Brevet FR2860646A1 — publié le 20050408

Dispositif de gestion de l'eau d'un système pile à combustible incluant un reformeur essence L'invention concerne un dispositif de gestion de l'eau d'un système pile à combustible incluant un reformeur essence. L'invention concerne plus particulièrement une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comprenant un moyen io de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, un moyen permettant de brûler les gaz en sortie de ladite pile à combustible, des systèmes permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système et une turbine récupérant l'énergie des gaz brûlés pour entraîner un compresseur permettant de faire varier la pression en amont d'un condenseur. Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour 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 un électrolyte. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydo-réduction suivantes: - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, 30 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 membrane en polymère. Une telle pile utilise notamment de 5 l'hydrogène (1i2) 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 substances polluantes, la pile à combustible offre notamment io 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 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 brûlé 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 20 réduit. Le comburant est généralement humidifié avant d'être injecté à la cathode de façon que la membrane en matériau 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 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 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. Le générateur d'électricité pile à combustible essence 5 permet l'utilisation d'un carburant classique du type essence qui est facilement stockable dans le véhicule et largement disponible grâce au réseau de distribution existant. En phase de fonctionnement normal, le système reformeur reforme le carburant et produit un débit de reformât riche en io hydrogène. Cet hydrogène alimente la pile à combustible qui délivre un courant électrique permettant d'assurer avec la batterie la propulsion du véhicule par l'intermédiaire d'un moteur électrique. Mais, un des inconvénients de la présence d'un tel ls système reformeur est la consommation en eau du reformeur. Afin d'avoir un système compatible avec une application automobile, il est nécessaire d'assurer l'autonomie en eau du système, c'est-à-dire un système où la récupération d'eau est supérieure aux besoins du reformeur et donc ne demandant pas le remplissage d'un réservoir d'eau par le conducteur. Les paramètres influents sur l'autonomie en eau, c'est-à-dire dans le cas d'une récupération d'eau supérieure aux besoins d'eau du reformeur, sont la pression de fonctionnement et la température du circuit de refroidissement. Pour assurer cette autonomie en eau, il est nécessaire de récupérer de l'eau sous forme liquide. Cette récupération nécessite une source suffisamment froide en température. Par exemple, dans le cas d'une application automobile, la température la plus froide atteignable en un point du système est d'une dizaine de degrés Celsius supérieure à la température extérieure. Par forte chaleur, lorsque le système fonctionne à faible pression, ce niveau de température ne permet pas de récupérer suffisamment d'eau liquide et demande donc une augmentation de la pression de fonctionnement afin de faciliter la récupération d'eau liquide. La demande de brevet français N 02-12580 propose d'augmenter la pression dans le condenseur grâce à l'énergie 5 récupérée dans les gaz d'échappement. Un des problèmes de ce type de système est que la gestion du bilan d'eau n'est aps équilibrée à tout instant. L'objet de la présente invention est de permettre d'assurer l'autonomie en eau du système pile à combustible fonctionnant à io partir de l'essence, dans le cas d'une récupération d'eau supérieure aux besoins d'eau du reformeur. La présente invention fournit une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible, caractérisée en ce que l'installation comporte en plus un système de commande de la pression existant dans un condenseur par la motorisation d'un turbocompresseur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le système de commande de la pression existant dans le 20 condenseur ajuste la pression par une injection de carburant dans le brûleur; - le système de commande de la pression existant dans le condenseur ajuste la dite pression en contrôlant la motorisation d'un turbocompresseur situé en amont dudit condenseur; 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 pression qui sont injectés dans la turbine. L'invention concerne aussi un procédé de récupération de liquide, et notamment d'eau liquide, d'un système pile à combustible comprenant un condenseur qui est à la pression fournie par un turbocompresseur situé en amont dudit compresseur, le procédé opérant