Brevet FR2864351A1 — publié le 20050624

Dispositif de traitement de gaz d'échappement pour un ensemble de génération d'électricité du type pile à combustible et procédé de traitement associé. La présente invention concerne le domaine des générateurs électrochimiques, notamment du type pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM). Un problème rencontré pour le fonctionnement des piles à combustible fonctionnant à partir d'hydrogène concerne l'alimentation en hydrogène. En effet, les technologies actuelles de stockage du dihydrogène (H2) ne permettent pas d'envisager une grande autonomie. On donc peut prévoir, de façon connue en soi, un système de reformage produisant de l'hydrogène à partir 'd'un carburant primaire. Cependant, l'utilisation d'un système de reformage embarqué dans un véhicule induit un certain nombre de contraintes. En particulier, le système de reformage nécessite généralement une alimentation en eau. On connaît, par le document US 6 162 554, un dispositif de pile à combustible dans lequel des gaz d'échappement de la pile à combustible sont introduits dans un condenseur pour récupérer de l'eau liquide. De l'eau récupérée par le condenseur est en outre stockée dans un réservoir. Le document DE 199 51 215 divulgue un dispositif comprenant une pile à combustible, un reformeur, et en aval de la pile à combustible un échangeur de chaleur formant condenseur, de l'eau récupérée dans le condenseur étant conduite vers un réservoir d'alimentation en eau du reformeur. Le document EP 0 948 070 décrit un système de génération d'énergie à pile à combustible comprenant un reformeur, une partie des gaz d'échappement issus d'un compartiment anodique de la pile à combustible et une alimentation en gaz de réactif pour le compartiment anodique étant mélangés et traversant un échangeur de chaleur et un condenseur avant d'être renvoyés en entrée du compartiment anodique. Dans ces différents dispositifs, la récupération d'énergie et d'eau à partir des gaz d'échappement n'est pas satisfaisante. 2864351 2 La présente invention propose un ensemble générateur électrochimique présentant un rendement énergétique amélioré par une meilleure gestion et récupération d'énergie, notamment à partir des gaz d'échappement produits par l'ensemble générateur électrochimique et facilitant une récupération d'eau liquide. Un tel ensemble générateur électrochimique comprend un générateur électrochimique et un dispositif de traitement des gaz d'échappement produits par l'ensemble, le dispositif de traitement des gaz d'échappement comprenant un échangeur thermique et un condenseur agencés de façon que les gaz d'échappement traversent successivement une section chaude de l'échangeur thermique, le condenseur, et une section froide dudit échangeur thermique, l'ensemble comprenant une turbine munie d'un étage de détente traversé par les gaz d'échappement issus de la section froide de l'échangeur thermique. Les gaz d'échappement en aval du condenseur sont plus froids que les gaz d'échappement en amont du condenseur. Les gaz d'échappement traversant l'échangeur thermique en amont du condenseur sont refroidis par échange de chaleur avec les gaz d'échappement en aval du condenseur. Les gaz d'échappement étant refroidis avant de traverser le condenseur, une condensation plus efficace est obtenue et facilite une évacuation thermique des calories dans le condenseur. Un circuit de refroidissement du condenseur peut être délesté. Par ailleurs, les gaz d'échappement sortant du condenseur sont réchauffés avant de traverser l'étage de détente de la turbine. Une plus grande énergie mécanique peut être récupérée à partir des gaz d'échappement. Le refroidissement des gaz d'échappement en amont du condenseur par échange thermique avec les gaz d'échappement en aval du condenseur permet une réutilisation efficace de la chaleur avec l'obtention d'une bilan énergétique est favorable. La turbine permet de récupérer l'énergie mécanique des gaz d'échappement pour comprimer un fluide, notamment un fluide d'alimentation de l'ensemble générateur électrochimique, ou pour convertir cette énergie mécanique en énergie électrique. 