Brevet FR2866474A1 — publié le 20050819

L'invention concerne principalement un système à pile à combustible ainsi que des applications possibles d'un tel système. L'invention concerne également un procédé d'alimentation en oxygène de la cathode d'une pile à combustible. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène tel que l'air par exemple, le seul produit de la réaction étant l'eau accompagné d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité. Ainsi, une pile à combustible peut être utilisée pour fournir l'énergie électrique à tout dispositif en nécessitant par exemple un ordinateur, un téléphone portable mais elle peut être également utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans un véhicule. Au sein de la pile à combustible, il se produit les réactions respectivement anodique et cathodique suivantes. Réaction anodique: H2 --> 2e- + 2H+ Réaction cathodique: % 02 + 2H+ + 2e- H2O Il résulte de ces deux réactions anodique et cathodique la réaction chimique globale suivante: H2 + 1/2 O2 -* H2O au cours de laquelle la quantité d'eau produite dépend du nombre de réactions se produisant à l'anode et à la cathode, cette quantité d'eau produite étant ainsi liée aux performances de la pile. Dans le cas d'une pile à combustible embarquée sur un véhicule automobile, l'hydrogène servant de carburant peut être soit stocké, soit produit à bord du véhicule 2866474 2 par une opération de reformage qui permet, par des opérations chimiques, de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un hydrocarbure stocké à bord. On appelle système à pile à combustible, le dispositif permettant de produire de l'électricité à partir du carburant embarqué en utilisant une pile à combustible. En ce qui concerne l'alimentation en oxygène de la cathode de la pile à combustible, on cherche à éviter le stockage d'oxygène à bord du véhicule et ainsi, l'alimentation cathodique se fait généralement à partir de l'air ambiant. Le fonctionnement de la pile se faisant avantageusement sous pression ce qui permet d'augmenter sa densité de puissance et donc de diminuer son encombrement, l'air ambiant est amené à la pression de fonctionnement de la pile à combustible par un dispositif de compression. Comme le potentiel de la pile, et par conséquent ses performances, dépendent directement de la pression partielle en oxygène au niveau de la cathode, la pression de fonctionnement de la pile doit être augmentée pour compenser le relativement faible taux en oxygène dans l'air ambiant utilisé et permettre ainsi d'atteindre des performances acceptables de la pile. Cette augmentation de pression permet également de faire passer un maximum d'eau produite dans la phase liquide afin de pouvoir facilement la réutiliser ailleurs dans le système pile à combustible et ainsi de pouvoir obtenir une balance d'eau positive ou nulle, c'est-à-dire que l'eau produite par la réaction électrochimique de la pile à combustible compense la consommation d'eau du système pile provenant par exemple de l'échappement de la pile du côté anodique et du côté cathodique et du système de reformage du carburant si le système à pile à combustible en comporte un. 2866474 3 Il est préférable d'obtenir un bilan en eau équilibrée afin de s'affranchir d'un réservoir d'eau à remplissage externe. Bien entendu, il est également nécessaire que la quantité d'énergie produite dans le système à pile à combustible permette d'alimenter convenablement le dispositif en nécessitant. Lors de l'utilisation d'un système à pile à combustible pour la traction d'un véhicule automobile ou pour d'autres applications, la puissance utilisable se définit comme la puissance électrique fournie par la pile diminuée de la puissance utilisée par les organes annexes permettant le bon fonctionnement de la pile, ces organes étant aussi appelés auxiliaires du système à pile à combustible. Or, le dispositif de compression, qui est l'un de ces auxiliaires, est un fort consommateur d'énergie puisqu'il comprime le gaz à une pression accrue de fonctionnement de la pile pour les raisons expliqués précédemment et ainsi, cette forte consommation du dispositif de compression pénalise la puissance utilisable pour la traction d'un véhicule. L'adjonction d'une turbine de détente à l'échappement de la pile est une solution connue pour valoriser l'énergie de pression mais l'énergie que la turbine retire des gaz d'échappement est insuffisante pour compenser totalement la consommation d'énergie du dispositif de compression. Ainsi, même en présence d'une turbine de détente, le dispositif de compression doit être motorisé ce dont il résulte une consommation