Brevet FR2867902A1 — publié le 20050923

Dispositif de valorisation des gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une pile à combustible L'invention concerne les piles à combustible et en particulier un dispositif de valorisation des gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une pile IO combustible_ Les piles à combustible sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire a la propulsion de véhicules automobiles. La pile à combustible est alors embarquée à bord du véhicules 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 membrane en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogêne (H2) et de l'oxygène.{02) en guise de combustible et de comburant respectivement. Un système pile combustible avec reformage destiné à générer la puissance électrique pour alimenter le moteur de traction d'un véhicule est équipé d'un groupe d'alimentation d'air de la pile proprement dite. Ce groupe d'alimentation d'air doit étre capable d'alimenter les différents composants avec des débits et des pressions définis. Ce système de compresseur embarqué dans le véhicule est destiné à alimenter en air comprimé le reformeur, le brûleur et le stack de la pile à combustible. Le groupe d'alimentation d'air de la pile à combustible est constitué d'une part d'un compresseur qui véhicule des fluides compressibles en transférant de l'énergie mécanique au fluide qui le traverse, et d'autre part d'une turbine qui récupère l'énergie contenue dans les gaz d'échappement en la transformant en énergie mécanique utilisée pour la compression, La pile à combustible est le seul générateur d'électricité du système. Cependant la totalité de cette énergie produite n'est pas utilisée par les applications, du type traction ou unité auxiliaire de puissance ( APU e), peur lesquelles de l'énergie électrique est produite. En effet, plusieurs équipements auxiliaires prélèvent une partie de cette puissance> pour leur propre fonctionnement. L'un des plus gros consommateurs d'énergie électrique du système est, par exemple, le système groupe d'alimentation en air de la pile à combustible, Par conséquent, afin de ne pas détériorer le rendement du système, il est indispensable de trouver une architecture de groupe de compression d'air qui minimise cette consommation électrique tout en fournissant au système pile à combustible de Fair comprimé à la pression de fonctionnement et ceci sur la plus grande plage de débit possible. Le document WO-02/3.9514A2 propose l'architecture et le fonctionnement d'un système pile à combustible complet intégrant un système de compression d'air et de récupération d'énergie utilisant trois composants un compresseur et deux turbines, Dans te document US4976506, une partie de l'air comprimé est directement chauffée dans un brCiIeur intermédiaire afin d'augmenter la puissance disponible à la turbine. Ce procédé permet d'augmenter d'une part la pression dans le système et d'autre part la puissance débitée à la compression, La document US-3982962 présente une architecture de système pile à combustible intégrant un turbocompresseur et une turbine. Le turbocompresseur fournit l'air comprimé au système et est entraîné par la turbine qui détend les gaz d'échappement anodique. Une seconde turbine transforme l'énergie des gaz cathodiques en énergie électrique grâce à un alternateur. Le problème de eue architectures réside dans la consommation importante d'énergie électrique et dans la détérioration du rendement du système. De plus de telles architectures nécessitent un nombre de pièces important qui fait augmenter le volume et le coût dur système. L'objet de la pr.sente invention est de fournir un dispositif de valorisation des gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une pile à combustible amélioré_ La présent invention fournit un dispositif de valorisation ira des gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une plie à combustible, du type comprenant un système pile à combustible prévu pour fournir une puissance électrique audit véhicule, un système de compression d'air permettant de comprimer l'air nécessaire aux différents composants du système, Caractérisé en ce que ledit système d'elimnentation d'air dudit système pile à combustible comporte des moyens d'alimentation d'air compressant ou détendant les gaz qui les traversent en fonction du régime de fonctionnement de ladite pile à combustible, ri Un des avantages de la présente invention est qu'elle permet de récupérer l'énergie contenue dans les gaz d'échappement et de diminuer la consommation électrique nécessaire è la compression de l'air, Elle permet en outre d'optimiser les rendements de chaque machine. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens d'alimentation d'air compressant ou détendant les gaz qui les traversent comportent un moyen d'alimentation d'air fonctionnant comme une turbine ou comme un compresseur en fonction du régime de fonctionnement de 3o ladite pile à combustible; - les moyens d'alimentation d'air compressant ou détendant les gaz qui les traversent comportent au moine un moyen d'alimentation d'air fonctionnant comme un compresseur; - les deux moyens d'alimentation d'air sont couplés à un moteur électrique; - le circuit d'alimentation d'air de la pile à combustible comprend un ensemble de vannes déterminant le circuit à emprunter en fonction du régime de fonctionnement de ladite pile à combustible; - un calculateur détermine le circuit d'alimentation d'air en fonction du régime de fonctionnement de la pile à combustible; et lit le calculateur commande les deux moyens d'alimentation d'air et un ensemble de vannes en fonction du régime de fonctionnement de la pile à combustible, La présente invention s'applique en outre à un procédé de valorisation des gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une pile à combustible comprenant des moyens d'alimentation en air, un ensemble de vannes, un moteur électrique et un calculateur, le procédé opérant en déterminant le débit de fonctionnement de la pile à combustible; en utilisant le moyen d'alimentation d'air comme un compresseur et le moyen d'alimentation d'air comme une turbine peur détendre les gaz d'échappement en sortie de pile à combustible, pour un régime de fonctionnement de ladite pile à combustible à faible débit; et en utilisant les moyens d'alimentation d'air comme des compresseurs, pour un régime de fonctionnement de ladite pile A combustible à fort débit. La présente invention s'applique en outre à un véhicule comprenant un tel dispositif de valorisation glas gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une pile à combustible ou utilisant un tel procédé. La présente invention sera mieux comprise travers l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exempte nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur leequels - la figure 1 est une vue schématique de l'installation fonctionnant à faible débit; - la figure 2 est une vue schématique de l'installation fonctionnant à fort débit Bien que pouvant s'appliquer de façon générale 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'elle est représentée sur la figure 1, l'installation de production d'électricité comprend i - un système pile à combustible 2 comprenant un reformeur de carburant permettant de transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogène pour alimenter la pile celé anode et une pile t combustible proprement dite qui transforme l'hydrogène avec de l'air en une puissance électrique; un système d'alimentation d'air permettant de comprimer l'air nécessaire pour le fonctionnement du système et de valoriser l'énergie des gaz d'échappement - un ensemble de trois vannes trois votes 7, B permettant G de réguler les débits dans les différentes lignes fluides; - un calculateur 1 relié au système pile à combustible 2 et à l'ensemble des trois vannes trois voies 7, 8 et 9. Ce calculateur est en outre destiné commander l'ouverture des vannes trois voies 7, B et 9 en fonction des besoins du système pila à 25 combustible 2. Par ailleurs, pour des raisons de clarté et de lisibilité dés figures précédemment citées, les différents flux d'air comprimés sont représentés par des traits différents en fonction des configurations de fonctionnement. Le flux d'air traversant la machine 5 est représenté par un trait mixte fin et le flux d'air traversant la machine B est représenté par un trait pointillé fin. De plus les Organes commandés par le calculateur 1 sont reliés par des traits continus fins. Le système d'alimentation d'air 3 doit fournir de Fair au système pile à combustible 2 à un débit, une pression et une température fixés en fonetion de la demande. Ce système d'air est composé de deux machines de compression 5 et 6 ou de détente suivant le régime de fonctionnement du système pile à combustible 2. Chaque machine 5 et 6 a une plage d'utilisation en débit comprise sensiblement entre un débit nul et la moitié du débit maximal de foneflonnement du système pile à combustible 2. L'architecture proposée est définie différemment selon la gamme de débit demandée par le système pile à combustible 2. Selon la gamme de débit, la commande des trois vannes 7, 8 et 9 permet d'utiliser avantageusement la machine 6 comme une turbine ou un compresseur. Dans le te où le débit demandé par le système pile à combustible 2 est faible, par exemple pour une plage de débits comprise entre la valeur d'un débit nul et la valeur de la moitié du débit maximal du régime de fonctionnement de la pile à combustible 2, la machine 5 fonctionne comme un compresseur et la machine 6 fonctionne comme une turbine. L'air entrant dans le compresseur 5 est aspiré depuis l'extérieur du véhicule par une canalisation 11 et est comprimé pour alimenter le système pile combustible 2 à sa pression de fonctionnement par une canalisation 10. A la sortie du système pile à combustible, les gaz arrivent dans l'a turbine 6 par des canalisations 17, 13 et 12 et y sont détendue, ce qui permet de fournir de la puissance mécanique au compresseur 5, via une liaison mécanique 20. Le complément d'énergie nécessaire à l'entraînement en rotation du compresseur 5 est fourni par un moteur électrique 4, via la liaison mécanique 20. Les gaz détendus sont rejetée dans 3D l'atmosphère par des conduites d'échappement 14 et 16 en passant par la vanne trois voies 8 qui est pilotée par le calculateur 1 pour ce type de configuration, Dans ce premier mode de réalisation, la conduite 15 reliant la conduite 10 à ta vanne trois voies 8 est condamnée petit que les gaz détendus dans la turbine $ ne soient pas dirigés dans le flux d'air entrant dans le système pile à combustible 2, Cette architecture permet de