Brevet FR2843652A1 — publié le 20040220

Domaine de l'invention La présente invention concerne une installation de piles à combustible comportant une pile à combustible, un réservoir de combustible pour stocker un combustible mis en pression et un réducteur de 5 pression pour diminuer la pression de stockage jusqu'à la pression de fonctionnement. Etat de la technique L'intérêt de l'hydrogène comme support d'énergie pour l'avenir est devenu de plus en plus important au cours de ces dernières 10 années. En particulier les piles à combustible utilisant l'hydrogène permettent de générer de manière écologique de l'énergie électrique et de la chaleur. Le rendement des piles à combustible n'est pas limité par le cycle de Carnot. De tels rendements élevés permettent d'économiser des combustibles fossiles et l'utilisation de piles à combustible dans des véhicules 15 ou des installations de co-génération permettent de réduire la consommation de carburants fossiles. Dans une pile à combustible, l'énergie chimique de l'hydrogène est transformée directement en énergie électrique; cette énergie électrique est par exemple convertie dans les applications automobiles 20 par un moteur électrique en énergie mécanique d'entraînement. De plus, dans les véhicules actuels, on utilise un nombre croissant de consommateurs électriques pour assurer les fonctionnements accessoires pour améliorer la commande du moteur, le confort et/ou la sécurité. La consommation d'énergie électrique plus importante qui en ré25 suite peut être couverte par une pile à combustible combinée au moteur à combustion interne ou à son alternateur. En particulier dans les applications aux véhicules automobiles, on utilise actuellement entre autres des piles à combustible PEM (c'est-à- dire des piles à combustible polymère-électrolyte-membrane), uti30 lisant des membranes en polymère conductrices de proton et qui demandent actuellement de l'hydrogène pur comme combustible. De façon générale, on peut convertir par voie chimique l'hydrogène et/ou un autre combustible mis en pression comme du gaz naturel, etc... dans des moteurs à combustion interne en particulier des 35 moteurs à pistons alternatifs pour générer de l'énergie motrice mécanique. En particulier dans les applications aux véhicules ou autres systèmes isolés, on stocke l'hydrogène ou le combustible contenant de l'hydrogène dans un réservoir sous pression. Actuellement, de tels réser- voirs sous pression sont conçus pour des pressions de stockage de l'ordre de 200 à 300 bars et avec des matières composites récentes on cherche à atteindre des pressions de stockage allant jusqu'à 700 bars. A côté du stockage de l'hydrogène dans un réservoir sous 5 pression, dans les applications récentes aux véhicules, on utilise déjà le procédé de reformage ou analogue d'hydrocarbures comme par exemple d'essence ou de gasoil d'une façon embarquée. En particulier pour améliorer l'adaptation au changement de charge, au comportement de démarrage à froid, dans les perturbations de fonctionnement du procédé de 10 reformage ou analogue, on utilise des réservoirs d'hydrogène sous pression. Par exemple dans la fabrication industrielle d'hydrogène à partir d'hydrocarbures, par exemple par reformage à la vapeur ou de façon autotherme, on fournit de l'hydrogène généralement à des pressions com15 prises entre 20 et 40 bars. Avec des compresseurs à plusieurs étages, on aura ensuite de façon générale de l'hydrogène à une pression de stockage d'environ 300 bars. Ceci nécessite une consommation d'énergie d'au moins 5 % de l'hydrogène stocké. Dans d'autres procédés de mise en pression de l'hydrogène à stocker, il faut fournir de l'énergie de sorte que le 20 rendement global de l'utilisation d'hydrogène c'est-à-dire entre son obtention jusqu'à l'utilisation sera réduit d'autant. But, exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de développer une installation de piles à combustible dont le rendement global soit amélioré par 25 rapport à celui de l'état de la technique. A cet effet l'invention concerne une installation de piles à combustible du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que le réducteur de pression est réalisé comme dispositif de refroidissement pour refroidir au moins un élément de refroidissement. Le dispositif de refroidissement permet avantageusement d'utiliser le niveau de température relativement bas résultant de la réduction de pression ou la chaleur d'expansion fournie par l'élément de refroidissement pour refroidir différents consommateurs ou composants de l'installation de piles à combustible et/ou d'autres installations ou volu35 mes locaux. En réduisant les puissances parasites (comme par exemple celles consommées par le ventilateur de radiateur) on augmente