Brevet FR2839583A1 — publié le 20031114

conforme a l'une quelconque des revendications 1 a 8. Domaine de ['invention La presente invention concerne une installation de piles a combustible comprenant une installation de combustion, un module de piles a combustible et un module de reformeur pour reformer des melan s ges de matieres contenant des hydrocarbures pour donner un fluide enri- chi en hydrogene, ['installation de combustion comprenant au moins une conduite de gaz d'echappement pour evacuer les gaz d'echappement. Un tel module de reformage encore appele reformeur est destine a transformer des melanges de matieres contenant des hydrocar o bures appeles ci-apres carburant en un fluide contenant de lthydrogene et appele ci-apres reformat ou reformat gazeux. Etat de la technique Par exemple dans les vehicules il est connu depuis un cer- tain temps d'utiliser en plus du moteur a combustion interne, une pile a combustible ou un ensemble de piles a combustible fonctionnant en parti- culier avec un fluide contenant de lthydrogene et qui est genere de facon embarquee. L'energie electrique degagee par le module de piles a combus- tible et utilisee entre autre dans le cas d'un vehicule hybride equipe d'un entranement supplementaire constitue par un moteur electrique et/ou o une unite d'entranement auxiliaire, de facon a alimenter les equipements electriques du vehicule. Frequemment l'hydrogene consomme par la pile a combus- tible est genere de facon embarquee par reformage autothermique et/ou a la vapeur de carburant contenant des hydrocarbures, par exemple de s ['essence, du gasoil ou du gaz nature!, en utilisant un reformour. De facon generale, en phase de demarrage, le reformeur doit recevoir de l'energie calorifique fournie par exemple par un dispositif de chauffage electrique pour arriver a la temperature de fonctionnement re- quise pour faire reagir le carburant avec l'oxygene de ['air. Le cas echeant, en fonction du procede de reformage choisi, il faut en plus de l'eau que l'on chauffe ou frequemment que l'on vaporise. Les systemes actuels ont pour inconvenient de consommer beaucoup d'energie electrique pour chauffer le reformour ou les matieres consommees par celui-ci, en particulier pendant la phase de demarrage. 3s But de ['invention La presente invention a pour but de developper une instal- lation de piles a combustible equipee d'une installation de combustion, d'un module de piles a combustible et d'un reformeur pour transformer les carburants en un reformat gazeux, ['installation de combustion com- portart au moins une conduite de gaz d'echappement pour evacuer les gaz d'echappement, de facon a permettre une reduction significative de l'energie a fournir le cas echeant pour chauffer le reformeur. s Expose et avantages de ['invention A cet effet, ['invention concerne une installation du type de- fini ci-dessus, caracterise en ce qutau moins la conduite de gaz d'echappement comporte un echangeur de chaleur pour chauffer un fluide caloporteur et/ou un fluide de fonctionnement du reformeur avec la cha- 0 leur recuperee du flux de gaz d'echappement. L'echangeur de chaleur selon ['invention permet d'utiliser l'energie des gaz d'echappement de ['installation de combustion, inutilises jusqu'alors pour assurer un chauffage particulierement rapide et energeti- quement avantageux du reformeur ou du module de reformage. Cela per- met le cas echeant de renoncer a ['unite de chauffage electrique distincte ou d'une unite de chauffage analogue, et cela totalement ou au moins en partie. Grace aux temperatures elevees des gaz d'echappement re- sultant de la combustion du carburant dans ['installation de combustion, o on atteint, apres un temps relativement court, des temperatures elevees dans la conduite de gaz d'echappement. L'enthalpie de ces gaz d'echappement peut etre recuperee par l'echangeur de chaleur selon ['invention pour etre fournie au fluide de fonctionnement du reformeur et/ou a un fluide caloporteur le cas echeant distinct, servant a chauffer le 2s reformour. Le cas echeant, par un fonctionnement pratiquement conti- nu de l'echangeur de chaleur, on peut assurer l'apport thermique au re- formeur a partir de l'energie des gaz d'echappement de ['installation de combustion; cela permet de realiser de maniere avantageuse le passage du reformage autothermique au reformage a la vapeur, endothermique, avec un rendement significativement plus eleve en hydrogene. On peut diminuer de maniere decisive ['aspiration ou la compression de l'air pour le procede de reformage ou meme supprimer cette phase. L'installation a piles a combustible peut fonctionner avantageusement pratiquement sans perte de rendement liee a des puissances cites parasites correspondent aux compresseurs d'air ou analogues aux pressions de fonctionnement elevees. De plus, on a une meilleure possibilite de