d'énergie du compresseur excessive au détriment de l'énergie utilisée pour la traction, cette consommation du compresseur pouvant atteindre 25 de la production électrique de la pile. Dans ce contexte, l'invention vise principalement un système à pile à combustible permettant de pallier les inconvénients précités à savoir accroître la puissance 2866474 4 utilisable pour la traction tout en maintenant des performances acceptables de la pile à combustible permettant, notamment, de s'affranchir d'un réservoir d'eau à remplissage externe. A cet effet, le dispositif de l'invention est essentiellement caractérisé en ce que ce que la ligne d'alimentation en oxygène 5 de la cathode 4 comprend au moins un dispositif d'enrichissement en oxygène 21 d'un gaz contenant de l'oxygène, dit gaz d'entrée du dispositif d'enrichissement, qui est disposé en amont du dispositif de compression 23, le gaz d'entrée du dispositif de compression 23 étant alors enrichi en oxygène. Le dispositif d'enrichissement en oxygène 21 peut 15 être un dispositif de séparation de gaz 21. Aussi, le dispositif de séparation de gaz 21 peut être un dispositif à membrane 21 ou un dispositif d'adsorption/désorption 21. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la ligne d'alimentation en oxygène 5 de la cathode 4 comprend deux vannes 27,28 disposées respectivement en amont et en aval du dispositif d'enrichissement 21 reliées par un conduit de gaz 26 et formant ainsi un circuit de dérivation 26. De préférence, les vannes 27 et 28 sont des électrovannes à trois voies 27,28. En outre, les électrovannes 27,28 peuvent être commandés par un dispositif de commande. Dans le système de l'invention, le dispositif de 30 compression 23 est généralement entraîné par un moteur électrique 12. De façon avantageuse, le gaz d'entrée du dispositif d'enrichissement 21 est de l'air qui a été préalablement filtré par un filtre à air 19 disposé en amont du dispositif d'enrichissement en oxygène 21. 2866474 5 De préférence, le système de l'invention comprend une turbine de détente 11 des gaz anodiques et cathodiques résiduels. Le système peut également comprendre un brûleur des 5 gaz anodiques résiduels 11. Le système de l'invention trouve application pour assurer la traction d'un véhicule automobile mais trouve également application pour assurer, en plus de la traction, l'alimentation des dispositifs électriques contenue dans le véhicule automobile. L'invention concerne également un procédé d'alimentation en oxygène de la cathode 4 d'une pile à combustible 1 dans lequel un gaz chargé en oxygène est comprimé, lors d'une étape de compression, de façon à atteindre la pression de fonctionnement de la pile à combustible 1, le gaz comprimé étant injecté dans la cathode 4 qui est essentiellement caractérisé en ce que le gaz chargé en oxygène peut être préalablement enrichi en oxygène, avant d'être comprimé, lors d'une étape d'enrichissement en oxygène. Selon le second mode de réalisation de l'invention, le gaz chargé en oxygène est enrichi en oxygène lorsque la différence entre la consommation électrique engendrée par l'étape de compression lorsque le gaz chargé en oxygène est enrichi et la consommation électrique engendrée par l'étape de compression lorsque le gaz chargé en oxygène n'est pas enrichi est inférieure ou égale à la différence entre les performances électriques de la pile à combustible lorsque le gaz chargé en oxygène est enrichi et les performances électriques de la pile à combustible lorsque le gaz chargé en oxygène n'est pas enrichi. En outre, dans le procédé de l'invention, l'étape d'enrichissement en oxygène peut consister à séparer partiellement ou totalement l'oxygène des autres composants du gaz chargé en oxygène et le gaz enrichi en 2866474 6 oxygène résultant de l'étape d'enrichissement subit l'étape de compression. Il est également possible que l'étape d'enrichissement en oxygène consiste à fixer les molécules d'oxygène du gaz sur un substrat, à purger les autres molécules contenues dans le dit gaz et à récupérer l'oxygène par un vide léger, le gaz enrichi en oxygène résultant de l'étape d'enrichissement subissant alors l'étape de compression. De façon avantageuse, le gaz chargé en oxygène est de l'air, le cas échéant, filtré. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est notamment faite au regard du dessin unique annexé qui est une vue synoptique du système à pile à combustible de l'invention. Le système à pile à combustible de l'invention comprend principalement une pile à combustible 1 comportant une anode 2 alimentée en hydrogène par une ligne d'alimentation en hydrogène 3 et une cathode 4 alimentée en oxygène par une ligne d'alimentation en oxygène 5 qui sera décrite en détail plus loin. En sortie de l'anode 2, le gaz anodique résiduel contenant de l'hydrogène non consommé par la pile 1 est amené à travers un conduit 6 jusqu'à un brûleur 7 dans lequel il est brûlé et qui comporte également une entrée en carburant 7a tel que de l'air. En sortie du brûleur 7, le gaz résiduel anodique est amené, à travers un conduit 8, jusqu'à un conduit 9 qui transporte le gaz résiduel cathodique récupéré en sortie de la cathode 4 et au niveau duquel le gaz résiduel cathodique et le gaz résiduel anodique en sortie du brûleur 7 sont mélangés formant ainsi un mélange de gaz résiduels qui est transporté à travers un conduit 10 jusqu'à une turbine 11 et dans laquelle le mélange de gaz 2866474 7 résiduels est détendu avant d'être évacué à travers un conduit 13. La turbine 11 permet de soulager la consommation électrique du moteur 12 en fournissant de la puissance mécanique sur un arbre qui peut également être relié à la machine électrique et l'organe de compression. Avantageusement, le passage par le brûleur 7 des gaz anodiques résiduels a pour conséquence l'augmentation de la température du mélange de gaz résiduels injecté dans la turbine 11, ce qui permet un meilleur fonctionnement de la turbine 11. La pile à combustible 1 peut comprendre en outre un système de refroidissement 14 à travers lequel circule un fluide de refroidissement qui est amené jusqu'au système de refroidissement 14 à travers un conduit 15 puis qui est récupéré et évacué en sortie du système de refroidissement 14 par un conduit 16. La ligne d'alimentation en oxygène 5 de la cathode 2 comprend une entrée de gaz 17 à partir de laquelle de l'air ambiant est transporté à travers un conduit 18 jusqu'à un filtre à air 19 au sein duquel l'air ambiant est filtré. Le système pile à combustible peut également contenir un système de gestion carburant et un système de gestion comburant mettant en jeu le conditionnement du carburant/comburant en débit, pression, température, pureté ou composition et son acheminement vers l'anode/ la cathode de la pile, un système de gestion des sous produits mettant en jeu l'évacuation des sous-produits de la réaction électrochimique vers l'extérieur, la valorisation des sous-produits telle que la récupération de l'eau produite par la pile, l'utilisation de l'énergie de pression résiduelle et l'utilisation du carburant résiduel, un système de gestion thermique permettant de chauffer et/ou refroidir les composants de façon à les maintenir à un niveau de température acceptable pour leur bon fonctionnement ainsi qu'un système de contrôle commande permettant de contrôler les organes composants du système pile et contenant également les stratégies de contrôle, ces cinq systèmes étant partiellement représentés sur la figure. Selon, l'invention, l'air filtré du filtre à air 19 est transporté par un conduit 20 jusqu'à un dispositif d'enrichissement en oxygène 21 et au sein duquel l'air ambiant est enrichi en oxygène ce qui conduit à une pression partielle en oxygène accrue dans le gaz en sortie du dispositif d'enrichissement 21. L'air ambiant enrichi en oxygène est transporté depuis la sortie du dispositif d'enrichissement 21 et à travers un conduit 22 jusqu'à un dispositif de compression 23 qui est entraîné par le moteur 12 et au sein duquel l'air ambiant enrichi en oxygène est amené à une pression appropriée de fonctionnement de la pile à combustible 1 puis transporté jusqu'à la cathode 4 à travers un conduit 24. Le dispositif d'enrichissement en oxygène 21 peut être un dispositif de séparation de gaz par exemple, un dispositif à membrane ou un dispositif d'adsorption/désorption. Un dispositif à membrane 21 permet de séparer les gaz entre eux et ainsi, dans le cas de l'air, de séparer l'azote de l'oxygène, en exploitant l'inégale diffusivité des différents constituants de ce gaz à travers un milieu poreux convenablement choisi. Ainsi, les molécules ayant les tailles les plus faibles telles que l'oxygène et l'eau traversent la membrane et le gaz enrichi en oxygène est récupéré en sortie du dispositif à membrane 21 et transporté par le conduit 22 vers le dispositif de compression 23 tandis que les molécules ayant les tailles les plus importantes comme l'azote sont retenues par la membrane et le gaz enrichi en azote peut être évacué par un conduit 24 vers l'échappement 25. 