2864351 3 Le générateur électrochimique comprend généralement un compartiment anodique et un compartiment cathodique. Le dispositif de traitement peut être traversé au moins en partie par des gaz d'échappement issus d'un compartiment anodique et/ou cathodique du générateur électrochimique. Avantageusement, un compartiment cathodique du générateur électrochimique est alimenté en fluide réactif, notamment en oxygène par l'intermédiaire d'une alimentation en air, ledit fluide étant comprimé dans un étage de compression de la turbine. L'ensemble générateur peut comprendre un reformeur alimentant le générateur électrochimique en réactif, notamment en hydrogène. Dans ce cas, le dispositif de traitement peut être traversé au moins en partie par des gaz d'échappement issus du reformeur. Le reformeur peut être avantageusement être alimenté en eau à partir du condenseur. En outre, le reformeur peut être alimenté en fluide réactif, notamment en oxygène par l'intermédiaire d'une alimentation en air, le fluide étant comprimé dans un étage de compression de la turbine de façon à récupérer l'énergie de détente des gaz d'échappement traversant l'étage de détente de la turbine pour comprimer lesdits fluides. Le reformeur peut comprendre un brûleur destiné au maintien et/ou à la montée en température du reformeur à une température de fonctionnement. Le dispositif de traitement peut être traversé au moins en partie par des gaz d'échappement issus du brûleur. Par ailleurs, le brûleur peut être alimenté au moins en partie par les gaz d'échappement issus d'un compartiment anodique du générateur électrochimique. De préférence, la turbine est accouplée à un convertisseur électromécanique pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique, notamment de l'énergie supplémentaire provenant de la détente des gaz d'échappement et non entièrement utilisée pour la compression d'un fluide d'alimentation d'un compartiment cathodique ou d'un reformeur. 2864351 4 La présente invention concerne également un véhicule automobile comprenant un système d'entraînement muni d'un ensemble générateur électrochimique, selon un aspect de l'invention. La présente invention concerne également un procédé de traitement des gaz d'échappement dans un ensemble générateur électrochimique dans lequel on refroidit des gaz d'échappement avant de les condenser, puis on réchauffe les gaz d'échappement après condensation, et on récupère de l'énergie à partir des gaz d'échappement dans une turbine. De préférence, on réchauffe les gaz d'échappement après condensation par échange thermique avec les gaz d'échappement avant condensation. La présente invention et ses avantages seront mieux compris à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure 1 annexée, représentant de façon schématique un ensemble générateur électrochimique selon un aspect de l'invention. Sur la figure 1, un ensemble générateur électrochimique conforme à l'invention et référencé 1 dans son ensemble comprend un générateur électrochimique 2 du type pile à combustible PEM et un reformeur 3 pour alimenter un compartiment anodique 4 de la pile à combustible 2 en hydrogène. Le reformeur 3 comprend une chambre principale 5 où réagissent des réactifs pour obtenir de l'hydrogène, un brûleur 6 et un échangeur thermique 7. La chambre principale 5 du reformeur 3 est alimentée en carburant à partir d'un réservoir de carburant 8, en eau à partir d'un réservoir d'eau 9, et en air à partir d'un circuit 10. Le brûleur 6 est alimenté en carburant à partir du réservoir de carburant 8 et en air à partir du circuit 10. En outre, le brûleur 6 est alimenté par l'intermédiaire d'une conduite 11 par des gaz d'échappement issus du compartiment anodique 4 de la pile à combustible 2. 2864351 5 La pile à combustible 2 comprend un compartiment cathodique 12 alimenté en air à partir du circuit 10, en vue principalement de son alimentation en oxygène. L'air, les gaz d'échappement issus du compartiment anodique 4 et/ou le carburant réagissent dans le brûleur 6 par combustion. Les gaz d'échappement issus du compartiment anodique 4 peuvent comprendre un résidu d'hydrogène ou d'autre carburants pouvant être récupéré est revalorisé dans le brûleur 6. Des gaz à température élevée sont formés en sortie du brûleur 6, et une partie de la chaleur de ces gaz chauds est transférée à la chambre principale 5 du reformeur 2 par l'intermédiaire de l'échangeur 7. La chambre principale 5 est ainsi maintenue à une température suffisante favorisant la réaction de reformage pour obtenir l'hydrogène nécessaire pour la pile à combustible. En sortie de l'échangeur 7, les gaz chauds forment des gaz d'échappement du reformeur 3. Les gaz d'échappement du brûleur 6 et des gaz d'échappement issus du compartiment cathodique 12 de la pile à combustible 2 sont dirigés vers un dispositif de traitement des gaz