reglage entre le refor- mage autotherrnique et le reformage a la vapeur selon ['invention. Selon un developpement particulier de ['invention, l'echangeur de chaleur est prevu au niveau de l'orifAce d'echappement de ['installation de combustion. L'echangeur de chaleur est par exemple ins- talle sur un coude de conduite d'echappement. Directement au niveau de s ['orifice d'echappement de ['installation de combustion, la conduite de gaz d'echappement est particulierement chaude ou devient relativement rapi- dement chaude, de sorte que le reformeur ou le module de reformage sera chauffe relativement rapidement et/ou intensement et qutune quantite d'energie thermique relativement importante est fournie au module de re o formage. De facon avantageuse, le fluide de fonctionnement a chauf- fer pour le module de reformage, ou reformeur, est au moins en partie le melange de matieres contenant des hydrocarbures, de l'eau et/ou de ['air. Cela permet par exemple de chauffer le reformeur de l'interieur, ctest-a- dire directement au niveau des surfaces de reaction a activite catalytique dans le reformeur. La phase de demarrage ou de montee en temperature jusqu'a la temperature de fonctionnement du reformeur se fait ainsi rela- tivement rapidement et de maniere energique. Selon un developpement particulier de ['invention, il est o prevu au moins un element de dosage pour closer le fLuide de fonctionne- ment et/ou le fluide caloporteur. Ce moyen permet de commander ou de reguler avantageusement le chauffage du reformeur. L'utilisation de sou- papes d'etranglement ou de moyens analogues permet le cas echeant de modifer le debit massique des fluides de fonctionnement a chauffer et de realiser une montee en temperature regulee pour le reformeur. Par exemple, on peut installer un echangeur de chaleur multiple avantageusement sur le coude d'echappement, en general en metal; cet echangeur peut etre monte ou fixe par bride de sorte qu'en particulier plusieurs fluides de fonctionnement ou au moins un fLuide de fonctionnement et un fluide de chauffage separe peuvent traverser prati- quement simultanement l'echangeur de chaleur pour prelever de l'energie auxA gaz d'echappement et chauffer d'une maniere particulierement avan- tageuse le reformeur par l'interieur et/ou l'exterieur. De preference, il est prevu au moins une unite a activite catalytique de nettoyage des gaz d'echappement. On peut utiliser un ca- talyseur de gaz d'echappement exlstant deja pour nettoyer la veine de gaz d'echappement. Cela permet de reduire ['emission des gaz d'echappement polluants. Selon un mode de realisation avantageux de ['invention, le dispositif de nettoyage des gaz d'echappement est installe en aval de l'echangeur de chaleur selon la circulation des gaz d'echappement. Ce moyen assure que la chaleur fournie a l'echangeur de chaleur permet de refroidir la veine de gaz d'echappement qui arrive dans le dispositif de nettoyage des gaz d'echappement. On evite ainsi la surchauffe du disposi tif de nettoyage des gaz d'echappement, en particulier dans une plage de charge relativement poussee ou dans la plage de la charge partielle de ['installation de combustion. Par la reduction de la sollicitation thermique 0 du dispositif de nettoyage des gaz d'echappement, on peut prolonger ou ameliorer de maniere avantageuse la duree de vie ou la duree d'utilisation de ce dispositif. De plus, on peut ainsi supprimer l'enrichissement a pleine charge utilise habituellement, notamment dans les moteurs a essence actuels, ce qui supprime la consommation de carburant elevee ainsi en trainee du fait du carburant supplementaire ou du melange de carburant introduit pour refroidir les gaz d'echappement a pleine charge. Cela se traduit par un fonctionnement particulierement ecologique de ['installation de combustion ou du vehicule selon ['invention. De facon avantageuse, le dispositif de nettoyage des gaz d'echappement est installe au niveau de l'echangeur de chaleur. Par exemple jusquta ce que l'on atteigne la temperature de fonctionnement dans le dispositif de nettoyage des gaz d'echappement, c'est-a-dire jusquta la temperature d'extinction on supprime ['evacuation de la chaleur par :5 l'echangeur de chaleur grace a une commande avantageuse pour que dans le cas d'une installation du dispositif de nettoyage des gaz d'echappement relativement pres du moteur, ce dispositif atteint relativement rapidement la temperature de fonctionnement. La coupure de catalyseur est ainsi ac celeree de maniere decisive si bien quten particulier pendant la phase de demarrage de ['installation de combustion ou du dispositif de nettoyage des gaz d'echappement, ltemission de gaz d'echappement polluants sera reduite de maniere significative. Selon une variante avantageuse de ['invention, il est prevu au moins un reservoir pour le reformat gazeux. A ['aide d'un