Brevet FR2854500A1 — publié le 20041105

Dispositif de post traitement des gaz effluents d'une pile à combustible, pile à combustible comportant un tel dispositif et véhicule comportant une telle pile L'invention se rapporte à dispositif de post traitement des gaz effluents d'une pile à combustible, ainsi qu'à une pile à combustible comportant un tel dispositif, et à un véhicule comportant une telle pile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de post traitement des gaz effluents d'une pile à combustible, comprenant une enceinte contenant des moyens réactifs destinés à coopérer avec le comburant et le carburant résiduels contenus dans les gaz effluents, pour générer de l'énergie thermique à partir de la réaction chimique entre le comburant et le carburant résiduels. Un dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible comprend, en général, une cathode destinée à être alimentée en comburant (oxygène) et une anode destinée à être alimentée en carburant (hydrogène) pour générer un courant électrique à partir d'une réaction chimique entre le carburant et le comburant. Classiquement, les effluents anodique et cathodique, c'est-à-dire les gaz aval à la sortie de la pile, sont traités pour optimiser le rendement de la pile et également pour assurer une récupération d'eau en vue de sa réutilisation par le système. Ainsi, des moyens de traitement sont prévus pour refroidir l'un au moins des flux aval et récupérer au moins une partie de l'eau contenue dans ce ou ces flux. Les moyens de traitement peuvent également comporter un brûleur catalytique en aval des moyens de récupération d'eau, qui assure une combustion de l'hydrogène en surplus dans le flux anodique aval. L'énergie générée par cette combustion peut être réutilisée par le système, par exemple au moyens d'un ou plusieurs échangeurs de chaleur. Dans les systèmes de brûleurs connus, les effluents anodique et cathodique sont mélangés dans une chambre de prémélange avant leur entrée dans un réacteur monolithe, ou injectés directement dans le c u̇r du catalyseur du réacteur. Cependant, dans certaines phases de fonctionnement de la pile, les concentrations en carburant et comburant ne sont pas contrôlées ou maîtrisées. Ainsi, il peut y avoir un risque d'auto inflammation du mélange et donc de détérioration du dispositif. De plus, lorsque les effluents sont injectés directement au c u̇r du réacteur, cela nécessite des tuyaux d'amenée au c u̇r du catalyseur, et donc des tuyaux compatibles avec des températures de fonctionnement très élevées. De ce fait, le dispositif nécessite une structure de construction coûteuse. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif de post traitement des gaz effluents d'une pile à combustible selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que l'enceinte comporte des entrées distinctes pour les gaz effluents contenant respectivement les comburant et carburant résiduels, et en ce que les moyens réactifs et l'enceinte sont conformés de façon à guider les deux gaz effluents au niveau respectivement de deux faces opposées des moyens réactifs, et en ce qu'il comporte des moyens de mise en communication d'au moins une partie des deux gaz effluents au sein des moyens réactifs. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les moyens de mise en communication sont conformés pour assurer une mise en communication graduelle et progressive des deux gaz effluents, - les moyens réactifs sont constitués d'un catalyseur poreux dont les pores constituent les moyens de mise en communication, - les moyens réactifs sont constitués d'un catalyseur de forme sensiblement tubulaire, les deux gaz effluents étant guidés au niveau respectivement des surfaces externe et interne du tube, - les entrées respectives de l'enceinte pour les gaz effluents sont disposées relativement de façon que ces derniers circulent sensiblement dans la même direction au sein de l'enceinte et au niveau des moyens réactifs,- les entrées respectives de l'enceinte pour les gaz effluents sont disposées relativement de façon que ces derniers circulent sensiblement dans des directions opposées au sein de l'enceinte et au niveau des moyens réactifs, - l'enceinte comporte une sortie pour les gaz brûlés issus de la réaction chimique entre le