Brevet FR2845825A1 — publié le 20040416

- r "Dispositif de récupération d'eau dans une installation de production d'électricité comprenant une pile à combustible" L'invention concerne une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible. L'invention concerne plus particulièrement une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comportant au moins un orifice d'évacuation de gaz résiduels qui sont constitués io notamment d'air et de vapeur d'eau, et qui sont rejetés dans une conduite d'évacuation dans laquelle est agencé un condenseur qui liquéfie la vapeur d'eau, l'eau liquide étant dérivée depuis la conduite d'évacuation vers un circuit d'eau liquide. Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour 15 fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles. La pile à combustible est alors embarquée à bord du véhicule. Une pile à combustible est constituée principalement de deux électrodes, une anode et une cathode, qui sont séparées par 20 un électrolyte. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydoréduction suivantes: - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, qui alimente l'anode en continu; et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la cathode en continu. Les piles à combustible utilisées pour fournir de l'énergie électrique à bord de véhicules automobiles sont généralement du type à électrolyte solide, notamment à électrolyte formé par une 30 membrane en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) en guise de combustible et de comburant respectivement. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec les gaz d'échappement une quantité non négligeable de f substances polluantes, la pile à combustible offre notamment l'avantage de rejeter principalement de l'eau qui est produite par la réaction de réduction à la cathode. La pile rejette aussi une partie du comburant qui n'a pas 5 réagi sous forme de gaz d'évacuation cathodique et elle rejette éventuellement une partie du carburant qui n'a pas réagi sous forme de gaz d'évacuation anodique. Dans ce dernier cas, le carburant est généralement brlé avant d'être rejeté dans l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau. De plus, le comburant d'une pile du type décrit précédemment peut être de l'air ambiant dont l'oxygène (02) est réd uit. Le comburant est généralement humidifié avant d'être injecté à la cathode de façon que la membrane en matériau 15 polymère ne soit pas endommagée, par exemple par assèchement. Cette opération d'humidification est également appliquée au carburant lorsque ce dernier ressort de l'anode via un orifice d'évacuation anodique. L'eau nécessaire à l'humidification de la membrane est 20 généralement récupérée en sortie de pile, et plus particulièrement dans les gaz d'évacuation cathodique qui comportent de l'eau, sous forme liquide ou vapeur, qui est produite par la réaction de réduction du comburant à la cathode. La récupération d'eau à la sortie de la cathode présente en 25 effet l'avantage de ne pas avoir à renouveler fréquemment les réserves d'eau du véhicule. De plus, si suffisamment d'eau peut être récupéré pour humidifier la membrane, il n'est pas nécessaire que le véhicule soit équipé d'un réservoir d'eau de volume important. Pour récupérer l'eau produite à la cathode, il est connu d'agencer un condenseur dans le flux de gaz d'évacuation cathodique. Pour un fonctionnement optimal de la pile à combustible qui est alimentée par du comburant et du carburant sous pression atmosphérique, ce type de condenseur nécessite i en général une source de froid dont la température doit être maintenue entre 20 et 300C. Cette solution n'est pas applicable car les véhicules automobiles sont généralement prévus pour évoluer dans un 5 environnement dont la température est susceptible de varier entre -200C et 450C environ. L'utilisation d'un condenseur nécessite donc l'utilisation d'un dispositif de climatisation coteux qui n'est pas disponible sur tous les modèles de véhicule. Il est donc connu d'augmenter la pression du comburant io dans le circuit cathodique tout en conservant le condenseur. En effet, en augmentant la pression des gaz d'évacuation contenant de la vapeur d'eau, la température de point de rosée de la vapeur d'eau est également augmentée. La température de point de rosée est la température à laquelle la vapeur d'eau se condense. 15 Un brouillard de condensation se dépose alors sur les surfaces dont la température est inférieure à la température de point de rosée. Ainsi, lorsque les gaz d'évacuation sont injectés dans le condenseur par exemple à une pression de 4 bars, la source 20 froide du condenseur doit alors être maintenue à une température d'environ 600C pour fonctionner de façon optimale. Il est beaucoup plus aisé de maintenir la source froide du condenseur à une température plus grande que la température ambiante. Cependant, une telle solution requiert une mise sous 25 pression de l'ensemble des circuits d'alimentation de la pile à combustible sous peine de dégradation de cette dernière. Il est donc nécessaire d'utiliser une partie non négligeable de l'énergie fournie par la pile pour comprimer les circuits de comburant et de carburant au détriment du rendement de la pile à combustible. Pour résoudre ces problèmes, l'invention propose une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile du type décrit précédemment, caractérisée en ce qu'elle comporte un compresseur qui est intercalé dans la conduite d'évacuation en amont du condenseur. 