avantageusement le rendement global du système ou de l'installation ce qui per- met une utilisation particulièrement efficace de l'énergie globale contenue dans le combustible. L'élément de refroidissement est si possible en contact thermique avec le réducteur de pression. L'élément de refroidissement est avantageusement constitué par un échangeur de chaleur. Par exemple, la chaleur d'expansion du dispositif de refroidissement est transmise par un fluide de refroidissement de l'élément de refroidissement comme par exemple un liquide ou un gaz de refroidissement tel que l'air de refroidissement. Cela permet un refroidissement par10 ticulièrement simple et avantageux d'un consommateur approprié ou de composants de refroidissement en particulier une installation de piles à combustible. Le dispositif de refroidissement comprend avantageusement au moins deux échangeurs de chaleur. Cela permet un refroidissement 15 avantageux du liquide de refroidissement du dispositif de refroidissement à l'aide d'un premier échangeur de chaleur, et une réception de chaleur par le liquide de refroidissement de manière préférentielle à l'aide d'un second échangeur de chaleur pour un consommateur ou un composant de refroidissement, entre autres l'installation de piles à combustible, et en 20 réalisant ainsi le refroidissement du consommateur ou des composants de refroidissement. Selon un développement particulier de l'invention, l'élément de refroidissement est un élément de condensation pour le combustible en particulier en amont de l'installation de piles à combustible. Par exemple 25 on utilisera la vapeur d'eau dégagée du côté de la cathode de la pile à combustible pour la séparer dans l'unité de condensation ou dans un séparateur pour utiliser l'eau de préférence liquide par exemple pour humidifier une pile à combustible ou le flux d'éduit. De manière générale, on réalise ainsi de façon avantageuse une économie neutre pour l'installation 30 de pile à combustible. Cela signifie que l'eau n'aura pas à être réalimentée comme fluide de fonctionnement dans les conditions de fonctionnement normales. On diminue ainsi les moyens à mettre en oeuvre pour le fonctionnement de l'installation de piles à combustible. En variante ou en combinaison, l'élément de refroidisse35 ment est l'installation de climatisation d'un local. On peut ainsi refroidir par exemple l'habitacle d'un véhicule ou le local d'un immeuble. On peut également supprimer ou réduire les dimensions d'une installation de climatisation séparée pour les locaux correspondants ce qui permet de ré- duire considérablement les moyens de construction et d'économie de l'installation. En principe, le dispositif de refroidissement selon l'invention peut être réalisé comme circuit de refroidissement spécial et/ou séparé 5 surtout pour les composants ou consommateurs évoqués cidessus. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'unité de refroidissement ou le circuit de refroidissement de l'installation de piles à combustible comprend au moins un dispositif de refroidissement. De façon générale, les piles à combustible utilisées actuellement sont refroidies par 10 l'unité de refroidissement de l'installation ou par un circuit de refroidissement approprié. Fréquemment, on évacue environ 50 % de l'enthalpie du flux arrivant dans de telles piles à combustible à travers le circuit principal de refroidissement, pour être évacué. Comme la température de fonctionnement de certains types de piles à combustible se situe entre 60 C et 90 C, la différence de température vis-à-vis de l'environnement est relativement faible si bien qu'il faut donner aux radiateurs utilisés jusqu'à présent des dimensions relativement importantes. Au contraire l'invention permet de générer par le dispositif de refroidissement un niveau de température relativement faible ou une différence de température relativement 20 élevée avec le dispositif de refroidissement et de l'utiliser avantageusement dans une pile à combustible. De manière préférentielle, au moins l'un des échangeurs de chaleur et/ou un échangeur de chaleur distinct équipe la pile à combustible; cet échangeur est avantageusement en contact thermique avec la 25 pile. Cette caractéristique permet un refroidissement particulièrement simple de la pile à combustible par le dispositif de refroidissement. A titre d'exemple, l'échangeur de chaleur est par exemple intégré dans le circuit de refroidissement principal de l'installation de piles à combustible ce qui réduit les moyens à mettre en oeuvre pour refroidir 30 de façon correspondante la pile à combustible. De manière générale, l'échangeur de chaleur de la pile à combustible est installé en aval dans le sens de l'écoulement derrière l'installation de climatisation et/ou de