en calculant la pression nécessaire à atteindre dans ledit condenseur si le niveau d'eau dans le stockage est insuffisant et si le besoin en eau est supérieur à la récupération possible; en actionnant la commande du turbocompresseur permettant d'ajuster la pression dans ledit s condenseur; et en laissant le turbocompresseur autonome énergétiquement si le besoin en eau est inférieur à la récupération possible. Le procédé est tel que en outre le calculateur reste inactif si le niveau d'eau dans le stockage est suffisant et si le besoin io en eau est supérieur à la récupération possible. Le procédé comprend aussi un calculateur qui peut faire varier la pression dans le condenseur par une injection supplémentaire de carburant dans le brûleur permettant d'augmenter la quantité d'énergie récupérable dans la turbine. Selon une autre caractéristique du procédé, le système de récupération de liquide comprend un calculateur mesurant la température de la source froide permettant de calculer le besoin en eau du système. L'invention peut s'appliquer à un véhicule comprenant une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible, ou bien utilisant un procédé de récupération de liquide. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et 25 illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de production d'électricité qui est embarquée à bord d'un véhicule automobile et comprenant un turbocompresseur motorisé. - la figure 2 est une variante de la solution précédente comprenant un turbocompresseur non motorisé et une injection de carburant dans le brûleur. La figure 1 montre un générateur d'électricité 1 avec pile à combustible à reformeur essence associé à un système de contrôle pour des applications de type traction de véhicule ou de type source auxiliaire de puissance (APU). Le générateur d'électricité 1 permet la transformation de l'énergie embarquée dans le véhicule en une puissance électrique. Le générateur 1 comprend: - un calculateur du système non représenté. - un reformeur 5 de carburant permettant de transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogène pour alimenter la pile côté anode, io - une pile à combustible 2 qui transforme l'hydrogène avec de l'air en une puissance électrique, - un brûleur 3 en sortie de pile brûlant les gaz anodiques, - un système d'air 4 permettant de comprimer l'air nécessaire aux différents composants du système comprenant: - un compresseur 6 pour alimenter en air le reformeur, - un compresseur 7 pour alimenter en air le stack, - un compresseur 8 pour alimenter en air le brûleur, - un turbocompresseur 9 récupérant l'énergie des gaz brûlés pour entraîner un compresseur en sortie stack et en amont le condenseur 10, Un circuit d'eau 11 incluant le condenseur 10 en sortie cathodique de la pile ainsi qu'un réservoir d'eau liquide, non représenté. - Le système d'air 4 comprend trois compresseurs (ou tout autre moyen) permettant d'alimenter en air le reformeur 5, la pile 2 et le brûleur 3 à des pressions les plus faibles possibles. Le turbocompresseur 9 récupère l'énergie des gaz brûlés pour entraîner mécaniquement un compresseur permettant d'augmenter la pression en sortie cathode et en amont du condenseur 10 facilitant ainsi la récupération de l'eau liquide. Deux cas se présentent: - Si la récupération d'eau dans le condenseur 10 est suffisante pour équilibrer le bilan d'eau, le turbocompresseur 9 reste autonome mécaniquement. Si la récupération d'eau dans le condenseur 10 n'est pas suffisante pour équilibrer le bilan d'eau, une commande permet de compléter le travail de la turbine au moyen d'un moteur électrique 12 ce qui permet d'augmenter la pression en amont du condenseur 10 et donc permet une récupération d'eau liquide plus importante (variante de la figure 2: une commande d'injection de carburant dans le brûleur 3 permet d'augmenter la quantité d'énergie récupérable dans la turbine et permet ainsi d'augmenter la pression en sortie du compresseur et donc la io quantité d'eau récupérable). Les alimentations en air du système restent à des pressions faibles quelque soit les contraintes sur le bilan d'eau et donc limitent la consommation électrique par les auxiliaires du système. Le turbocompresseur 9 sert à augmenter la pression en amont du condenseur 10 et donc facilite la récupération de l'eau liquide. Ce turbocompresseur 9 est motorisé pour les cas où le besoin de récupération d'eau liquide et donc de pression dans le condenseur 10 est plus important (variante de la figure 2: une injection de carburant existe dans le brûleur 3 afin d'augmenter la quantité d'énergie récupérable dans la turbine et donc afin d'augmenter la pression en sortie du compresseur). Afin d'assurer l'autonomie en eau du système, le fonctionnement suivant est prévu. Notons que la récupération de l'eau liquide par condensation est fonction de la température de la source froide et donc des niveaux de température de la boucle de refroidissement du véhicule ainsi