode de réalisation précédent, c'est-à-dire en fonction d'une mesure de la température du flux cathodique aval à la sortie ou à l'entrée du premier 28 échangeur. Le débit du fluide frigorigène dans l'échangeur peut également être commandé en fonction des conditions de fonctionnement de la pile tel que le régime de cette dernière. REVENDICATIONS 1. Dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible (1) comprenant une cathode (C) destinée à être alimentée en comburant (21) et une anode (A) destinée à être alimentée en carburant (2) pour générer un courant électrique à partir d'une réaction chimique entre le carburant (21) et le comburant (2), des moyens (3,4) de traitement des flux (5,6) en aval respectivement de la cathode (C) et de l'anode (A) conformés pour refroidir l'un au moins des flux (5,6) aval et récupérer au moins une partie de l'eau contenue dans ce ou ces flux (5,6), caractérisé en ce que les moyens (3,4) de traitement comportent des premiers moyens (7) de séparation de phase liquide/gaz et un premier système (8) de refroidissement/condensation disposés sur le flux (5) cathodique aval, et en ce que les premiers moyens (7) de séparation de phase sont disposés en amont du premier système (8) de refroidissement/condensation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (3,4) de traitement comportent des seconds moyens (9) de séparation de phase liquide/gaz sur le flux (5) cathodique aval, disposés en aval du premier système (8) de refroidissement/condensation. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (3,4) de traitement comportent des troisièmes moyens (10) de séparation de phase liquide/gaz et un second système (11) de refroidissement/condensation disposés sur le flux (5) gazeux anodique aval. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier système (8) de refroidissement/condensation est constitué d'un échangeur de chaleur apte à mettre le gaz cathodique aval (5) en échange thermique avec l'air. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier système de refroidissement/condensation est constitué d'un échangeur de chaleur (18) apte à mettre le gaz cathodique aval (5) en échange thermique avec un liquide caloporteur d'un circuit (12) de refroidissement. 6. Dispositif selon les revendications 1 à 3 prises en combinaison, caractérisé en ce que l'un au moins des moyens (7,9, 10) de séparation de phase liquide/gaz est relié à un réservoir (13) de récupération de liquide via au moins un conduit (14,15) comportant des moyens (16,17, 28) antiretour pour empêcher la remontée de liquide depuis le réservoir (13) ou le conduit (14,15) vers les moyens (7,9, 10) de séparation. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pompe (36) située sur un conduit (14, 15) reliant au moins l'un des moyens (7,9, 10) de séparation de phase liquide/gaz au réservoir (13), la ou les pompes (36) étant pilotée par des moyens de commande (19) en fonction d'une mesure (17, 38) du niveau de liquide dans l'un au moins des moyens (7,9, 10) de séparation de phase et/ou en fonction du régime de fonctionnement du dispositif de génération d'électricité. 8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un ventilateur ou pulseur (20) associé à l'échangeur de chaleur (8), apte à accroître l'échange thermique du flux (5) aval avec l'air. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fonctionnement du ventilateur (20) est piloté par des moyens (22) de commande en fonction de la mesure (23) de la température du flux (5) cathodique aval à la sortie ou à l'entrée de l'échangeur (8). 10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les premiers (7) et seconds (9) moyens de séparation de phase sont reliés au réservoir (13) par un conduit (14) d'évacuation commun, et en ce que les moyens anti-retour comportent deux clapets (16, 28) disposés sur le conduit (14) commun au niveau respectivement des sorties de liquide des premiers (7) et seconds (9) moyens de séparation, les deux clapets (16,28) étant tarés relativement pour empêcher au flux (5) cathodique aval de court-circuiter le premier système (8, 18) de refroidissement via le conduit (14) commun. 11. Dispositif selon les revendications 1 à 3 prises en combinaison, caractérisé en ce que les altitudes relatives d'une part des entrées et sorties des moyens de séparation de phase et, d'autre part, des entrées et sorties des systèmes (8, 11) de refroidissement/condensation ainsi que des chemins de circulations des gaz dans ces derniers sont déterminées pour assurer un écoulement continu de liquide sans accumulation dans les systèmes de refroidissement/condensation. 12. Véhicule caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de génération d'électricité conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.