l'échangeur de chaleur de l'unité de condensation pour condenser le combustible, de façon qu'habituellement la température de l'unité de conden35 sation ou de l'installation de climatisation correspond au niveau de température le plus bas de l'installation à piles à combustible. De manière avantageuse, le réducteur de pression est une vanne notamment une vanne d'étranglement. Ce mode de réalisation de l'invention est particulièrement simple. Une vanne d'étranglement réalisée de manière appropriée 5 permet une régulation particulièrement exacte et relativement simple ou une réduction de la pression de stockage à la pression de fonctionnement. Grâce à la réduction relativement fiable de la pression de stockage à la pression de fonctionnement, on augmente avantageusement la sécurité de fonctionnement de l'installation de piles à combustible. Le réducteur de pression est de préférence réalisé sous la forme d'une machine fluidique générant de l'énergie mécanique. Cela permet de convertir l'énergie de pression dégagée par la chaleur d'expansion en énergie mécanique d'une manière avantageuse. Le cas échéant, l'énergie mécanique permet d'assurer différentes fonctions de l'installation 15 de piles à combustible ou analogue en particulier pour un véhicule, l'alimentation en énergie domestique ou analogue. Le cas échéant on utilise un générateur électrique pour fournir l'énergie électrique. L'énergie électrique ainsi fournie peut s'utiliser pour de multiples applications. Les consommateurs électriques d'un véhicule peuvent par exemple fonction20 ner avec cette énergie électrique. Le réducteur de pression comprend avantageusement un compresseur pour comprimer un carburant de fonctionnement en particulier pour la pile à combustible et/ou l'installation de climatisation. Cette variante de réalisation de l'invention permet d'exploiter l'énergie de pres25 sion du combustible pour un autre combustible dans l'installation de piles à combustible ou une installation de climatisation. De manière générale le réducteur de pression comporte une ou plusieurs vannes d'étranglement et/ou des machines fluidiques. Le cas échéant on utilise des composants du commerce ce qui permet un mode 30 de réalisation particulièrement avantageux et économique de l'invention. En principe, le réducteur de pression peut être constitué par un élément à un étage c'est-à-dire que la pression du réservoir est réduite à la pression de fonctionnement par une seule étape de procédé. Mais en variante dans des applications particulières on peut faire une re35 duction à plusieurs étapes de la pression de stockage jusqu'à la pression de fonctionnement. Dans cette dernière variante de l'invention, on prévoit avantageusement plusieurs étages d'expansion en série. En principe, la vanne d'étranglement ou la machine fluidique et l'échangeur de chaleur peuvent être constitués par des composants très séparés, associés ou encore sous la forme d'un unique ensemble intégré. Dans cette dernière variante de l'invention, on arrive à une intégration d'énergie particulièrement poussee. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, il est prévu au moins un échangeur de chaleur de préférence séparé pour chauffer le carburant. Cela permet d'éviter efficacement un refroidissement relativement intense du combustible par suite de l'expansion ou en10 core de chauffer le combustible ou carburant sensiblement à la température de fonctionnement de la pile à combustible. L'échangeur de chaleur séparé est éventuellement réalisé pour utiliser de la chaleur dégagée par la pile à combustible, celle du moteur à combustion interne et/ou celle d'autres composants dégageant de la chaleur pour chauffer le com15 bustible jusqu'à la température de fonctionnement de la pile à combustible. Pour cela, on peut utiliser une unité de chauffage séparée qui brle par exemple du combustible dans l'installation. De manière avantageuse, il est prévu au moins un moteur à combustion interne. Cela permet d'utiliser par exemple l'installation de 20 piles à combustible comme alimentation auxiliaire APU dans le véhicule. De manière avantageuse, le moteur à combustion interne constitue la source de chaleur et/ou le puits de froid selon l'invention. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 25 détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma par blocs d'une installation de piles à combustible selon l'invention, - la figure 2 est un schéma par blocs d'une autre installation de piles à 30 combustible selon l'invention y compris un circuit de refroidissement principal. Description de modes de réalisation La figure i montre une installation à piles à combustible comportant une pile à combustible 1 ou un ensemble de piles à combusti35 ble 1 et un réservoir sous pression 2 pour recevoir l'hydrogène sous pression. La pile à combustible 1 est par exemple une pile à combustible PEM 1 alimentée du côté de l'anode avec du l'hydrogène venant du réservoir sous pression 2. La pile à combustible 1 reçoit en outre de l'air 7 comme combustible. La réaction électrochimique entre l'hydrogène et l'oxygène génère du côté de la cathode, une veine d'air enrichie en eau. Pour un bi5 lan neutre en eau c'est-à-dire que l'eau 3, il n'y a pas lieu de s'alimenter en eau, on peut séparer par condensation l'eau 3, générée, en utilisant un séparateur 5. Cette eau est alors disponible pour humidifier la membrane. Selon l'invention, le froid engendré par l'expansion est utilisé grâce à un échangeur de chaleur WT1 et un séparateur 5 pour conden10 ser l'eau 3. La figure 1 montre clairement que la pression du réservoir 2 peut être réduite à l'aide d'une vanne d'étranglement 4 et/ou d'une turbine ou d'un moyen analogue pour être mise à la pression de fonctionnement de la pile à combustible 1. Il se produit une expansion du 15 combustible qui peut se refroidir de la température ambiante T1 à une température très basse T2 par exemple jusqu'à -100 C. Le froid engendré par l'expansion peut être fourni de préférence par un agent frigorifique approprié ou par l'échangeur de chaleur WT1 et/ou par contact thermique avec le séparateur d'eau 5 ou analogue, 20 par application directe. L'organe d'étranglement 4 peut être prévu par exemple à côté de l'échangeur de chaleur WTl. Selon la figure 2, pour une variante de réalisation, l'organe d'étranglement 4 et l'échangeur de chaleur WT1 sont réalisés sous la 25 forme d'un ensemble 10 en particulier très largement fermé; l'organe d'étranglement 4 est par exemple balayé par un fluide frigorifique. Il se peut que la température T3 en aval de l'échangeur de chaleur WT1 soit inférieure à la température de fonctionnement de la pile à combustible 1 de sorte qu'il faut utiliser en option un échangeur de 30 chaleur distinct WT2 pour réchauffer le combustible alimentant la pile à combustible 1. Cet échangeur WT2 est notamment en contact thermique avec la pile à combustible 1 pour utiliser avantageusement la chaleur dégagée par celle-ci. En diminuant la chaleur à évacuer par le circuit de refroidissement principal, on augmente le rendement global de l'installation. 35 Un circuit de refroidissement principal 8 de la pile à combustible 1 seulement représenté à la figure 1 peut être dimensionné plus petit grâce à l'invention ce qui réduit de façon correspondante l'ensemble des moyens constructifs à mettre en oeuvre. Le fluide de refroidissement du circuit de refroidissement 6 selon la figure 1 est par exemple à une température comprise entre 60 C et 90 C. La température dans le séparateur 5 se situe dans une plage de l'ordre de 40 C jusqu'à 60 C. La température de fonctionnement de la pile 5 à combustible 1 peut se situer dans une plage comprise entre 70 C et C. Le circuit de refroidissement 6 comprend principalement l'échangeur de chaleur WT1 et le séparateur 5. A la figure 2 on a utilisé les mêmes références qu'à la figure 10 1 pour désigner des éléments comparables. A la différence de la figure 1, la figure 2 montre un circuit de refroidissement principal 8 comprenant notamment un radiateur 9 avec son ventilateur ainsi que l'échangeur de chaleur WT1, le séparateur 5 et un échangeur de chaleur distinct WT3. L'échangeur de chaleur WT2 prévu en option n'est pas représenté à la fi15 gure 2. Sans plus de détail, un circuit de refroidissement principal 8 peut être utilisé pour l'installation de la figure 1 avec un échangeur de chaleur WT3 non représenté en détail pour refroidir la pile à combustible 1. La température du liquide de refroidissement d'environ C que l'on obtient avec le radiateur 9 le cas échéant usuel, est abaissée selon la figure 2 par l'échangeur de chaleur WT1. Le liquide de refroidissement éventuellement refroidi encore plus sert surtout tout d'abord à refroidir le séparateur d'eau 5. Le liquide de refroidissement peut avoir dans 25 ces conditions une température d'environ 50 C. De façon générale, le séparateur 5 est à la température la plus basse dans le système. En aval du séparateur 5, le liquide de refroidissement permet de refroidir la pile à combustible 1 à l'aide de l'échangeur de chaleur WT3. La température de fonctionnement de la pile à combustible se situe 30 dans une plage de l'ordre de 70 C à 80 C. Le niveau de température du liquide de refroidissement est quelque peu plus haut que dans le séparateur 5; toutefois la chaleur à évacuer est significativement plus importante dans le séparateur 5. Ensuite, le liquide de refroidissement passe dans le radiateur 9 du circuit de refroidissement principal 8. Selon la variante