Brevet FR2865855A1 — publié le 20050805

Dispositif de démarrage d'une pile à combustible La présente invention est relative à un dispositif destiné à démarrer une pile à combustible et en particulier à de tels dispositifs comportant un reformeur et un réservoir de stockage d'hydrogène alimenté par le reformeur. o 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 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 de ce système est la durée du chauffage du reformeur afin de permettre à celui-ci d'être capable de transformer du carburant dans de bonnes conditions et de produire en continu de l'hydrogène. Durant cette période de chauffage, dite également "transitoire de démarrage du reformeur", la production d'hydrogène pour la pile à combustible n'est pas assurée, et de ce fait dans le cas d'un véhicule automobile, le système de traction à pile à combustible ne peut fonctionner. Afin de remédier à ce problème, le document FR- 2816759 prévoit de placer entre le reformeur et la pile à combustible un réservoir d'hydrogène, qualifié de réservoir-tampon d'hydrogène, qui permet d'alimenter la pile à combustible durant le transitoire de démarrage du reformeur. Cette réserve permanente d'hydrogène permet d'assurer le Io fonctionnement du système de traction jusqu'à ce que le reformeur, enfin chaud, puisse lui-même assurer la production d'hydrogène pour la pile à combustible. Ce système prévoit en outre l'utilisation d'une membrane à base de palladium et/ou de polymère placée en amont du réservoir-tampon d'hydrogène IS permettait de diminuer presque de moitié le volume de ce réservoir. Une des inconvénients d'un tel dispositif est que pour faire monter en température le reformeur durant le transitoire de démarrage, il faut brûler du carburant classique. En effet, pour le démarrage du brûleur, du carburant classique est utilisé dans un brûleur spécifique avec un excès d'air afin de créer un flux d'air chaud qui va provoquer une monté en température de l'ensemble des réacteurs du système reformeur. Cette combustion de carburant au démarrage émet des quantités importantes de polluants qui dépassent les seuils des normes antipollution et qui sont produites en grande partie durant le transitoire de démarrage du reformeur. D'autre part le document JP-7263007 présente un système comprenant un réservoir auxiliaire d'hydrogène pour stocker de l'hydrogène en sortie de pile à combustible et en vue de sa réutilisation vers le brûleur du reformeur pendant la phase stationnaire de celui-ci afin de lui apporter un supplément d'énergie de chauffage. Cependant, un des inconvénients de ce système est qu'il permet de récupérer de l'hydrogène appauvri en sortie de pile. Les gaz récupérés en sortie de pile ont une teneur en hydrogène de l'ordre de 10 à 15% alors que ceux sortant du reformeur sont plus riches en hydrogène dont la teneur est de l'ordre de 40 à 75%. Cet hydrogène appauvri récupéré nécessite un réservoir de stockage de volume important, ce qui est d'autant plus gênant lorsque le dispositif à pile à combustible doit être incorporé dans un espace restreint, notamment dans le cas du logement dans un véhicule automobile. i0 L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de démarrage d'une pile à combustible amélioré. La présente invention concerne donc un dispositif de démarrage d'un système pile à combustible équipé d'un reformeur, d'une pile à combustible, d'une vanne multi-voies située entre ledit reformeur et ladite pile à combustible, et d'un réservoir-tampon d'hydrogène, caractérisé en ce que ledit réservoir-tampon d'hydrogène est alimenter en hydrogène depuis la vanne multi-voies par des canalisations et en ce qu'il fournit ledit reformeur en hydrogène par une canalisation pendant la phase de démarrage dudit 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. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - une pompe est reliée à la vanne multi-voies par la canalisation et transporte l'hydrogène issu de ladite vanne multi-voies jusqu'au réservoir-tampon par une canalisation; le dispositif comprend entre la vanne multi-voies et le réservoir-tampon d'hydrogène, une membrane à base de palladium et/ou de polymère reliée à ladite vanne multi-voies par des canalisations et au réservoir-tampon par une canalisation, et en ce que le volume du réservoir-tampon d'hydrogène est réduit; - la membrane est reliée au brûleur du reformeur par une 5 canalisation; et - une unité de commande actionne les vanne multi-voies et une vanne pendant le transitoire de démarrage du reformeur et la phase de fonctionnement du reformeur de façon à recueillir de l'hydrogène dans le réservoir-tampon. La présente invention concerne en outre un procédé de démarrage d'une pile à