1. f Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le compresseur comprime les gaz résiduels de façon que la température de point de rosée de la vapeur d'eau soit supérieure à la température du condenseur l'installation comporte une turbine qui est intercalée dans la conduite d'évacuation en aval du condenseur, et qui entraîne le compresseur - la turbine et le compresseur forment un turbocompresseur - l'installation comprend un reformeur qui alimente la pile à combustible en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pressions qui sont injectés dans la turbine. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui 15 suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique annexée qui est une représentation schématique de l'installation de production d'électricité réalisée selon les enseignements de l'invention. On a représenté à la figure I une installation de production 20 d'électricité 10 qui est ici embarquée à bord d'un véhicule automobile. L'installation 10 comporte principalement une pile à combustible 12 dont l'électrolyte est ici une membrane de polymère 14. La pile à combustible 12 comporte une anode 16 et une 25 cathode 18. La cathode 18 est alimentée en continu par un comburant qui est ici de l'air. L'anode 16 est alimentée en continu par un carburant qui est ici principalement de l'hydrogène (H2). Les débits de comburant et de carburant sont ici régulés en fonction de la puissance électrique requise pour le véhicule 30 automobile. La pile à combustible 12 est traversée par un premier circuit cathodique 20 de comburant qui est représenté en trait continu fin à la figure 1, et elle est traversée par un second circuit anodique 22 de carburant qui est représenté en trait continu gras. Le circuit cathodique 20 comporte notamment une conduite d'alimentation cathodique 24 qui est raccordée à un orifice d'alimentation cathodique 26 afin d'alimenter la cathode 18 en air. La cathode 18 comporte un orifice d'évacuation cathodique 28 par s lequel les gaz d'évacuation cathodique, ou gaz résiduels, c'est-àdire n'ayant pas été consommés par la cathode, sont évacués dans une conduite d'évacuation cathodique 30. La conduite d'évacuation cathodique 30 est raccordée à un compresseur 32 qui est ici entraîné mécaniquement par une io turbine 34. Le compresseur 32 est destiné à comprimer les gaz d'évacuation cathodique qui sont ensuite guidés par une conduite de récupération d'eau 36 jusqu'à un condenseur 38. La turbine 34 et le compresseur 32 forment ici un turbocompresseur 40. Le condenseur 38 est destiné à recueillir l'eau liquide 15 contenue dans les gaz d'évacuation cathodique comprimés. Après passage dans le condenseur 38, les gaz d'évacuation cathodique sont ensuite expulsés dans l'atmosphère par une conduite d'expulsion des gaz 42 dans laquelle la turbine 34 est interposée. Le circuit anodique 22 comporte notamment un réservoir 44 contenant un carburant usuel qui est ici de l'essence et qui est situé en amont de l'anode 16. L'essence est guidée par une tubulure d'acheminement de l'essence 46 depuis le réservoir 44 jusqu'à un reformeur 48 qui est destiné à extraire l'hydrogène (H2) 25 de l'essence. Le reformeur 48 rejette un reformât contenant de l'hydrogène (H2) dans une tubulure d'alimentation anodique 50 qui est raccordée à un orifice d'alimentation anodique 52 qui débouche à l'anode 16 de la pile à combustible 12. Après consommation d'une partie de l'hydrogène (H2), le carburant résiduel est ici injecté via une tubulure d'évacuation anodique 54 dans un brleur 56 qui est ici intégré au reformeur 48 afin d'y être brlé. Les gaz d'échappement résultants de cette opération sont ensuite évacués par un orifice d'échappement 58 du brleur 56 dans une tubulure d'échappement 60 du brleur 56 qui est raccordée à la conduite d'expulsion 42 en amont de la turbine 34. Après leur passage dans la turbine 34, les gaz d'échappement sont ainsi rejetés dans l'atmosphère avec les gaz d'évacuation cathodique. L'installation 10 comporte aussi un circuit de distribution d'eau 62 qui est représenté en trait interrompu sur la figure. Le circuit de distribution d'eau 62 comporte un réservoir d'eau 64. Le réservoir d'eau 64 est alimenté en eau par le condenseur 38 via io un conduit d'écoulement d'eau 66. L'eau récupérée par le condenseur 38 est ensuite distribuée par un réseau de distribution d'eau 68 au reformeur 48 ainsi qu'à un dispositif d'humidification 70 du carburant et du comburant qui est agencé dans la conduite d'alimentation 15 cathodique 24 et dans la tubulure d'alimentation anodique 50. La