Brevet FR2842355A1 — publié le 20040116

Système de génération d'électricité au moyen d'une pile à combustible et procédé de mise en oeuvre d'une pile à combustible La présente invention concerne un système de génération d'électricité au moyen d'une pile à combustible, en particulier pour la traction électrique d'un véhicule automobile, ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre d'une telle pile à combustible. La pile à combustible apparaît de plus en plus comme le convertisseur d'énergie le plus propre et le plus efficace pour convertir l'énergie chimique en une énergie directement utilisable sous forme électrique et thermique. Son principe de fonctionnement est similaire à celui d'une pile conventionnelle, à savoir un oxydant et un réducteur séparés par un électrolyte. En particulier, il s'agit d'une combustion électrochimique et contrôlée d'hydrogène et d'oxygène, avec production simultanée d'électricité, d'eau et de chaleur, selon la réaction chimique: H2 + 1/2 02 -> H20. Cette réaction s'opère au sein d'une structure essentiellement composée de deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte: c'est la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau. Toutefois, alors que dans une batterie conventionnelle, l'oxydant et le réducteur sont progressivement consommés, une pile à combustible est alimentée continuellement en ces deux composés, qui sont généralement introduits sous forme gazeuse, parfois liquide. Ce principe de fonctionnement peut être appliqué dans différents types de piles, en fonction des applications envisageables qui diffèrent principalement par la nature de l'électrolyte. Toutefois, il apparaît nécessaire de développer des piles à combustible plus compactes, de gestion plus simple, et qui nécessitent peu d'organes extérieurs à la pile. La présente invention propose un système de génération d'électricité, en particulier pour la traction électrique d'un véhicule automobile, qui utilise des piles à combustible plus compactes, de gestion plus simple, et qui nécessitent peu d'organes extérieurs à la pile. L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'une pile à combustible dans un système de traction électrique pour véhicule automobile. Le système selon l'invention de génération d'électricité utilisant une pile à combustible, en particulier pour la traction électrique d'un véhicule automobile, comprend une pile à combustible présentant au moins un ensemble formé d'une anode et d'une cathode munies chacune d'une entrée et d'une sortie d'électrode. La cathode est alimentée en air à son entrée par un dispositif d'alimentation en air et produit des gaz chauds à sa sortie. L'anode est alimentée par injection d'un gaz carburant. Les gaz chauds issus de la cathode sont acheminés vers un réservoir de carburant partiellement rempli avec du carburant liquide, de façon à transformer par échange thermique entre les gaz chauds et le carburant liquide, dans le réservoir de carburant, au moins une partie du carburant liquide en gaz. De préférence, on choisit un carburant qui puisse être reformé (transformé en hydrogène) à l'intérieur même de la pile. Les carburants pouvant être utilisés sont l'essence, le gasoil, ou encore les alcools comme le méthanol ou l'éthanol. Le méthanol et l'éthanol sont particulièrement préférés. En variante, on dispose un reformeur pouvant fonctionner avec un carburant sous pression entre le réservoir de carburant et l'entrée de l'anode, le reformeur étant alimenté par la phase gazeuse du carburant évaporé dans le réservoir et fournissant de l'hydrogène à l'entrée de l'anode. La phase gazeuse du carburant évaporée dans le réservoir de carburant peut être, suivant la nature de la pile et du carburant utilisé, injectée directement à l'anode, ou acheminée vers un reformeur pouvant fonctionner avec un carburant sous pression. De préférence, le débit du carburant gazeux est réglé par un régulateur de débit massique positionné entre le réservoir de carburant et l'entrée de l'anode ou en variante entre le réservoir de carburant et le reformeur si celui-ci est présent. De la même façon, le débit de l'air alimentant la cathode et issu du dispositif d'alimentation en air peut être réglé par un dispositif approprié tel qu'un ventilateur entraîné à vitesse variable par un moteur. Lors d'un appel de courant électrique, la puissance thermique fournie par la pile à combustible augmente. De plus, il est nécessaire d'augmenter le débit d'air issu du dispositif d'alimentation en air afin de fournir davantage