2866474 9 Dans le cas de l'utilisation d'un dispositif d'adsorption/ désorption comme dispositif d'enrichissement en oxygène, l'air est introduit dans un compartiment de séparation où, au bout d'un certain temps, les molécules d'oxygène se fixent sur un substrat convenablement choisi, par exemple des charbons actifs, et sont récupérées en faisant un vide léger après avoir purgé l'azote restant. De façon similaire à la séparation de gaz avec un dispositif à membrane, le gaz enrichi en oxygène est récupéré en sortie du dispositif d'adsorption/désorption 21 et transporté par le conduit 22 vers le dispositif de compression 23 tandis que le gaz enrichi en azote est évacué par un conduit 24 vers l'échappement 25 ou est utilisé pour le remplacement, à l'arrêt du système, de l'hydrogène. Ainsi, dans le système à pile à combustible de l'invention, l'adjonction du dispositif d'enrichissement en oxygène 21 permet d'atteindre une pression partielle en oxygène du gaz injecté à la cathode 4 telle que les performances de la pile soient acceptables et permettent de respecter la balance en eau et ce, sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la pression de fonctionnement de la pile à combustible 1. Ainsi, par comparaison avec un dispositif de l'art antérieur ne comprenant pas de dispositif d'enrichissement en oxygène, la même pression partielle en oxygène dans le gaz injecté à la cathode sera atteinte sans entraîner une consommation excessive du dispositif de compression 23 au détriment de la puissance utilisable à la traction. Par conséquent, pour des performances identiques de la pile à combustible 1, la puissance utilisable à la traction sera supérieure, dans le système de l'invention, à celle obtenue sans utiliser de dispositif d'enrichissement en oxygène. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le système à pile à combustible peut comprendre également un circuit de dérivation 26 constitué par exemple de deux vannes à trois voies respectivement 27 et 28 disposées en amont et en aval d'autre du dispositif d'enrichissement 21 et d'un conduit de dérivation 29 reliant les deux vannes 27 et 28. Ainsi, l'air filtré en sortie du filtre 19 peut être orienté par la vanne 27 vers le dispositif de compression 23 sans passer par le dispositif d'enrichissement 21 et être ainsi conduit jusqu'au dispositif de compression 23 à travers les conduits 29 et 22 via la vanne 28. L'utilisation du circuit de dérivation 26 trouve 15 son intérêt lorsque le besoin en puissance à la traction est faible. En effet, le dispositif d'enrichissement 21 induit une perte de charge qui peut être compensée par l'augmentation de la pression en entrée de la cathode et ainsi par le fonctionnement accru du dispositif de compression 23. Lorsque la demande en puissance à la traction est suffisamment importante, le débit de gaz requis est également suffisamment important pour que l'utilisation d'un dispositif d'enrichissement reste avantageuse par rapport à un système sans dispositif d'enrichissement et ce, malgré la surconsommation du dispositif de compression 23 pour compenser les pertes de charge du dispositif d'enrichissement 21. En revanche, lorsque le besoin en puissance électrique pour la traction du véhicule est faible et que le débit de gaz requis est également faible, il est possible d'arriver à une situation dans laquelle la compensation de la perte de charge par le dispositif de compression 23 est telle qu'il est plus avantageux de comprimer directement l'air filtré non enrichi en oxygène. Les vannes 27 et 28 peuvent être des électrovannes reliées à un dispositif de commande non représenté sur la figure 1 et qui orientent, sur commande, le gaz filtré en sortie du filtre 19 vers le circuit de dérivation 26 lorsque la consommation du dispositif de compression 23 provenant de la compensation des effets induits par le dispositif d'enrichissement 21 tels que la perte de charge est supérieure au gain en rendement de la pile à combustible 1 provenant de la présence du dispositif d'enrichissement 21. Plus précisément, la surconsommation du dispositif de compression est la différence entre la consommation du dispositif de compression lorsque l'air filtré n'est pas enrichi en oxygène et sa consommation lorsque l'air filtré est enrichi en oxygène. De la même façon, le gain en rendement de la pile à combustible 1 est la différence entre la puissance électrique dégagée par la pile lorsque l'air filtré est enrichi en oxygène et sa puissance lorsque l'air filtré n'est pas enrichi en oxygène. De cette façon, le système à pile à combustible de l'invention peut être optimisé quel que soit le besoin en puissance pour la traction. Le système de l'invention s'applique à la traction d'un véhicule automobile et à d'autres dispositifs tels que ses auxiliaires tels que, par exemple, la climatisation. Plus