comburant et le carburant résiduels conformée de façon que les gaz brûlés quittent l'enceinte selon une direction sensiblement opposée à la direction de circulation de l'un au moins des gaz effluents dans l'enceinte, - la sortie est disposée de manière adjacente à l'une au moins des entrées des gaz effluents, de façon à autoriser un échange thermique entre les gaz brûlés et l'un au moins des effluents entrants,- l'entrée de l'un au moins des gaz effluents ainsi que les moyens de guidage de ces derniers au sein de l'enceinte ont une structure d'échangeur de chaleur pour augmenter l'échange thermique entre les gaz effluents entrants et les moyens réactifs et/ou les gaz sortants, - le dispositif comporte des moyens de chauffage, par exemple par effet joule, des moyens réactifs. Un autre but de l'invention est de proposer une pile à combustible comportant un dispositif de post traitement de ses gaz effluents conforme à l'une quelconque des caractéristiques précédentes. Un autre but de l'invention est de proposer un véhicule automobile, comportant une pile à combustion conforme à la caractéristique ci-dessus. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif de génération d'électricité à pile à combustible de type connu, - la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale et schématique d'un dispositif de post traitement des gaz effluents d'une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 2 selon la ligne AA, - la figure 4 représente une vue en coupe longitudinale et schématique d'un dispositif de post traitement des gaz effluents d'une pile à combustible selon un second mode de réalisation de l'invention,- la figure 5 représente une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 4 selon la ligne BB, - la figure 6 représente une vue en coupe longitudinale et schématique d'un dispositif de post traitement des gaz effluents d'une pile à combustible selon un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 7 représente une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 6 selon la ligne CC. En se référant à présent à la figure 1, le dispositif de génération d'électricité à pile à combustible de type connu comprend une cathode C destinée à être alimentée en comburant 15 (oxygène de l'air) et une anode A destinée à être alimentée en carburant 2 (hydrogène), pour générer un courant électrique à partir d'une réaction chimique entre le carburant 15 et le comburant 2. Classiquement, le comburant 15 peut être compressé dans un compresseur 24 puis refroidi et/ou humidifié dans un organe de conditionnement 25 en amont de la cathode C. Le carburant délivré à l'anode A peut provenir quant à lui d'un réservoir 26 d'hydrogène pur, ou d'un reformeur d'un carburant hydrogéné. L'énergie électrique produite par la réaction de la synthèse de l'eau entre la cathode C et l'anode A (selon la formule : H2+1/2O2 H2O) peut être utilisée, par exemple, pour assurer l'entraînement d'une chaîne de traction électrique 27 d'un véhicule. Par ailleurs, un circuit de fluide frigorigène 29 peut être prévu pour refroidir la pile à combustible. Les effluents 5, 6 des anode A et cathode C, c'est à dire les gaz en aval de la pile 1, sont envoyés à la sortie de la pile 1 vers des moyens de traitements 11 , 12 respectifs. Les moyens 11 de traitement des effluents cathodiques peuvent comporter, par exemple, des moyens de séparation de phase liquide/gaz et, en aval de ces derniers, un système de refroidissement/condensation. Des moyens de séparation de phase liquide/gaz supplémentaires peuvent être disposés sur le flux cathodique, en aval du système de refroidissement/condensation. Les moyens 12 de traitement des effluents anodiques peuvent comporter quant à eux des moyens de séparation de phase liquide/gaz et, en aval de ces derniers, un système de refroidissement/condensation. A la sortie des ces moyens de traitement, ou à la place de ceux-ci, les effluents anodiques et cathodiques peuvent être orientés vers un autre dispositif de post traitement tel qu'un brûleur catalytique. Un brûleur catalytique conforme à l'invention va à présent être décrit en référence aux figures 2 et 3. Le brûleur 1 comprend une enceinte 3 contenant des moyens 7 réactifs destinés à coopérer avec le comburant 15 et le carburant 26 