combustible comprenant un reformeur, d'une pile à combustible, d'une vanne multi-voies située entre ledit reformeur et ladite pile à combustible, d'un réservoir-tampon d'hydrogène, d'une vanne et d'une unité de commande, is le procédé opérant en alimentant le réservoir- tampon d'hydrogène en hydrogène excédentaire pendant la phase de fonctionnement du système via la vanne multi-voies pilotée par l'unité de commande; et en alimentant le reformeur en hydrogène depuis le réservoir- tampon via une vanne pilotée par l'unité de commande, pendant le transitoire de démarrage du reformeur. La présente invention s'applique à un véhicule comprenant un tel dispositif à pile à combustible ou utilisant un tel procédé de démarrage d'une pile à combustible. L'utilisation d'une barrière à base de palladium permet de stocker de l'hydrogène plus pur et donc de diminuer le volume du réservoir de stockage qui peut être conséquent dans ce type d'installation. A titre préférentiel, la membrane placée en amont du réservoir-tampon d'hydrogène est également utilisée pour l'alimentation de la pile après le transitoire de démarrage du reformeur, lorsque ce dernier peut assurer lui-même la production d'hydrogène pour la pile à combustible. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un dispositif à s pile à combustible selon l'invention, comprenant un réservoir- tampon d'hydrogène alimentant le reformeur; et - la figure 2 représente schématiquement un dispositif à pile à combustible selon l'invention, comprenant une membrane à base de palladium et/ou de polymère. io 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 3 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 2 qui peut être embarqué à bord du véhicule et qui est relié au reformeur 3 par une canalisation 10. 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 3 qui produit un mélange gazeux contenant de l'hydrogène. Ce mélange gazeux est envoyé vers une pile à combustible 7 par la canalisation 14. Le flux d'hydrogène est amené par la canalisation 15 vers l'anode 5 de la pile à combustible 7, de manière continue, permettant la réaction électrochimique de l'hydrogène et de l'oxygène de l'air à l'intérieur de la pile 7. L'air est amené par la canalisation 17 vers la cathode 6 de la pile 7 à partir d'un moyen de compression d'air 8 comprenant une entrée d'air 18. Le moyen de compression 8 alimente aussi en air le reformeur 3 par une canalisation 16. La réaction produit notamment un courant électrique continu qui apparaît aux sorties 19 et 20, et qui peut être utilisé pour alimenter un moteur électrique de propulsion du véhicule. Bien entendu, toute autre application pourrait être envisagée. Afin de pouvoir transformer du carburant dans de bonnes conditions et de produire de l'hydrogène, le reformeur 3 doit être chaud. Ce chauffage se fait par l'intermédiaire de la batterie du véhicule ou du brûleur du reformeur 3. Pendant le temps de chauffage dudit reformeur 3, encore appelé "transitoire de démarrage du reformeur", celui-ci n'est pas capable d'alimenter i0 directement la pile à combustible 7 pour la production d'énergie électrique. Pendant ce transitoire de démarrage du reformeur 3, un réservoir d'hydrogène, qualifié de réservoir-tampon d'hydrogène, référencé 1, fournit la quantité d'hydrogène nécessaire au chauffage des différents réacteurs constitutifs du reformeur 3. Ainsi, durant le transitoire de démarrage du reformeur 3, l'électro-vanne d'alimentation 11, en sortie du réservoir-tampon d'hydrogène 1, s'ouvre et libère un débit fonction de la demande au travers de la canalisation 9. Le réservoir 1 est alimenté en hydrogène par le reformeur 3. Son volume est donc rempli d'un mélange gazeux issu du reformeur 3 contenant de l'hydrogène. La proportion en hydrogène en volume dans le débit en sortie 14 du reformeur 3 varie entre 40% et 75%, en fonction de la technologie retenue et du carburant utilisé. Selon l'invention, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, sur laquelle les organes identiques portent les mêmes références, le dispositif à pile à combustible comprend une membrane 22 à base de palladium et/ou de polymère qui est placée entre le reformeur 3 et le réservoir 1 afin de réduire le volume du réservoir-tampon d'hydrogène 1. Cette membrane 22 est traversée par un flux gazeux contenant de l'hydrogène amené par les canalisations 13, 14 et 24 en sortie du reformeur 3. La grande diffusivité de l'hydrogène à travers cette membrane est utilisée pour concentrer le flux gazeux en hydrogène. La concentration en hydrogène en sortie de la membrane vers le réservoir- tampon 1, est proche de 100% et non plus de l'ordre de 75%, maximum de concentration possible avec l'utilisation d'un reformeur sans