Brevet FR2837810A1 — publié le 20031003

pression de pilotage Domaine de l' invention La présente invention concerne un dispositif pour reformer une veine de matière contenant des hydrocarbures pour donner une veine de fluide enrichie en hydrogène, comportant un dispositif de chanffage s pour générer une veine de chauffage, la veine de matière étant transfor- mée dans une première unité de reformage et dans une seconde unité de reformage en aval de la première pour donner une veine de fluide enrichie en hydrogène, ainsi qu'un premier élément chauffant traversé par la veine de chauffage pour chauffer au moins l'une des deux unités de reformage. o Etat de la technique Les piles à combustible sont des convertisseurs ou réac- teurs électrochimiques transformant de l'énergie chimique en énergie électrique. Dans de nombreux cas on utilise un combustible enrichi en hydrogène pour les piles à combustible, à partir d'hydrocarbures tels que le gaz naturel, l'essence, le gas-oil, le méthanol ou produits analogues. Pour cela il faut un dispositif approprié pour convertir les hydrocarbures d'une matière enrichie en hydrogène. La transformation se fait par exemple par reformage ou re- formage à la vapeur. Le reformage d'hydrocarbures se fait de manière gé o nérale de façon endothermique. L'apport de chaleur de réaction est assuré habituellement par un brûleur. Une veine de gaz chaud créée à cet effet ou fumée chaude peut servir à préchauffer la veine de matière dans un pre- mier étage ou dans l'unité de reformage; le cas échéant on effectue déjà un reformage au moins partiel du flux de matière dans cet étage. s En outre on peut utiliser notamrnent le flux de chauffage ou les fumées du brûleur ainsi que le rayonnement thermique du brûleur pour chauffer un second étage plus chaud ou étage de réaction du réfor meur. Les réformeurs à vapeur à deux étages, connus selon le do cument B. Voger: " Hydrogen Generation Technologies for PEM Fuel Cells " conférence sur les piles à combustible, Palm Springs, Nov. 1998, prévoient déjà d'utiliser les fumées d'un brûleur à la fois pour préchauffer l'éduit et pour chauffer l'étage de réaction. Un échangeur de chaleur est installé en plus du réformeur pour utiliser la chaleur résiduelle des fu mées. L' inc o nvénient du réfo rme ur à vap eur e st toutefo is qu e la fumée passe également sur le côté de la zone de réaction à l'opposé du brûleur ou le second étage selon un passage à courant parallèle par rap port à la veine de l'éduit de sorte qu'entre autres, du fait du préchauffage de l'éduit, des fumées refroidies sont en contact de chauffage avec la zone chaude du réacteur. Cela peut aboutir à un transfert de chaleur non voulu, gênant de l'étage de réaction vers les fumées ce qui influence de s manière négative le reformage de la veine de matière dans cet étage de réaction. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispositif de reformage du type défini ci-dessus offrant vis-à-vis de l'état de la tech o nique un meilleur rendement systématique tout en évitant de manière effi cace le refroidissement gênant de la seconde unité de reformage. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'au moins dans une phase de fonctionne s ment, la veine de chauffage passe sur la seconde unité de reformage tota lement à contre-courant par rapport à la veine de matière. L'invention permet d'améliorer le transfert de chaleur de la veine de chauffage relativement chaude vers la seconde unité de refor mage. En même temps on évite efficacement le refroidissement de la zone o relativement ch au de de la s e c o nde unité de reformage ce qui améliore en particulier de manière décisive le rendement systématique du dispositif. Selon une variante avantageuse de l'invention, au moins dans une phase de chauffage, la veine de chauffage circule totalement à contre-courant par rapport à la première et la seconde unité de reformage. s Cela permet d'améliorer en plus le transfert de chaleur de la veine de chauffage relativement chaude vers la veine de matière le cas échéant re lativement plus froide ou la veine d'éduit. On a ainsi une utilisation très améliorée de l'énergie calorifique de la veine de chauffage pour chauffer la veine de matière. Selon un développement particulièrement