que de la pression des gaz. L'eau liquide est récupérée dans les condenseurs. Les condenseurs sont à la pression du système à l'exception du condenseur 10 qui est à la pression fournie par le turbocompresseur 9. Lorsque le besoin en eau est inférieur à la récupération possible d'eau liquide, l'autonomie en eau est respectée et le turbocompresseur 9 reste autonome énergétiquement (variante de la figure 2: aucune injection de carburant n'est nécessaire dans le brûleur 3). La consommation électrique de la fonction alimentation en air est minimisée. Lorsque le besoin en eau est supérieur à la récupération possible, un déséquilibre se crée et l'autonomie en eau n'est plus assurée: cette situation est due à une température trop élevée de la source froide, à une surconsommation d'eau dans le reformeur ou à une récupération d'eau insuffisante. Le calculateur associé au système mesure la température de la source froide et connaît le besoin en eau du système. Le io contrôleur connaît également le niveau d'eau du stockage d'eau. - Si le niveau d'eau dans le stockage est suffisant, le calculateur décide de ne pas modifier le régime de fonctionnement du système. - Si le niveau d'eau dans le stockage est insuffisant, le calculateur calcule la pression nécessaire à atteindre dans le condenseur 10 qui permettrait de répondre au besoin d'eau du système. La commande du moteur 12 du turbocompresseur 9 permet d'ajuster la pression du compresseur (variante de la figure 2: une injection supplémentaire de carburant dans le brûleur 3 permet d'augmenter la quantité d'énergie récupérable dans la turbine et donc la pression en sortie du compresseur). Ce système permet donc d'assurer l'autonomie en eau du véhicule en ne modifiant la pression que dans le condenseur 10 et en limitant la consommation grâce à l'utilisation d'une turbine. REVENDICATIONS, 1. Installation de production d'électricité (1) à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible (2) comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible (2) étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, un moyen (3) permettant de brûler les io gaz en sortie de ladite pile à combustible (2) , des systèmes (4) permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système, une turbine récupérant l'énergie des gaz brûlés pour entraîner un compresseur permettant de faire varier la pression en amont d'un condenseur (10), caractérisée en ce que l'installation comporte en plus un système de commande de la pression existant dans ledit condenseur (10) par la motorisation dudit turbocompresseur (9). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système de commande de la pression existant dans le condenseur (10) ajuste ladite pression par une injection de carburant dans le brûleur (3). 3. Installation selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le système de commande de la pression existant dans le condenseur (10) ajuste la pression en contrôlant la motorisation d'un turbocompresseur (9) situé en amont dudit condenseur (10). 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la turbine et le compresseur forment un turbocompresseur (9). i0 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comprend un reformeur qui alimente la pile à combustible en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pression qui sont injectés dans la turbine. 6. Procédé de récupération de liquide, et notamment d'eau liquide dans une installation selon l'une des revendications 1 à 5, le procédé opérant: en calculant la pression nécessaire à atteindre dans ledit io condenseur (10) si le niveau d'eau dans le stockage est insuffisant et si le besoin en eau est supérieur à la récupération possible, - en actionnant la commande du turbocompresseur (9) permettant d'ajuster la pression dans ledit condenseur (10), - en laissant le turbocompresseur (9) autonome énergétiquement si le besoin en eau est inférieur à la récupération possible. 7. Procédé de récupération de liquide selon la revendication 6, caractérisé en ce que le calculateur reste inactif si le niveau d'eau dans le stockage est suffisant et si le besoin en eau est supérieur à la récupération possible. 8. Procédé de récupération de liquide selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le calculateur fait varier la pression dans le condenseur (10) par une injection supplémentaire de carburant dans le brûleur (3) permettant d'augmenter la quantité d'énergie récupérable dans la turbine. 9. Procédé de récupération de liquide selon la revendication 6 à 8, caractérisé en ce que le système de récupération de liquide comprend un calculateur mesurant la température de la source froide permettant de calculer le besoin en eau du système. 10. Véhicule comprenant une installation de production d'électricité (1) à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible, selon l'une des revendications 1 à 5 ou utilisant un procédé de récupération de liquide selon l'une des revendications 6 à 9.