d'échappement, comprenant une conduite d'entrée 13 où débouchent les gaz d'échappement issus du compartiment cathodique 12 et du brûleur 6. Le dispositif de traitement des gaz d'échappement comprend en aval de la conduite d'entrée 13 un échangeur thermique 14 et un condenseur 15 agencés de façon que les gaz d'échappement collectés par la conduite d'entrée 13 traversent une section chaude de l'échangeur thermique 14, puis le condenseur 15, puis une section froide de l'échangeur thermique 14. Le condenseur 15 est également traversé par une conduite de refroidissement 16, dans laquelle circule un fluide de refroidissement pour la condensation des gaz d'échappement traversant le condenseur 15. Ce dernier comprend en outre des moyens pour collecter de l'eau condensée en communication avec le réservoir d'eau 9. L'ensemble générateur électrochimique comprend une turbine 17 munie d'un étage de détente 18, d'un étage de compression 19 et 2864351 6 d'un arbre 20 lié en rotation à convertisseur électromécanique, l'arbre étant ici lié au rotor (non représenté) d'un moteur électrique 21. L'étage de détente 18 de la turbine 17 est traversé par les gaz d'échappement issus de la section froide de l'échangeur thermique 14. L'étage de compression 19 est traversé par l'air alimentant le circuit 10. En fonctionnement, les gaz d'échappement collectés dans la conduite d'entrée 13 traversent successivement l'échangeur thermique 14, le condenseur 15, l'échangeur thermique 14, puis l'étage de détente 18. Dans le condenseur 15, les gaz d'échappement sont refroidis. Les gaz d'échappement sont plus froids en sortie du condenseur qu'en entrée du condenseur 15. Par conséquent, dans l'échangeur thermique 14, la chaleur des gaz d'échappement en amont du condenseur 15 est transférée vers les gaz d'échappement en aval du condenseur 15. Les gaz d'échappement refroidis avant la condensation permettent une condensation plus efficace avec une récupération d'eau améliorée. Un circuit de refroidissement est en partie délesté. Les gaz d'échappement réchauffés après condensation dans l'échangeur thermique 14 permettent de récupérer une énergie mécanique plus importante dans la turbine. L'énergie mécanique récupérée dans la turbine 7 est, d'une part, utilisée pour comprimer l'air dans l'étage de compression 19 et, éventuellement, convertir un surplus d'énergie mécanique en énergie électrique par l'intermédiaire du moteur électrique 21 fonctionnant en mode générateur. Le moteur 21 peut également être utilisé en mode moteur pour apporter de l'énergie mécanique supplémentaire pour comprimer l'air admis si l'énergie fournie par les gaz d'échappement est induffisante. Dans un exemple de mise en oeuvre, la pression des gaz d'échappement dans la conduite d'entrée 13 est de trois bars, et l'échangeur thermique 14 présente une efficacité de 0,7. La température des gaz d'échappement, en amont de l'échangeur thermique 14, est de 140 C. Directement en aval de l'échangeur 14, la température est comprise approximativement entre 100 et 110 C. 2864351 7 Après avoir traversé le condensateur 15, la température des gaz d'échappement est de 72 C. Dans ce cas, après réchauffement dans la section froide de l'échangeur thermique 14, la température des gaz d'échappement est de 120 . Dans ces conditions, la puissance thermique échangée dans l'échangeur thermique entre les gaz d'échappement en amont du condenseur et en aval du condenseur 15, est de l'ordre de 4 kW. Cette puissance est immédiatement disponible pour la turbine 17 afin d'améliorer une récupération d'énergie dans l'ensemble générateur électrochimique et un rendement global de ce dernier. La circulation du fluide de refroidissement dans la conduite 16 du condenseur est commandée par des moyens de commande, non représentés, de façon à atteindre une température des gaz d'échappement en sortie du condenseur 15 sensiblement égale à 72 . Cette température de fonctionnement du condenseur est déterminée de façon à récupérer le plus d'eau possible, de façon à alimenter le réservoir d'eau 9 utilisé par le reformeur 3, afin de garantir une autonomie de l'ensemble générateur électrochimique en eau. En cas d'augmentation du débit des gaz d'échappement, la température des gaz d'échappement dans la section chaude de l'échangeur thermique sera plus importante. Une circulation plus importante de fluide de refroidissement devra être prévue dans le condenseur 15 pour maintenir la température souhaitée en sortie du condenseur 15. Une énergie plus importante pourra