avantageux de l'invention il est prévu au moins un second élément chauffant traversé par la veine de chauffage pour réchauffer l'une des deux unités de reformage au cours d'une phase de démarrage. Ce moyen permet avantageusement d'assurer en particulier un réchauffage rapide d'au moins l'une des deux ss unités de reformage notamment de la seconde unité de reformage ou étage du réacteur au cours d'une phase de démarrage ou de démarrage à froid. Par exemple le premier élément chauffant est prévu d'un côté de l'une des deux unités de reformage et le second élément chauffant est prévu sur un côté opposé à ce côté dans l'une des deux unités de re- formage. Cela p ermet avantageu sement d' augmenter la surface d'échange de chaleur et d'améliorer ainsi le transfert de chaleur de la s veine de chanffage à la veine de matière. En principe on peut améliorer le transfert de chaleur en augmentant la surface d'échange de chaleur par un profil approprié ou des moyens adéquats. Le cas échéant on utilise en particulier de façon avantageuse une matière de transfert de chaleur. o Le second élément chauffant est prévu avantageusement entre les deux unités de reformage. Cela permet en phase de démarrage d'assurer un réchanffage particulièrement rapide des deux unités de re formage sans nécessiter des moyens importants. De façon avantageuse un oriflce d'entrée et/ou de sortie du s premier et/ou du second élément chauffant comporte au moins un élé ment de dosage pour doser la veine de chauffage. A l'aide d'un élément de dosage approprié on peut en particulier selon l'état de fonctionnement respectif c'est-à-dire par exemple pour la phase de fonctionnement cas échéant comme volet soupape ou moyen analogue. De manière préférentielle, il est prévu au moins une unité de commande pour l'élément de dosage. Le cas échéant, par exemple en commutant l'élément de dosage en particulier par une ouverture ou une fermeture complète de l'ouverture d'entrée et/ou de sortie on peut réduire et éviter efficacement le passage d' au moins l'un ou le cas échéant des deux éléments chauffants. Le transfert de chaleur par l'élément chauffant correspondant peut le cas échéant être fermé. L'élément chauffant est de prétérence réalisé comme élé ment d'isolation au moins pendant la phase de fonctionnement. Par exemple en fermant l'orifice d'entrée et/ou de sortie du second élément chauffant qui se trouve de préférence entre les deux unités de reformage on réalise une séparation thermique avantageuse des deux unités de re 3s formage. Ainsi surtout pendant la phase de fonctionnement on évitera dans une très large mesure un transfert de chaleur significatif de la se conde unité de reformage ou en particulier la zone chaude du réacteur vers la première unité de reformage sensiblement plus froide ou étage de préchauffage et/ou vers la veine de chauffage le cas échéant refroidie. De façon générale l'une ou les deux unités de reformage peut comporter une matière catalytiquement active pour réformer avanta s geusement la veine de matière. Le cas échéant, les deux unités de refor- mage contiennent des matières à activité catalytique différentes. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, les deux unités de reformage et/ou les deux éléments chauffants sont instal- lés d'une manière pratiquement coaxiale. On obtient ainsi une construc o tion relativement compacte. Le dispositif de chauffage est prévu pratiquement coaxiale- ment par rapport aux unités de reformage et/ou aux éléments chauffants. Ce moyen permet d'utiliser avantageusement l'énergie calorifique du dis- positif de chauffage. s De façon avantageuse, le dispositif de chauffage est installé dans l'environnement de la seconde unité de reformage relativement chaude. Ainsi la seconde unité de reformage prend l'énergie calorifique du dispositif de chauffage à la fois par conduction thermique et par rayonne ment thermique. o Selon une variante avantageuse de l'invention, le dispositif de chauffage est installé d'une manière pratiquement centrale par rapport aux unités de reformage et/ou aux éléments chauffants. Cela se traduit par une construction particulièrement compacte et ainsi par une déperdi tion calorifique relativement réduite selon l'invention. On aura de plus une distribution