récupérer l'énergie contenue dans les gaz d'échappement et de diminuer la consommation électrique nécessaire à la compression de l'air pour les bas débits. De plus, dans le cas d'une application automobile et sur un Cycle de roulage classique, la moyenne des débits d'air demandés par le système pile à combustible 2 est située dans une plage de valeurs allant sensiblement d'un débit nul à la ta moitié du débit maximal; soit une utilisation selon l'invention utilisée pour la configuration représentée sur la figure 1 avec récupération d'énergie par la turbine. La consommation moyenne du système d'alimentation en air 3 est diminuée du fait de cette récupération d'énergie à petits débits. Selon l'invention, dans le mode de réalisation Illustré sur la figure 2, sur laquelle tee organes identiques portent tee mêmes références, et dans le cas où le débit demandé par le système pile combustible est fort, par exemple pour une plage de débits comprise entre la valeur de la moitié du débit maximal et la valeur du débit maximal du régime de fonctionnement du système pile à combustible 2, la machine 5 fonctionne comme un compresseur et la machine 6 fonctionne aussi comme un compresseur. Dans ce cas de figure, le débit global demandé est séparé en deux pour être comprimé par deux compresseurs distincts 5 et 8. Les deux flux d'air comprimé sont ensuite mélangés dans la conduite 3O avant d'alimenter le système pile à combustible 2 à la pression demandée. A la sortie du système, les gaz sont évacués dans l'atmosphère par des conduites d'échappement 17 et 18 via la vanne trois voies 9. Dans ce 3 deuxième mode de réalisation, la conduite 13 reliant la vanne trois voies 9 à la vanne trois voies 7 est condamnée pour que les gaz d'échappement issus du Système pile à. combustible 2 ne salent pas dirigés dans le flux d'air entrant dans le compresseur 6. Cette architecture permet en outre d'optimiser le rendement do chaque Machine 5 et 6 En effet, le fait de séparer le flux d'air en deux dans la configuration de ta figure 2 pour des -grands débits permet d'atteindre des rendements plus élevés pour chaque machine car la plage d'utilisation est plus réduite. De Plus, seulement deux machines assurent le fonctionnement de trois machines, ce qui permet d'optimiser l'intégration des composants dans le véhicule et les coùte de fabrication. REVENDICATIONS 1. Dispositif de vralorï atian des gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une pile à combustible, du type comprenant un système pile à combustible (2) prévu pour fournir une puissance électrique audit véhicule, un io système de compression d'air (3) permettant de comprimer l'air nécessaire aux différents composants du système, caractérisé en ce que ledit système d'alimentation d'air (3) dudit système pile à combustible (2 comporte des moyens d'alimentation d'air (5, 8) compressant ou détendant les gaz qui les traversent en fonction du régime de fonctionnement de ladite pile à combustible (2), 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation d'air (5,$) compressant ou détendant les gaz qui les traversent comportent un moyen d'alimentation d'air (6) fonctionnant comme une turbine ou comme tan compresseur en fonction du régime de fonctionnement de redite pile È combustible (2). 3. Dispositif selon rune des revendications I ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation d'air (5, 6) compressant ou détendant les gaz qui les traversent comportent au moins un moyen d'alimentation d'air (5) fonctionnant comme un compresseur_ 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce quo les deux moyens d'alimentation d'air (5, 6) sont couplés à un moteur électrique (4). n 5.Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation d'air (3) de la plie à combustible (2) comprend un ensemble de vannes (7, 8, 9) s déterminant le circuit à emprunter en fonction du régime de fonctionnement de ladite pile à combustible (2). 6,Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un calculateur (1) détermine le circuit i d'alimentation d'air en fonction du régime de fonctionnement de la pile à combustible (2). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit calculateur commande les deux moyens d'alimentation d'air (5, 6) et un ensemble de vannes (7; a. 9) en fonction du régime de fonctionnement de la pile combustible (2), 8. Procédé de valorisation des gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une pile à combustible comprenant des moyens d'alimentation en air (5. 6), un ensemble de vannes (7, 8, 9j, un moteur électrique (4) et un calculateur (1), le procédé opérant: - en déterminant le débit de fonctionnement de fa pile à combustible (2) - en utilisant le moyen d'alimentation d'air (5) comme un compresseur et le moyen d'alimentation d'air (6) comme une turbine pour détendre les gaz d'échappement en sortie de pile à combustible (2), pour un régime de fonctionnement de ladite pile à combustible (2) à faible débit et e - en utilisant les moyens d'alimentation d'air (5. 6) comme des compresseurs, pour un régime de fonctionnement de ladite pire à combustible (2) fort débit, 9. Véhicule comprenant un dispositif de valorisation des gaz d'un système d'alimentation d'air pour un véhicule équipé d'une pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 6 ou utilisant un procédé selon la revendication 7.