d'oxygène pour la réaction. La quasi-totalité de la puissance thermique générée par les réactions chimiques se produisant dans la pile à combustible est emportée par les gaz chauds en sortie de cathode. Lors d'une augmentation de puissance thermique fournie par la pile à combustible, les gaz chauds issus de la cathode présentent alors une température plus élevée. Cela entraîne, lors de l'échange thermique entre les gaz chauds et le carburant liquide situé dans le réservoir de carburant, une augmentation de la température du carburant liquide. Une quantité plus grande de carburant liquide est vaporisée en carburant gazeux, ce qui provoque une augmentation de la pression gazeuse dans le réservoir de carburant. Lors d'un appel de courant électrique, le débit anodique augmente, créant un besoin supplémentaire en carburant. Grâce à la hausse de la pression gazeuse dans le réservoir de carburant, le débit en carburant gazeux augmente. Cette fourniture supplémentaire de gaz vers l'entrée de l'anode entraîne une baisse de la pression gazeuse dans le réservoir de carburant qui est ainsi automatiquement régulée. Ainsi, grâce au système selon l'invention, la diminution de pression des gaz situés dans le réservoir de carburant due à l'augmentation du débit anodique est compensée par l'augmentation de pression conférée par la vaporisation du carburant liquide au contact des gaz chauds issus de la sortie de la cathode. Le système selon l'invention permet ainsi, grâce à l'utilisation d'un réservoirfévaporateur et à la recirculation des gaz chauds, d'éviter de stocker le carburant liquide dans un réservoir et de l'acheminer vers un évaporateur indépendant avant de diriger le carburant gazeux vers la pile à combustible, comme cela est classiquement le cas. Cette suppression d'un élément auxiliaire entraîne une simplification du système, et une augmentation de la compacité, qui facilite grandement sa gestion. En outre, le système fonctionnant à des pressions voisines de la pression atmosphérique consomme peu, ce qui le rend économiquement attractif. Le système de génération d'électricité selon l'invention est particulièrement bien adapté à des piles à combustible de température de fonctionnement supérieure à 4000C. On peut ainsi employer des piles à combustible de type SOFC, qui présentent une température de fonctionnement pouvant atteindre 900 à 10000C, et valant généralement 800'C. L'utilisation de piles à combustibles de type ITSOFC (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuell Cell) de température de fonctionnement comprise entre 400 et 500'C est également possible. On peut également envisager d'utiliser des piles à combustible à carbonate fondu de type MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell en anglais) ou encore des piles à combustible de type DMFC (Direct Methanol Fuel Cell en anglais). Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le refroidissement de la pile à combustible est assuré grâce à l'air issu du dispositif d'alimentation en air. Ainsi, la pile à combustible ne nécessite pas de circuit de refroidissement qui pourrait absorber une partie de l'énergie thermique générée par la pile, et cette puissance thermique est transférée intégralement aux gaz chauds en sortie de cathode. L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'une pile à combustible, en particulier dans un système de traction électrique pour véhicule automobile. Le procédé comprend les étapes de: a) recirculation des gaz chauds issus de la cathode de la pile à combustible vers un réservoir de carburant rempli partiellement avec un carburant liquide, et b) utilisation des calories des gaz chauds pour vaporiser une partie du carburant présent dans le réservoir de carburant. Les piles à combustible pouvant être utilisée dans ce procédé sont celles décrites plus haut. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif d'un système de traction électrique selon l'invention et illustré par la figure annexée qui montre de manière schématique un sous-ensemble d'un système de traction électrique pour véhicule automobile selon ce mode de réalisation de l'invention. La figure montre un sous-ensemble 1 d'un système de traction électrique pour véhicule automobile. Le sous-ensemble 1 comprend une pile à combustible 2, reliée à un dispositif d'alimentation en air 3, à un réservoir de carburant 4, à un régulateur de débit massique 5, ainsi qu'à un dispositif de traitement 12. La pile à combustible 2, par exemple de type SOFC, est munie d'une anode 6 et