distribution de l'eau est ici réalisée grâce à une pompe à eau 72. Nous allons maintenant décrire le fonctionnement d'une telle installation 10, et notamment le fonctionnement du dispositif de récupération d'eau. Dans le circuit anodique 22, l'essence est conduite dans le reformeur 48 par la tubulure d'acheminement de l'essence 46. Le produit de l'opération de reformage est appelé " reformât ". Le reformât est constitué principalement d'hydrogène (H2), de monoxyde de carbone (CO), de dioxyde de carbone (CO2), 25 d'azote (N2) et d'eau (H20). Le reformât est le combustible qui alimente l'entrée anodique 34 par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation anodique 92. Il est ici injecté à l'anode 16 sous une pression d'environ 1 bar après passage dans le dispositif d'humidification. Dans le circuit cathodique 20, l'air atmosphérique est admis dans la conduite d'alimentation cathodique 24. L'air qui est ici à pression atmosphérique, c'est-à-dire environ 1 bar, est ensuite introduit à la cathode 18 par l'orifice d'alimentation cathodique 26 après passage dans le dispositif d'humidification. La pile à combustible 12 est ainsi alimentée en combustible et en comburant. Des réactions d'oxydation à l'anode 16 et de réduction à la cathode 18 permettent alors la production d'énergie électrique. Lorsque le combustible est en contact avec l'anode 16, % à 95% de l'hydrogène (H2) est ici oxydé. Le reste du combustible est rejeté sous forme de gaz d'évacuation anodique vers le brleur 56 par l'intermédiaire de la tubulure d'évacuation anodique 54. Lors du contact de l'air avec la cathode 18, une portion de l'oxygène (02) contenu dans l'air est réduite en eau. Les surplus d'air et d'eau sont ensuite évacués sous forme de gaz d'évacuation cathodique par la conduite d'évacuation cathodique 30 jusqu'au compresseur 32. L'eau est présente dans les gaz 15 d'évacuation cathodique sous forme de liquide et sous forme de vapeur. Les gaz d'évacuation cathodique ont ici une température d'environ 70QC. Les gaz d'évacuation cathodique comportent alors de l'eau sous forme de liquide et de vapeur. Dans le compresseur 32, les gaz d'évacuation cathodique sont ensuite comprimés jusqu'à une pression par exemple de 4 bars de façon que la température de point de rosée de la vapeur d'eau, comme expliqué précédemment, soit supérieure à la température du condenseur 38, c'est-à-dire environ 60GC. Après compression, les gaz d'évacuation cathodique sont injectés au condenseur 38. Le condenseur 38 est maintenu à une température inférieure à la température de point de rosée de l'eau de façon que l'eau contenue dans les gaz d'évacuation cathodique se liquéfie globalement. L'eau est ensuite dérivée jusqu'au réservoir d'eau 64 par le conduit d'écoulement d'eau 66. Après le passage dans le condenseur 38, les gaz d'évacuation cathodique sont injectés à la turbine 34. Avantageusement, le turbine 34 et le compresseur 32 sont situés à proximité du condenseur 38 de façon que les gaz d'évacuation cathodique qui arrivent à la turbine 34 subissent peu de pertes de charges. Les gaz d'évacuation cathodique sont ainsi 5 susceptibles de fournir une partie non négligeable d'énergie pour entraîner le compresseur 32. La tubulure d'échappement 60 du brleur 56 est ici reliée à la turbine 34 de façon à fournir un complément d'énergie suffisant pour que le compresseur 32 comprime les gaz d'évacuation 10 cathodique à la pression désirée. Une telle installation 10 permet de ne pas avoir à mettre sous pression toute la pile à combustible 12, ce qui entraîne des pertes de charge non négligeables entre le compresseur 32 et la turbine 34. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité (10) à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible (12) comportant au moins un orifice d'évacuation de gaz résiduels 5 (28) qui sont constitués notamment d'air et de vapeur d'eau, et qui sont rejetés dans une conduite d'évacuation (30, 36) dans laquelle est agencé un condenseur (38) qui liquéfie la vapeur d'eau, l'eau liquide étant dérivée depuis la conduite d'évacuation (36) vers un circuit d'eau liquide (62), caractérisée en ce qu'elle comporte un compresseur (32) qui est intercalé dans la conduite d'évacuation (30) en amont du condenseur (38). 2. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le compresseur (32) comprime les gaz 15 résiduels de façon que la température de point de rosée de la vapeur d'eau soit supérieure à la température du condenseur (38). 3. Installation (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine (34) 20 qui est intercalée dans la conduite d'évacuation (42) en aval du condenseur (38), et qui entraîne le compresseur (32). 4. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la turbine (34) et le compresseur (32) forment un turbocompresseur (40). 5. Installation (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un reformeur (48) qui alimente la pile à combustible (12) en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pression qui sont injectés dans la turbine (34).