particulièrement régulière de la température sur la section du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention présente notamment une construction cylindrique avec un dispositif de chauffage extérieur ou inté rieur. De manière avantageuse un dispositif selon l'invention no tamment un reformeur à la vapeur équipe une installation de pile à com bustible pour exploiter l'énergie de la veine de fluide enrichie en hydrogène. Le cas échéant entre le dispositif selon l'invention et l'installation de pile à combustible, on aura une ou plusieurs unités de 3s préparation pour fournir la veine de fluide. De telles installations de pile à combustible pouvant s'utiliser par exemple dans les véhicules automobi les, dans les installations de cogénération force/chaleur ou les installa tions analogues. s Dessin La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans l'unique fi gure annexée. L'unique figure est une section schématique d'un reformeur cylindrique selon l'invention. Description de l'exemple de réalisation Selon la figure, un reformeur à la vapeur à deux étages comporte un premier étage 2 et un second étage 3 ou réacteur 3. Pour ré o chauffer le reformeur à la vapeur 1 il est prévu un brûleur 5 installé de façon pratiquement centrale dans le reformeur à la vapeur 1 de forme cy lindrique. Le brûleur 5 brûle par exemple du gaz naturel 7 ou un com bustible analogue par voie catalytique. Les fumées ou gaz de combustion 6 sont utilisés pour chauffer les deux étages de réformeur 2, 3. i5 Selon l'invention, les fumées 6 passent dans les conditions de fonctionnement. étage de réaction 3 on a la chambre de fumée 8a. o Dans le premier étage 2 on préchauffe la veine d'éduit 4. Cette veine peut contenir le cas échéant une matière à activité catalytique pour assurer une première réaction préalable de conversion des éduits 4. Dans la zone de la chambre de fumée 8b, le transfert de chaleur entre les fumées 6 et la veine d'éduit 4 se fait principalement par s conductivité thermique. Selon l'invention on a ainsi un échange totale ment à contre réaction entre la veine de fumée 6 et la veine d'éduit 4. L'énergie thermique du brûleur 5 est transmise au second étage de réformeur 3 plus chaud au niveau de la chambre de fumée 8a à la fois par rayonnement thermique et par conduction thermique à la veine d'éduit 4 de sorte que l'on aura ainsi en particulier le reformage à la va peur endothermique de la veine d'éduit 4 contenant des hydrocarbures y compris éventuellement des produits intermédiaires dégagés dans le pre mier étage 2. De façon générale, le second étage de reformage 3 contient la matière catalytiquement active, non représentée. Au cours d'une phase de démarrage ou phase de démarrage à froid on peut conduire la veine de fumée 6 dans un intervalle 9. La veine de fumée 6 peut alors être divisce par exemple en une veine partielle 6a et une veine partielle 6b de fumée. Pendant cet état de fonctionnement parti culier au moins la seconde unité de reformage 3 ou le second étage de réacteur 3 fonctionne au moins en partie à courant parallèle c'est-à-dire que la veine partielle de fumée 6a et la veine d'éduit 4 ctrculent dans la même direction. En même temps le premier étage de réacteur 2 fonctionne à la fois avec la veine partielle de fumée 6a et avec la veine partielle de fu mée 6b à contre-courant par rapport à la veine d'éduit 4. Selon l'invention, l'intervalle 9 augmente de manière déci sive la surface d'échange de chaleur ce qui permet un réchauffage parti o culièrement rapide du réformeur 1 en phase de démarrage à froid. De façon correspondante on réduit considérablement le temps de réchauffage du réformeur 1. Dans la phase de fonctionnement N normale >> on fait fonc tionner le réformeur 1 pour qu'au niveau de l'orifice de sortie 11 traversé i5 par la veine partielle de fumée 6a quittant le réformeur 1, on a un volet non détaillé pour fermer l'orifice de sortie 11. Le volet est commandé par une unité de commande. Cette unité peut détecter la température de fonctionnement du reformeur 1 notamment avec des capteurs de tempé rature. En variante on peut également fermer le volet non représenté en détail dans la zone d'orifice de sortie 11 après une durée prédéterminée par l'unité de commande. Dans la phase