être récupérée et transférée vers les gaz d'échappement en aval du condenseur 15. De façon correspondante, une diminution du débit des gaz d'échappement entraîne une diminution de la température des gaz d'échappement en amont du condenseur. Une circulation de fluide de refroidissement dans la conduite 16 du condenseur 15 peut être diminuée. On a présenté un mode de réalisation particulier, dans lequel les gaz d'échappement issus d'un brûleur et d'un compartiment cathodique traversent le dispositif de traitement. En effet, on notera que les gaz d'échappement issus du compartiment cathodique 2864351 8 comprennent une quantité importante d'eau qu'il est intéressant de récupérer. Les gaz d'échappement issus du compartiment anodique comprennent des carburants résiduels valorisables dans le reformeur. Bien entendu, on pourrait prévoir des modes de réalisation différents, le dispositif de traitement pouvant être traversé par la totalité ou une partie des gaz d'échappement issu directement d'un compartiment anodique, d'un compartiment cathodique, d'un reformeur et/ou d'un brûleur du reformeur ou d'une autre élément produisant des gaz d'échappement. Grâce à la présente invention, on obtient un ensemble générateur électrochimique comprenant des moyens de récupération d'eau pour un reformeur comprenant un condenseur qui peut être en partie délesté grâce à un refroidissement préalable des gaz d'échappement traversant le condenseur. En outre, l'ensemble conforme à l'invention permet une récupération efficace d'énergie par un réchauffement des gaz d'échappement avant leur passage dans un étage de détente d'une turbine pour améliorer la puissance pouvant être récupérée dans cette turbine. 9 REVENDICATIONS 1. Ensemble générateur électrochimique (1) comprenant un générateur électrochimique (2) pourvu et un dispositif de traitement des gaz d'échappement (13 à 21) produit par l'ensemble, caractérisé en ce que le dispositif de traitement des gaz d'échappement comprend un échangeur thermique (14) et un condenseur (15) agencés de façon que les gaz d'échappement traversent successivement une section chaude de l'échangeur thermique (14), le condenseur (15), et une section froide dudit échangeur thermique (14), l'ensemble comprenant une turbine (17) munie d'un étage de détente traversé par les gaz d'échappement issus de la section froide de l'échangeur thermique (14). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de traitement est traversé par des gaz d'échappement issus d'un compartiment anodique (4) u cathodique (12) du générateur électrochimique. 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble comprend un reformeur (3) d'alimentation du générateur électrochimique en réactifs. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de traitement est traversé par des gaz d'échappement issus du reformeur. 5. Ensemble selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le reformeur est alimenté en eau à partir du condenseur (15). 6. Ensemble selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le reformeur est alimenté en fluide réactif, notamment en air, comprimé dans un étage de compression de la turbine. 7. Ensemble selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le reformeur comprend un brûleur (6) alimenté au moins en 2864351 10 partie par les gaz d'échappement d'un compartiment anodique (4) du générateur électrochimique. 8. Ensemble selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le dispositif de traitement est traversé par des gaz d'échappement issus d'un brûleur (6) du reformeur. 9. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compartiment cathodique du générateur électrochimique est alimenté en fluide réactif, notamment en air, comprimé dans un étage de compression de la turbine. 10. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine est accouplée à un convertisseur électromécanique (21). 11. Véhicule automobile comprenant un système d'entraînement muni d'un ensemble générateur électrochimique selon l'une des revendications précédentes. 12. Procédé de traitement des gaz d'échappement dans un ensemble générateur électrochimique dans lequel on refroidit des gaz d'échappement avant de les condenser, puis on réchauffe les gaz d'échappement après condensation et on récupère de l'énergie à partir des gaz d'échappement dans une turbine. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel on réchauffe les gaz d'échappement après condensation par échange thermique avec les gaz d'échappement avant condensation.