membrane. Ainsi, le volume du réservoir-tampon 1 dans le dispositif à pile à combustible selon l'invention peut être réduit d'environ 25%. Ainsi, il apparaît que l'utilisation d'une membrane à base de palladium et/ou de polymère dans un dispositif de pile à o combustible, est intéressante, surtout pour la propulsion d'un véhicule automobile dont le volume du moteur est limité, du fait de la diminution du volume nécessaire pour le réservoir-tampon. Selon une mise en oeuvre préférentielle de l'invention, pendant la phase stationnaire, c'est-à-dire lorsque le reformeur is est capable d'alimenter en continu la pile à combustible en hydrogène, le réformât amené par la canalisation 14, 13 et 24 est tout d'abord concentré en hydrogène par un passage dans la membrane 22 à base de palladium et/ou de polymère, pour être ensuite amené par la canalisation 12 vers le réservoir-tampon 1. La canalisation 23 permet de conduire le reste du flux gazeux vers l'entrée du brûleur du reformeur 3 afin de récupérer des calories thermiques pour ledit reformeur. Ainsi, selon l'invention, lors du fonctionnement en phase stationnaire du dispositif à pile à combustible, le reformeur 3 produit un réformât contenant de l'hydrogène conduit par une canalisation 14, 13 et 24 vers une membrane 22 à base de palladium et/ou de polymère via la vanne multivoies 4. Le flux d'hydrogène quasi-pur au sortir de la membrane est dirigé par la canalisation 12 vers le réservoir-tampon d'hydrogène 1. La pile 2 est alimentée par un flux continu d'hydrogène amené par la canalisation 15 via la vanne multi-voies 4 pilotée par l'unité de commande selon la demande. La présente invention permet donc de ne jamais brûler de carburant primaire au démarrage du système reformeur et de n'utiliser que la capacité du système reformeur à produire par catalyse un reformât riche en hydrogène apte à alimenter une pile à combustible. La création d'énergie thermique se fait uniquement par la combustion de l'hydrogène récupéré pendant le fonctionnement stationnaire du reformeur, ce qui permet de réduire les émissions polluantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de démarrage d'un système pile à combustible équipé d'un reformeur (3), d'une pile à combustible (7), d'une vanne multi-voies (4) située entre ledit reformeur (3) et ladite pile à combustible (7), et d'un réservoir-tampon io d'hydrogène (1), caractérisé en ce que ledit réservoir-tampon d'hydrogène (1) est alimenter en hydrogène depuis la vanne multi-voies (4) par des canalisations (12) et (13) et en ce qu'il fournit ledit reformeur (3) en hydrogène par une canalisation (9) pendant la phase de démarrage dudit reformeur (3). 2. Dispositif de démarrage de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pompe (21) est reliée à la vanne multi-voies (4) par la canalisation (13) et transporte l'hydrogène issu de ladite vanne multi-voies (4) jusqu'au réservoir-tampon (1) par la canalisation (12). 3. Dispositif de démarrage de pile à combustible selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend entre la vanne multi-voies (4) et le réservoir-tampon d'hydrogène (1), une membrane (22) à base de palladium et/ou de polymère reliée à ladite vanne multivoies (4) par des canalisations (12) et (24) et au réservoir- tampon (1) par une canalisation (12), et en ce que le volume du réservoir- tampon d'hydrogène (1) est réduit. 4. Dispositif à pile à combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane (22) est reliée au brûleur du reformeur (3) par la canalisation (23). i0 5. Dispositif de démarrage de pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une unité de commande actionne les vanne multi-voies (4) et une vanne (1 1) pendant le transitoire de démarrage du reformeur et la phase fonctionnement du reformeur de façon à recueillir de l'hydrogène dans le réservoir-tampon (1). 6. Procédé de démarrage d'une pile à combustible w comprenant un reformeur (3), d'une pile à combustible (7), d'une vanne multi-voies (4) située entre ledit reformeur (3) et ladite pile à combustible (7), d'un réservoir-tampon d'hydrogène (1), d'une vanne (11) et d'une unité de commande, le procédé opérant: - en alimentant le réservoir-tampon d'hydrogène (1) en hydrogène excédentaire pendant la phase de fonctionnement du système via la vanne multi-voies (4) pilotée par l'unité de commande; et - en alimentant le reformeur (3) en hydrogène depuis le 20 réservoir- tampon (1) via une vanne (11) pilotée par l'unité de commande, pendant le transitoire de démarrage du reformeur. 7. Véhicule comprenant un dispositif de démarrage de pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 5 ou utilisant un procédé de démarrage d'une pile à combustible selon la revendication 6.