dispositif de stockage ou reservoir approprie, on peut notamment decoupler dans le temps la generation d'hydrogene et son exploitation. L'installation de com bustion peut fonctionner par exemple surtout pendant la phase de demar rage, pratiquement exclusivement avec le reformat gazeux, ce qui se traduit par une diminution particulierement significative des emissions de gaz d'echappement bruts polluants. Le cas echeant, ['installation de combustion peut fonction ner en mode mixte pendant la phase de demarrage. Cela signifie que ['installation de combustion recoit comme combustible un melange de re format gazeux et de carburant. De plus, grace a un mode de fonctionnement riche de ['installation de combustion, c'est-a-dire avec un excedent d'hydrogene et le cas echeant une injection d'air secondaire, on accelere en plus la cou pure du catalyseur. On obtient un chauffage particulierement intense et rapide du dispositif de nettoyage des gaz d'echappement par une reaction exothermique de l'hydrogene qui reagit deja a la temperature ambiante sur la surface exterieure catalytiquement active et qui n'a pas ete brule en partie dans ['installation de combustion et se retrouve dans les gaz d'echappement. Ainsi, le catalyseur ou le dispositif de nettoyage des gaz d'echappement peut etre chauffe relativement rapidement. Le meme effet stobtient egalement a ['aide d'un mode de fonctionnement riche/maigre, mixte, distribue entre les differents cylindres de ['installation de combus tion sans alimentation en air secondaire. Grace au mode de fonctionnement mixte de ['installation de combustion, par exemple par un melange de carburant et de reformat ga zeux, on peut en outre avantageusement augmenter de maniere significa tive le taux de reintroduction des gaz d'echappement (faux AGR) par rapport au mode de fonctionnement utilisant senlement du carburant ou 2s de ['essence. Des taux eleves de reintroduction des gaz d'echappement produisent, par la suppression de l'etranglement du moteur ou de ['installation de combustion, un rendement augmente de maniere signifi cative et aboutissent ainsi a une consommation de carburant particulie rement falble pour le vehicule. Du fait de la plage d'allumage relativement grande de l'hydrogene par rapport a celle de ['essence on aura un taux de reintroduction eleve pour les gaz d'echappement. Dessins La presente invention sera decrite ci-apres de maniere plus detaillee a ['aide d'un exemple de realisation represente dans ['unique fi s5 gure annexee qui est un schema d'une installation. Description du mode de realisation La figure unique montre schematiquement un moteur a combustion interne 1 equipe d'un echangeur de chaleur 2 selon ['invention. L'echangeur de chaleur 2 est installe en particulier dans la conduite de gaz d'echappement 3 c'est-a-dire aussi pres que possible de ['orifice d'echappement 4 du moteur a combustion interne 1. Dans la chambre de combustion 5 on brule de maniere ge s nerale un melange carburant-air 6 engendrant des gaz d'echappement 7 relativement chauds. Selon ['invention, l'energie thermique des gaz d'echap- pement 7 est recuperee par ltechangeur de chaleur 2 pour chauffer un re- formour 10. L'echangeur de chaleur 2 comporte en particulier une o conduite d'entree 8 et une conduite de sortie 9 pour au moins un fluide de fonctionnement et/ou un fluide caloporteur pour le reformeur 10. Le cas echeant, on peut prevoir plusieurs milieux echan- geurs de chaleur pratiquement simultanement mais separes en general dans ltespace et qui traversent l'echangeur de chaleur 2. En variante, l'echangeur de chaleur 2 peut recevoir, suivant l'etat de fonctionnement de ['ensemble du systeme, soit un fluide de fonctionnement, soit un fluide caloporteur. Pour chauffer le reformeur 10 ou son fluide de fonctionne- ment on peut prevoir en outre un bruleur a catalyse 11. o Par ex:emple apres le demarrage du moteur on fait fonction ner le moteur a combustion interne 1 avec du gaz de reforming venant d'un accumulateur non represente en detail et qui degage ainsi pratique ment pas de gaz d'echappement 7 polluants. Le fonctionnement avec de l'hydrogene, en particulier sans prelevement de chaleur significative par ltechangeur de chaleur, aboutit en particulier a ce que le catalyseur de gaz d'echappement 12 atteint relativement rapidement sa temperature de fonctionnement. La quantite de produit reforme jusqu'a ltextinction du catalyseur est relativement faible et peut etre fournie entre autre par l'accumulateur sous pression. De preference directement apres avoir atteint ['extinction du catalyseur, le moteur a combustion interne 1 utilise par exemple le carbu rant 6 ou un melange de carburant et de gaz de reforme 6 en creant ainsi particulierement rapidement des temperatures elevees dans la conduite de gaz d'echappement 3. Du fait des temperatures relativement elevees