d'une cathode 7, séparées par un électrolyte solide 8. De préférence, l'anode 6 et la cathode 7 sont constituées de matériaux céramiques poreux et l'électrolyte solide 8 est constitué de zircone stabilisée par de l'oxyde d'yttrium (YSZ). Le courant électrique produit par la pile 2 est acheminé par la connexion 2a vers un dispositif de traitement 12 et un moteur électrique de traction non représenté. La pile à combustible 2 est alimentée à l'entrée de la cathode 7 par de l'air issu du dispositif d'alimentation en air 3. La sortie de la cathode 7 est reliée au réservoir de carburant 4 via la conduite 9. Le réservoir de carburant 4 comprend une partie 13 constituée par du carburant liquide et une partie 14 comprenant du carburant vaporisé. Le réservoir de carburant 4 est relié d'une part à l'entrée de l'anode 6 par la canalisation 4a, le régulateur de débit massique 5 étant interposé entre le carburant 4 et l'entrée de l'anode 6, et d'autre part à la sortie 10. Lors d'un appel de courant, la puissance thermique fournie par la pile à combustible 2 augmente. Le débit d'air issu du dispositif d'alimentation en air 3 est augmenté, afin de fournir davantage d'oxygène pour la réaction et également pour refroidir le système, à l'aide d'un dispositif approprié tel qu'un ventilateur entraîné à vitesse variable par un moteur. Ce dispositif est commandé par le dispositif de traitement 12 qui est relié au dispositif d'alimentation en air 3 via la connexion 12a. La réaction se produisant dans la pile à combustible 2 est la suivante: l'oxygène est dissocié à la cathode 7 en ions 02-. Ces ions migrent à travers l'électrolyte 8 et vont se combiner à l'anode 6 avec de l'hydrogène pour former de l'eau. La quasi-totalité de la puissance thermique générée par cette réaction chimique est emportée par les gaz chauds en sortie de cathode 7. Les gaz chauds sont composés d'air appauvri en oxygène, c'est-àdire comprenant essentiellement de l'azote et l'oxygène qui n'a pas réagi dans la pile à combustible 2. Lors d'une augmentation de puissance thermique fournie par la pile à combustible 2, les gaz chauds issus de la cathode 7 en sortie de cathode présentent alors une température plus élevée. Ils sont acheminés via la conduite 9 vers le réservoir de carburant 4 afin de céder de la chaleur au carburant liquide qui remplit partiellement le réservoir de carburant 4. Ceci entraîne, lors de l'échange thermique entre les gaz chauds et le carburant liquide situé dans le réservoir de carburant 4, une augmentation de la température du carburant liquide. Une partie du carburant liquide est vaporisée en carburant gazeux, ce qui provoque une augmentation de la pression gazeuse dans le réservoir de carburant 4. Après leur passage dans le réservoir de carburant 4, les gaz chauds sont évacués du système par la sortie 10. L'échange thermique assurant la vaporisation du carburant est assuré à l'aide d'un échangeur thermique immergé dans le carburant liquide. Les gaz chauds circulent dans l'échangeur thermique et un transfert de chaleur s'effectue entre les gaz chauds et le carburant liquide, entraînant la vaporisation de ce dernier. L'échangeur thermique peut être de toute forme connue de l'homme du métier, et notamment en forme de serpentin ou de spirale. De même le réservoir de carburant 4 peut présenter différentes formes; il peut notamment être de section carrée, circulaire, ou encore en forme de citerne. La vaporisation du carburant liquide provoque une augmentation de la pression gazeuse dans le réservoir de carburant 4, ce qui permet de générer un flux gazeux vers l'entrée de l'anode 6 via le régulateur de débit massique 5. L'homme du métier pourra déterminer la surface d'échange de l'échangeur thermique et le taux de remplissage en carburant liquide du réservoir de carburant 4, afin d'optimiser l'échange thermique. De préférence, on choisit un carburant qui puisse être reformé (transformé en hydrogène) à l'intérieur même de la pile. Les carburants pouvant être utilisés sont l'essence, le gasoil, ou encore les alcools comme le méthanol ou l'éthanol. Le méthanol et l'éthanol sont particulièrement préférés. En variante, on dispose un reformeur pouvant fonctionner avec un carburant sous pression entre le réservoir de carburant 4 et l'entrée de l'anode 6, le reformeur étant alimenté par la phase gazeuse du carburant évaporé dans le réservoir 4 et fournissant de l'hydrogène à l'entrée de l'anode 6. Lors de l'appel de courant, le débit anodique augmente, créant un besoin supplémentaire en carburant. Grâce