Brevet FR2870389A1 — publié le 20051118

Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule La présente invention est relative aux piles à combustible et en particulier à un dispositif d'alimentation en hydrogène d'une telle pile à combustible embarquée à bord d'un véhicule. Les piles à combustible permettent d'obtenir de l'énergie électrique sous forme d'un courant continu à partir d'un combustible, notamment l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène. La particularité de ces piles par rapport aux autres générateurs électrochimiques est l'alimentation continue en combustible, et donc en hydrogène. Les matières actives ne sont donc pas stockées dans les électrodes mais fournies continûment pendant toute la durée du fonctionnement de la pile. Pour un véhicule fonctionnant avec un système de traction ou un module de puissance à pile à combustible, la présence d'un reformeur permet l'utilisation d'un carburant liquide classique (par exemple le méthanol ou l'essence), facilement stockable dans le véhicule et facilement utilisable dans un système classique de distribution de carburant. Ce carburant est transformé dans le reformeur qui produit de l'hydrogène. L'hydrogène alimente ensuite la pile à combustible qui délivre un courant électrique permettant d'assurer la propulsion du véhicule par l'intermédiaire d'un moteur électrique. Un des problèmes des dispositifs utilisant de tels systèmes de reformage de carburant est que le reformât produit pour alimenter l'anode de la pile à combustible comporte une concentration en hydrogène de l'ordre de 40 à 75%. Afin d'améliorer l'utilisation de l'hydrogène dans le dispositif, la recirculation du flux anodique de sortie vers l'entrée de l'anode permet de recycler l'hydrogène sortant de l'anode de la pile et n'ayant pas été consommé par la pile. Cependant, le flux sortant de l'anode de la pile contient de l'hydrogène avec une moindre concentration que le flux entrant dans l'anode de la pile. Ainsi, le fait de faire recirculer le flux anodique depuis la sortie anodique vers l'entrée anodique et de la mélanger au flux sortant du système reformeur va diminuer la concentration en hydrogène du flux global entrant dans la pile. Or il est connu que plus la concentration en hydrogène du flux anodique io diminue, plus le rendement de la pile diminue. Afin de remédier à ce problème, le document FR-0014496 présente un dispositif à pile à combustible équipé d'un réservoir tampon à hydrogène situé entre un reformeur et la pile à combustible, dont les caractéristiques essentielles sont la présence, entre le reformeur et le réservoir tampon à hydrogène, d'une membrane à base de palladium et/ou de polymère et le volume réduit du réservoir tampon à hydrogène. Un des inconvénients d'un tel système est la présence d'un réservoir tampon dont le volume important entraîne des difficultés d'implantation dans le véhicule. D'autre part le document US-5441821 propose un dispositif à pile à combustible présentant un système de recirculation du flux anodique dans le cas d'une architecture hydrogène sans système de reformage de carburant embarqué dans le véhicule. Un des inconvénients d'un tel dispositif est qu'il faut embarquer un réservoir d'hydrogène dans le véhicule. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif d'alimentation en hydrogène amélioré d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule en augmentant le rendement du système plie à combustible et en optimisant l'utilisation de l'hydrogène dans ce système. La présente invention concerne donc un dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule équipé d'un moyen de reformage d'un carburant stocké dans un réservoir à carburant et d'une pile à combustible alimentée d'une part en hydrogène issu du reformeur à son anode et d'autre part en oxygène de l'air à sa cathode, l'air alimentant la pile étant comprimé par un moyen s de compression comprimant l'air pour l'ensemble dudit dispositif, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un moyen d'enrichissement en hydrogène au travers duquel circule le flux issu d'une sortie de l'anode, ledit moyen d'enrichissement en hydrogène permettant d'une part lo d'augmenter la concentration dudit flux anodique et d'autre part d'alimenter ladite anode en mélangeant ledit flux enrichi en hydrogène au flux issu du reformeur. Ainsi, la présente invention permet de diminuer le volume du réservoirtampon d'hydrogène tout en permettant néanmoins une alimentation continue en hydrogène et une diminution des émissions polluantes pendant le transitoire de démarrage du reformeur. De plus, le système selon l'invention n'utilise pas de carburant classique pour faire monter en température le système reformeur. De préférence, le dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes: - le moyen d'enrichissement en hydrogène comporte une membrane à base de palladium et/ou de polymère permettant d'enrichir le flux issu d'une sortie de l'anode (3) en hydrogène; - une pompe reliée d'une part au moyen d'enrichissement en hydrogène et d'autre part à une canalisation d'alimentation en hydrogène de l'anode, transporte le flux d'hydrogène issu d'une sortie de ladite anode vers une de ses entrées; La présente invention s'applique en outre à un véhicule comprenant un tel dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée à bord dudit véhicule. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par un dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente schématiquement un dispositif à pile à combustible selon l'invention, comprenant une boucle de recirculation du flux anodique. Bien que pouvant s'appliquer de façon générale à tous types de dispositifs à piles à combustible, l'invention sera plus particulièrement illustrée à titre d'exemple dans le cadre d'un véhicule automobile fonctionnant avec un système de traction à pile à combustible. Tel qu'il est représenté sur la figure 1, le dispositif à pile à combustible est équipé d'un reformeur 2 qui reçoit un carburant de départ à partir duquel est produit un gaz contenant de l'hydrogène. Le carburant de départ est stocké dans un réservoir 1 qui peut être embarqué à bord du véhicule et qui est relié au reformeur 3 par une canalisation 7. Ce carburant peut être un carburant liquide de type classique, tel que le méthanol ou l'essence. Le carburant est donc transformé dans le reformeur 2 qui produit un mélange gazeux contenant de l'hydrogène, le reformât. Ce mélange gazeux est envoyé vers une pile à combustible 5 par une canalisation 8. La proportion en hydrogène en volume dans le débit à la sortie du reformeur 2 varie entre 40% et 75%, en fonction de la technologie retenue et du carburant utilisé. Le flux d'hydrogène est amené par la canalisation 8 vers une entrée de l'anode 3 de la pile à combustible 5, de manière continue, permettant la réaction électrochimique de l'hydrogène et de l'oxygène de l'air à l'intérieur de la pile 5. L'air est amené par une canalisation 15 vers une entrée de la cathode 4 de la pile 5 à partir d'un moyen de compression d'air 6 comprenant une entrée d'air 16. Le moyen de compression 6 alimente aussi en air le reformeur 2 par une canalisation 17 et fournit l'air comprimé nécessaire à l'ensemble des composants du dispositif. La réaction produit notamment un courant électrique continu qui apparaît aux sorties 13 et 14, et qui peut être utilisé pour alimenter un moteur électrique de propulsion du véhicule. Bien entendu, toute autre application pourrait être envisagée. Afin de réutiliser l'hydrogène sortant de la pile à combustible 5 et n'ayant pas été consommé par la pile, le flux de sortie anodique recircule vers l'entrée de l'anode 3 par une canalisation 12. Un moyen de pompage 9 ou de circulation du flux est situé sur cette canalisation 12 de façon à transférer le flux de sortie anodique vers l'entrée de l'anode. Le dispositif comprend en outre une membrane à base de palladium et/ou de polymère permettant d'enrichir en hydrogène le flux anodique recirculé et positionné sur la boucle de recirculation 12. La grande diffusivité de l'hydrogène à travers cette membrane 10 est utilisée pour concentrer le flux gazeux en hydrogène. La concentration en hydrogène en sortie de la membrane vers l'entrée anodique 3, est proche de 100% et non plus de l'ordre de 75%, maximum de concentration possible avec l'utilisation d'un reformeur sans membrane. L'addition d'une membrane d'enrichissement 10 en hydrogène du flux permet de mélanger en entrée anodique 3 de la pile à combustible 5 le flux sortant du système reformeur et le flux recirculé enrichi. La membrane d'enrichissement 10 permet de concentré l'hydrogène non consommé par la pile à combustible 5 en fournissant un flux d'hydrogène de concentration supérieure. Ainsi, la concentration du flux global entrant dans la pile à combustible 5 est supérieure à celle du flux produit par le reformeur 2. De ce fait, les performances de la pile sont améliorées grâce à l'ajout d'une boucle de recirculation et une augmentation de la concentration en hydrogène du flux anodique. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule équipé d'un moyen de reformage (2) d'un carburant stocké dans un réservoir à carburant (1) et d'une pile à combustible (5) alimentée d'une part en hydrogène issu du reformeur (2) à son anode (3) et d'autre part en oxygène de l'air à sa cathode (4), l'air a alimentant la pile (5) étant comprimé par un moyen de compression (5) comprimant l'air pour l'ensemble dudit dispositif, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un moyen d'enrichissement en hydrogène (10) au travers duquel circule le flux issu d'une sortie de l'anode (3), ledit moyen d'enrichissement en hydrogène (10) permettant d'une part d'augmenter la concentration dudit flux anodique et d'autre part d'alimenter ladite anode en mélangeant ledit flux enrichi en hydrogène au flux issu du reformeur (2). 2. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'enrichissement en hydrogène (10) comporte une membrane à base de palladium et/ou de polymère permettant d'enrichir le flux issu d'une sortie de l'anode (3) en hydrogène. 3. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une pompe (9) reliée d'une part au moyen d'enrichissement en hydrogène (10) et d'autre part à une canalisation (8) d'alimentation en hydrogène de l'anode (3), transporte le flux d'hydrogène issu d'une sortie de ladite anode (3) vers une de ses entrées. 4. Véhicule comprenant un dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée à bord dudit véhicule selon l'une des revendications 1 à 4.