résiduels contenus dans les gaz effluents 5, 6 pour générer de l'énergie thermique à partir de la réaction chimique entre ces derniers. Les moyens réactifs sont constitués d'un catalyseur de type connu tel que du ....???? Selon l'invention, l'enceinte 3 comporte deux entrées distinctes 4, 8 pour les gaz effluents 5, 6 contenant respectivement les comburant et carburant résiduels. Par ailleurs, le catalyseur 7 et l'enceinte 3 sont conformés de façon à guider les deux gaz effluents 5, 6 au niveau respectivement de deux faces opposées du catalyseur 7. Le catalyseur comporte des moyens de mise en communication d'au moins une partie des deux gaz effluents 5, 6 en son sein. De préférence, les moyens de mise en communication sont conformés pour assurer une mise en communication graduelle et progressive des deux gaz effluents 5, 6. Par exemple, le catalyseur 7 est constitué d'un matériau poreux dont les pores constituent les moyens de mise en communication des deux gaz 5, 6. Dans l'exemple de réalisation représenté, le catalyseur 7 a une forme sensiblement tubulaire, les deux gaz effluents 5, 6 étant guidés au niveau respectivement des surfaces externe (effluents cathodiques par exemple) et interne du tube (effluents anodiques). De cette façon, les deux gaz 5, 6 diffusent à travers les porosités du catalyseur et se rencontrent à l'intérieur de celui- ci. De cette façon, les gaz 5, 6 se mélangent et réagissent de façon graduelle et progressive. Cette oxydation douce évite notamment les risques d'explosion. Les entrées 4, 8 respectives de l'enceinte 3 pour les gaz effluents 5, 6 sont disposées d'un même côté de l'enceinte 3, de façon que ces derniers circulent sensiblement dans la même direction au sein de l'enceinte 3 et au niveau du catalyseur 7. La sortie 9 des gaz 10 mélangés et brûlés peut être située quant à elle à l'extrémité opposée à l'entrée 4, 8 des effluents 5, 6. De cette façon, les gaz 10 brûlés s'échappent de l'enceinte selon sensiblement la même direction que les gaz 5, 6 entrants. La figure 3 illustre le caractère tubulaire du catalyseur 7 et le sens de circulation des différents gaz. En effet, les croix cerclées symbolisent un sens de circulation perpendiculaire au plan de la figure et orienté vers la figure. De cette façon, on distingue clairement que tous les gaz 5, 6 10 circulent selon un même sens de circulation. Les figures 4 et 5 représentent une variante de réalisation de l'invention sensiblement identique à celle décrite ci-dessus. Par soucis de simplification les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques. Le dispositif des figures 4 et 5 se distingue de celui des figures 2 et 3 uniquement par le fait que les entrées 4, 8 respectives dans l'enceinte 3 pour les deux gaz effluents 5, 6 sont disposées de manière sensiblement opposée de part et d'autre de l'enceinte 3, de façon que les deux gaz 5, 6 circulent sensiblement dans des directions opposées au sein de l'enceinte 3 et au niveau du catalyseur 7. Par ailleurs, l'enceinte 3 comporte deux sorties 9, 19 pour les gaz brûlés situés respectivement aux deux extrémités de l'enceinte 3. C'est à dire qu'une partie des gaz brûlés 10 circule dans la même direction que les effluents anodiques 6 entrants dans l'enceinte 3, tandis que le reste des gaz brûlés 10 circule dans le même sens que les effluents cathodiques 5 entrants. De la même manière que précédemment, la figure 5 illustre les sens de circulation des différents gaz 5, 6, 10. Le point noir entouré d'un cercle symbolise un sens de circulation perpendiculaire au plan de la figure et orienté vers l'extérieur de la figure (vers le lecteur). On constate ainsi que les deux effluents 5, 6 entrants circulent dans des directions opposées. Dans cette configuration, les tuyaux d'amenée des effluents anodiques 6 et cathodique 5 sont adjacents aux tuyaux de sortie des gaz brûlés 10. De cette façon, les deux gaz effluents 5, 6 sont réchauffés lors de leur entrée dans l'enceinte 3 par rayonnement et/ou conduction et/ou convection avec les gaz brûlés 10. Ce préchauffage améliore notamment le rendement de la réaction au sein de l'enceinte 3. Les figures 6 et 7 représentent une variante de réalisation préférée de l'invention sensiblement identique à celle décrite ci-dessus. Par soucis de