de fonctionnement , les fumées 6a retenues dans l'intervalle 9 forment une couche d'isolation thermique en tre les étages de réacteur 2 et 3. Cela assure avantageusement une sépa ration thermique de la chambre 3 relativement chaude vers la chambre 2 relativement froide du reformeur 1. En variante ou en combinaison on peut prévoir un volet, une soupape ou un moyen analogue au niveau de l'orifice d'entrce 12 de l'intervalle 9. En particulier pendant la phase de fonctionnement so " normale >' on peut également réaliser une couche d'isolation thermique 9 avec un volet fermé au niveau de l'orifice d'entrée 12. Le reformat 10 sortant du reformeur 1 peut être fourni par exemple d'une manière non représentée à une installation de pile à com bustible pour générer de l'énergie électrique. Le reformage à la vapeur se fait de préférence à des tempé ratures d' environ 800 C et le brûleur 5 génère des temp ératures compri ses entre 1000 et 1200 C ce qui permet d'éviter dans une très large mesure le développement d'oxyde d'azote NOx, gênant. REVEND I CATI ONS 1 ) Dispositif (1) pour reformer une veine de matière (4) contenant des hy- drocartures pour donner une veine de fluide (10) enrichie en hydrogène comportant un dispositif de chanffage (5) pour générer une veine de chauffage (6), la veine de matière (4) étant transformoe dans une première unité de reformage (2) et dans une seconde unité de reformage (3) en aval de la première pour donner une veine de fluide (10) enrichie en hydrogène, ainsi qu'un premier élément chauffant (8) traversé par la veine de chauf- fage (6) pour chauffer au moins l'une des deux unités de reformage (2, 3), o caractérisé en ce qu' au moins dans une phase de fonctionnement, la veine de chauffage (6) passe sur la seconde unité de reformage (3) totalement à contre-courant par rapport à la veine de matière (4). s 2 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins dans une phase de fonctionnement, la veine de chauffage (6) passe sur la première et la seconde unité de reformage (2, 3) complète- ment à contre-courant par rapport à la veine de matière (4). 3 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un second élément chauffant (9) traversé par la veine de chauf fage (6) est prévu pour chanffer l'une des deux unités de reformage (2, 3) dans une phase de démarrage. 4 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second élément chauffant (9) est prévu entre les deux unités de refor so mage (2, 3). ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un orifice d'entrée (12) et/ou orifice de sortie (11) du premier et/ou du se 3s cond élément chauffant (6, 8) comporte au moins un élément de dosage pour doser la veine de chauffage (6). 6 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé par au moins une unité de commande pour commander l'élément de dosage. 7 ) Dispositif ( 1) selon la revendication 1, s caractérisé en ce que les deux unités de reformage (2, 3) et/ou les deux éléments chauffants (8, 9) sont pratiquement coaxiaux. 8 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, lO caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (5) est pratiquement coaxial aux unités de refor- mage (2, 3) et/ou aux éléments chauffants (8, 9). 9 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (5) est installé de manière pratiquement centrale par rapport aux unités de reformage (2, 3) et/ou aux éléments chauffants (8, 9). o 10 ) Installation de pile à combustible comportant une unité de pile à combustible et un dispositif (1) pour reformer une veine de matière (4) contenant des hydrocarbures pour donner une veine de fluide (10) enri- chie en hydrogène, dans laquelle la veine de matière (4) est réformée dans une première unité de reformage (2) et dans une seconde unité de refor s mage (3) en aval de la précédente pour donner une veine de fluide enrichie en hydrogène (10), avec un dispositif de chauffage (5) pour générer une veine de chauffage (6) ainsi qu'un premier élément chauffant (8) traversé par la veine de chauffage (6) pour chauffer au moins l'une des deux unités de reformage (2, 3), caractérisée en ce que le dispositif (1) est réalisé selon l'une des revendications 1 à 9. 11 ) Véhicule équipé d'une installation de piles à combustible, caractérisé par