généralement, le système de l'invention trouve application dans tout système nécessitant une alimentation électrique. REVENDICATIONS 1. Système à pile à combustible comprenant une ligne d'alimentation en hydrogène (3) de l'anode (2) de la pile (1) et une ligne d'alimentation en oxygène (5) de la cathode (4) de cette pile, sur laquelle ligne en alimentation en oxygène (5) se trouve un dispositif de compression (23) qui comprime un gaz chargé en oxygène, dit gaz d'entrée du dispositif de compression, pour atteindre la pression appropriée de fonctionnement de la pile à combustible (1), caractérisé en ce que la ligne d'alimentation (5) comprend au moins un dispositif d'enrichissement en oxygène (21) d'un gaz contenant de l'oxygène, dit gaz d'entrée du dispositif d'enrichissement, qui est disposé en amont du dispositif de compression (23), le gaz d'entrée du dispositif de compression (23) étant alors enrichi en oxygène. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'enrichissement en oxygène (21) 20 est un dispositif de séparation de gaz (21). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de séparation de gaz (21) est un dispositif à membrane (21). 4. Système selon la revendication 2, caractérisé 25 en ce que le dispositif de séparation de gaz (21) est un dispositif d'adsorption/désorption (21). 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne d'alimentation en oxygène (5) de la cathode (4) comprend deux vannes (27, 28) disposées respectivement en amont et en aval du dispositif d'enrichissement (21) reliées par un conduit de gaz (29) et formant ainsi un circuit de dérivation (26). 6. Système selon la revendication 5, caractérisé 35 en ce que les vannes (27) et (28) sont des électrovannes à trois voies (27, 28). 7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de commande des électrovannes (27, 28). 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de compression (23) est entraîné par un moteur électrique (12). 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz d'entrée du dispositif d'enrichissement (21) est de l'air qui a été préalablement filtré par un filtre à air (19) disposé en amont du dispositif d'enrichissement en oxygène (21). 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une turbine de détente (11) des gaz anodiques et cathodiques résiduels qui est entraînée par le moteur électrique (12). 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un brûleur des gaz anodiques résiduels (11). 12. Utilisation du système à pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour assurer la traction d'un véhicule automobile. 13. Utilisation selon la revendication 12 pour assurer l'alimentation des dispositifs électriques contenue dans le véhicule automobile tels que les unités de puissance auxiliaire (APU). 14. Procédé d'alimentation en oxygène de la cathode (4) d'une pile à combustible (1) dans lequel un gaz chargé en oxygène est comprimé, lors d'une étape de compression, de façon à atteindre la pression de fonctionnement de la pile à combustible (1), le gaz comprimé étant injecté dans la cathode (4), caractérisé en ce que le gaz chargé en oxygène peut être préalablement enrichi en oxygène, avant d'être comprimé, lors d'une étape d'enrichissement en oxygène. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le gaz chargé en oxygène est enrichi en oxygène lorsque la différence entre la consommation électrique engendrée par l'étape de compression lorsque le gaz chargé en oxygène est enrichi et la consommation électrique engendrée par l'étape de compression lorsque le gaz chargé en oxygène n'est pas enrichi est inférieure ou égale à la différence entre les performances électriques de la pile à combustible lorsque le gaz chargé en oxygène est enrichi et les performances électriques de la pile à combustible lorsque le gaz chargé en oxygène n'est pas enrichi. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que l'étape d'enrichissement en oxygène consiste à séparer l'oxygène des autres composants du gaz chargé en oxygène et en ce que le gaz enrichi en oxygène résultant de l'étape d'enrichissement subit l'étape de compression. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que l'étape d'enrichissement en oxygène consiste à fixer les molécules d'oxygène du gaz contenant de l'oxygène sur un substrat, à purger les autres molécules contenues dans le dit gaz et à récupérer l'oxygène par un vide léger et en ce que le gaz enrichi en oxygène résultant de l'étape d'enrichissement subit l'étape de compression. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que le gaz chargé en oxygène est de l'air, le cas échéant, filtré.