de la conduite de gaz d'echappement 3, on peut le cas echeant, et sans chauf fage electrique supplementaire, chauffer le ou les fluides de fonctionne ment et/ou un fluide de chauffage separe du reformeur. Le reformeur est ainsi chauffe relativement rapidement a la temperature de fonctionnement et peut ainsi demarrer pour generer le reformat ou l'hydrogene necessaire au module de piles a combustible non detaille. Le reformat ou hydrogene est le cas echeant stocke provisoirement a la pression de fonctionnement et lors du demarrage suivant du systeme il alimente le moteur a combus s tion interne 1 et/ou le module a piles a combustible. De maniere generale, par le combinaison du moteur a com- bustion interne 1 et d'un systeme de piles a combustible on peut suppri- mer ou diminuer le reservoir dthydrogene de reformat necessaire au fonctionnement autarcique de vehicules a piles a combustible. De meme, o on peut diminuer la pression de remplissage du reservoir et simplifier ain- si le reformeur grace a la pression de fonctionnement plus faible requise. Par exemple pour le fonctionnement d'un reformeur auto- thermique on peut fournir la vapeur chaude par un echangeur de chaleur 2 selon ['invention. En variante, on peut egalement ne pas ajouter d'eau ou relativement peu au reformeur en phase de demarrage, ce qui reduit de maniere significative l'energie de chauffage necessaire pour la phase de demarrage. Dans ce dernier cas, le carburant 6 peut par exemple etre evapore et chauffer le reformeur a activite catalytique. La transformation du carburant 6 a la surface catalytiquement active se fait dans ce cas de maniere generale avec l'oxygene de l'air de facon a degager de la chaleur et accelerer de nouveau la phase de chauffage. En principe, un echangeur de chaleur 2 selon ['invention permet d'ameliorer de maniere significative le rendement global par l'utilisation de l'energie des gaz d'echappement. Grace a l'utilisation de ltenergie des gaz d'echappement, on peut supprimer ou reduire le chauf- fage electrique des composants catalytiquement actifs avec les dispositifs de chauffage necessaires. Grace aux conditions de fonctionnement ther- miques ameliorees pour le catalyseur de gaz d'echappement on augmente en outre sa duree de vie de maniere significative. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Installation de piles a combustible comprenant une installation de combustion (1J, un module de piles a combustible et un module de refor- meur pour reformer des melanges de matieres (6) contenant des hydro s carbures pour donner un fluide enrich) en hydrogene, ['installation de combustion (1) comprenant au moins une conduite de gaz d'echappement (3) pour evacuer les gaz d'echappement (7), caracterisee en ce qu' au moins la conduite de gaz d'echappement (3) comporte un echangeur de o chaleur (2) pour chauffer un fluide caloporteur et/ou un fluide de fonc- tionnement du reformour avec la chaleur recuperee du flux de gaz d'echappement (7). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que l'echangeur de chaleur (2) est prevu au niveau de ['orifice d'echappement (4) de ['installation de combustion (1). 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que le fluide de fonctionnement du reformeur a chauffer comprend au moins en partie le melange contenant des hydrocarbures (6). 4 ) Dispositif selon la revendication 1, 2s caracterise en ce que le fluide de fonctionnement a chauffer pour le reformeur comporte au moins en partie de ['air. ) Dispositif selon la revendication l, caracterise en ce que le fluide de fonctionnement a chauffer pour le reformeur comprend au moins en partie de l'eau. 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caracterise par au moins un element de dosage pour closer le fluide de fonctionnement et/ou le fluide caloporteur. 7 ) Dispositif selon la revendication 1, caracterise par au moins un dispositif de nettoyage des gaz d'echappement a activite ca- talytique. s 8 ) Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que le dispositif de nettoyage des gaz d'echappement est prevu en aval de l'echangeur de chaleur (2) dans le sens de passage de la veine de gaz o d'echappement (7). 9 ) Dispositif selon la revendication 1, caracterise par au moins un dispositif de stockage pour recevoir le fluide enrich) en hy drogene. ) Vehicule, notamment vehicule automobile, comportant une installa- tion de piles a combustible avec une installation de combustion (1), un module de piles a combustible et un module de reformeur pour reformer des melanges contenant des hydrocarbures (6) pour donner un fluide en- richi en hydrogene, ['installation de combustion (1) comportant au moins une conduite de gaz d'echappement (3) pour expulser les gaz d'echappement (7), caracterise en ce que ['installation de piles a combustion est realisee selon l'une quelconque des