simplification les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques. Le dispositif des figures 6 et 7 se distingue de celui des figures 4 et 5 uniquement par le fait que le tuyau d'entrée 8 de l'effluent 6 anodique a la structure d'un échangeur de chaleur, tel qu'un échangeur à tubes, pour augmenter l'échange thermique entre le gaz effluent 6 et les gaz brûlés 10. De même, le tuyau de sortie 19 des gaz brûlés peut avoir la structure d'un échangeur à tubes, pour augmenter l'échange thermique entre les gaz brûlés 10 et l'effluent cathodique 5 entrant. Par ailleurs, le dispositif peut comporter des moyens de chauffage, par exemple par effet joule, du catalyseur 7, destinés, par exemple, à accélérer la montée en température du catalyseur 7 au début de son fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de post traitement des gaz effluents d'une pile à combustible, comprenant une enceinte (3) contenant des moyens (7) réactifs destinés à coopérer avec le comburant (15) et le carburant (26) résiduels contenus dans les gaz effluents (5, 6) pour générer de l'énergie thermique à partir de la réaction chimique entre le comburant (15) et le carburant (26) résiduels, caractérisé en ce que l'enceinte (3) comporte des entrées distinctes (4, 8) pour les gaz effluents (5, 6) contenant respectivement les comburant et carburant résiduels, et en ce que les moyens (7) réactifs et l'enceinte (3) sont conformés de façon à guider les deux gaz effluents (5, 6) au niveau respectivement de deux faces opposées des moyens (7) réactifs, et en ce qu'il comporte des moyens de mise en communication d'au moins une partie des deux gaz effluents (5, 6) au sein des moyens (7) réactifs. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mise en communication sont conformés pour assurer une mise en communication graduelle et progressive des deux gaz effluents (5, 6). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (7) réactifs sont constitués d'un catalyseur poreux dont les pores constituent les moyens de mise en communication. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens (7) réactifs sont constitués d'un catalyseur de forme sensiblement tubulaire, les deux gaz effluents (5, 6) étant guidés au niveau respectivement des surfaces externe et interne du tube. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les entrées (4, 8) respectives de l'enceinte (3) pour les gaz effluents (5, 6) sont disposées relativement de façon que ces derniers circulent sensiblement dans la même direction au sein de l'enceinte (3) et au niveau des moyens (7) réactifs. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les entrées (4, 8) respectives de l'enceinte (3) pour les gaz effluents (5, 6) sont disposées relativement de façon que ces derniers circulent sensiblement dans des directions opposées au sein de l'enceinte (3) et au niveau des moyens (7) réactifs. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enceinte (3) comporte une sortie (9) pour les gaz brûlés issus de la réaction chimique entre le comburant (15) et le carburant (26) résiduels conformée de façon que les gaz brûlés (10) quittent l'enceinte selon une direction sensiblement opposée à la direction de circulation de l'un au moins des gaz effluents dans l'enceinte (3). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie (9) est disposée de manière adjacente à l'une au moins des entrées (4, 8) des gaz effluents (5, 6), de façon à autoriser un échange thermique entre les gaz brûlés (10) et l'un au moins des effluents (5, 6) entrants. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'entrée (8) de l'un au moins des gaz effluents (5, 6) ainsi que les moyens de guidage de ces derniers au sein de l'enceinte (3) ont une structure d'échangeur de chaleur pour augmenter l'échange thermique entre les gaz effluents (6) entrants et les moyens (7) réactifs et/ou les gaz sortants (10). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage, par exemple par effet joule, des moyens (7) réactifs. 11. Pile à combustible caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de post traitement de ses gaz effluents conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 12. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une pile à combustion conforme à la revendication 11.