présentée, on peut réaliser plus simplement un bilan d'eau, neutre de l'installation à piles à combustible, plus simplement que selon l'état de la technique. De plus, on peut réduire les dimensions du circuit principal de refroidissement 8. On diminue ainsi l'encombrement et la puissance parasite liée au refroidissement du système comme par exemple celle du ventilateur de radiateur, de la pompe de circulation de liquide de refroidissement, etc.. D'une manière non représentée, la pile à combustible 1 gé5 nère de l'énergie électrique destinée par exemple au moteur électrique d'un véhicule. En variante, l'installation à piles à combustible selon l'invention peut également s'appliquer à des systèmes stationnaires comme par exemple à des installations de co-génération ou des installations similaires. D'une manière qui n'est pas non plus représentée, en variante ou en combinaison avec le séparateur 5, on peut utiliser la chaleur fournie par l'expansion par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur WT1 comme soutien ou comme moyen de climatisation de l'habitacle du véhicule ou d'un local; cela permet de réduire d'autant les charges parasites 15 liées à un compresseur de climatisation. En variante à l'organe d'étranglement 4 on peut également réduire la pression par une turbine éventuellement à plusieurs étages ou un moyen analogue qui récupère une partie de l'énergie de la pression en énergie mécanique utile. Le refroidissement du combustible ou gaz expan20 sé et le froid disponible seront réduits d'autant. De manière générale, à côté de carburants ou de combustibles contenant de l'hydrogène on peut également utiliser d'autres carburants ou combustibles comme par exemple du gaz naturel ou des combustibles analogues. En outre, pour le moteur à combustion interne on peut par exemple utiliser un réservoir de combustible sous pression pour stocker un combustible ou carburant et un réducteur de pression pour diminuer la pression de stockage jusqu'à la pression de fonctionnement, ce réducteur de pression étant réalisé comme dispositif de refroidissement pour au 30 moins un élément de refroidissement. REVENDICATIONS 1 ) Installation de piles à combustible comportant une pile à combustible (1), un réservoir de combustible (2) pour stocker un combustible mis en pression et un réducteur de pression (4) pour diminuer la pression de stockage jusqu'à la pression de fonctionnement, caractérisée en ce que le réducteur de pression (4) est réalisé comme dispositif de refroidissement (4, 10, WT1) pour refroidir au moins un élément de refroidissement (5). 2 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, caracterisee en ce que l'élément de refroidissement (5) est en forme d'échangeur de chaleur (5). 3 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de refroidissement (4, 10) comprend au moins deux échangeurs de chaleur (5, WT1, WT3). 4 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, 20 caractérisée en ce que l'élément de refroidissement (5) est une unité de condensation (5) pour le combustible. ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, 25 caractérisée en ce que l'élément de refroidissement (5) est une installation de climatisation pour climatiser un local. 6 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, 30 caractérisée en ce qu' une unité de refroidissement (8) de l'installation de piles à combustible comprend au moins le dispositif de refroidissement (4, 10). 7 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, 35 caractérisée en ce qu' au moins un échangeur de chaleur (WT2, WT3) équipe la pile à combustible (1). Il 8 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réducteur de pression (4) est en forme de vanne d'étranglement (4). 9 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réducteur de pression (4) est une machine fluidique générant de l'énergie mécanique. 10 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, caractérisée par un échangeur de chaleur (WT2) distinct pour chauffer le combustible. 11 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 10, 15 caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur distinct (WT2) utilise la chaleur dégagée par la pile à combustible (1). 12 ) Installation à piles à combustible selon la revendication 1, 20 caractérisée par au moins un moteur à combustion interne. 13 ) Unité d'énergie pour générer de l'énergie électrique et/ou de l'énergie thermique comprenant une installation de piles à combustible, 25 caractérisée en ce que cette installation est réalisée selon l'une quelconque des revendications précédentes. 14 ) Véhicule équipé d'une installation de piles à combustible, 30 caractérisé en ce que cette installation est réalisée selon l'une quelconque des revendications précédentes.