au régulateur de débit massique 5 situé entre le réservoir de carburant 4 et l'entrée de l'anode 6, et commandé par le dispositif de traitement 12 via la connexion 12b, on règle l'augmentation du débit en carburant gazeux provoquée par la vaporisation d'une partie du carburant liquide. Cette fourniture supplémentaire de gaz vers l'entrée de l'anode 6 entraîne une baisse de la pression gazeuse dans le réservoir de carburant 4. Les résidus du carburant gazeux sont évacués de la pile à combustible 2 à la sortie d'anode 11. Ainsi, grâce au système selon l'invention, la diminution de pression des gaz situés dans le réservoir de carburant 4 due à l'augmentation du débit anodique est compensée par l'augmentation de pression conférée par la vaporisation du carburant liquide au contact des gaz chauds issus de la sortie de la cathode 7. Le système selon l'invention permet ainsi, grâce à l'utilisation d'un réservoir/évaporateur et à la recirculation des gaz chauds, d'éviter de stocker le carburant liquide dans un réservoir et de l'acheminer vers un évaporateur avant de diriger le carburant gazeux vers la pile à combustible, comme cela est classiquement le cas. Cette suppression d'un élément auxiliaire entraîne une simplification du système, et une augmentation de la compacité, qui facilite grandement sa gestion. En outre, le système fonctionnant à des pressions voisines de la pression atmosphérique consomme peu, ce qui le rend économiquement attractif. Le système selon l'invention peut avantageusement être utilisé pour la traction automobile. Il peut également être utilisé pour alimenter des organes auxiliaires, comme des batteries, des dispositifs de climatisation, etc., lorsque le moteur est arrêté. Il peut également être employé dans des couplages piles/batteries, afin de recharger les batteries. REVENDICATIONS 1. Système de traction électrique pour véhicule automobile comprenant une pile à combustible (2) présentant au moins un ensemble formé d'une anode (6) et d'une cathode (7) munies chacune d'une entrée et d'une sortie d'électrode, la cathode (7) étant alimentée en air à son entrée par un dispositif d'alimentation en air (3) et produisant des gaz chauds à sa sortie, l'anode (6) étant alimentée par injection d'un gaz carburant, caractérisé en ce que les gaz chauds issus de la cathode (7) sont acheminés vers un réservoir de carburant (4) partiellement rempli avec du carburant liquide, de façon à transformer par échange thermique entre les gaz chauds et le carburant liquide, dans le réservoir de carburant (4), au moins une partie du carburant liquide en gaz. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase gazeuse du carburant évaporée dans le réservoir de carburant (4) est injectée directement à l'anode (6). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le carburant est choisi parmi l'essence, le gasoil, ou encore les alcools 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le carburant est choisi parmi le méthanol et l'éthanol. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase gazeuse du carburant évaporée dans le réservoir de carburant (4) est acheminée vers un reformeur pouvant fonctionner avec un carburant sous pression. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit du carburant gazeux est réglé par un régulateur de débit massique (5) positionné entre le réservoir de carburant (4) et l'entrée de l'anode (6). 7. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le débit de l'air alimentant la cathode (7) et issu du dispositif d'alimentation en air (3) est réglé par un ventilateur entraîné à vitesse variable par un moteur. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de fonctionnement de la pile à combustible (2) est supérieure à 400'C. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pile à combustible est une pile de type SOFC. 10. Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pile à combustible est une pile de type ITSOFC. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le refroidissement de la pile à combustible (2) est assuré grâce à l'air issu du dispositif d'alimentation en air (3). 12. Procédé de mise en oeuvre d'une pile à combustible (2), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de a) recirculation des gaz chauds issus de la cathode (7) de la pile à combustible (2) vers un réservoir de carburant (4) rempli partiellement avec un carburant liquide, et b) utilisation des calories des gaz chauds pour vaporiser une partie du carburant présent dans le réservoir de carburant (4).