Brevet FR2862812A1 — publié le 20050527

Système et procédé de génération d'énergie pour l'entraînement d'un véhicule automobile comprenant une pile à combustible. L'invention a pour objet un système et un procédé pour la génération d'énergie adaptés à l'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un moteur électrique de traction alimenté en énergie électrique par une pile à combustible, de préférence du type à électrolyte solide (SOFC). La réduction des émissions de gaz polluants dans l'atmosphère par les véhicules automobiles, en particulier en milieu urbain, a donné lieu à de nombreuses recherches et a permis le développement de dispositifs, tels que les pots d'échappement catalytiques ou de modifications du fonctionnement des moteurs à combustion interne, en appauvrissant le mélange carburant, qui ont permis de réduire les émissions de gaz polluants. Toutefois, seul un véhicule équipé d'un moteur électrique permet véritablement de supprimer toute émission de polluants. Un véhicule électrique équipé de batteries d'accumulation ne permet pas cependant d'atteindre les caractéristiques de fonctionnement requises avec une bonne souplesse d'utilisation, c'est-à-dire une autonomie d'environ 60 à 80 km avec une vitesse maximale de 70 à 90 km/h. Un véhicule automobile équipé d'un moteur électrique et embarquant un système de pile à combustible alimenté en gaz carburant produit par un système embarqué sur le véhicule ou stocké dans un réservoir également embarqué, représente un bon compromis en ce qui concerne le fonctionnement et la souplesse d'utilisation. On peut ainsi, par exemple, réaliser un véhicule automobile possédant 400 km d'autonomie pour une vitesse maximale de 120 km/h. La pile à combustible est un dispositif électrochimique alimenté en carburant et en comburant. Le carburant est généralement de l'hydrogène pur contenu dans un réservoir embarqué ou un gaz riche en hydrogène issu du reformage d'un hydrocarbure ou d'un alcool au moyen d'un dispositif de reformage embarqué sur le véhicule. Le comburant est généralement l'oxygène contenu dans l'air ambiant injecté dans la pile après l'élévation de pression au moyen d'un groupe de compression. Le courant électrique produit par la pile à combustible est généralement converti en courant alternatif par un dispositif onduleur afin d'alimenter le moteur électrique d'entraînement du véhicule, qui peut être par exemple du type synchrone, et dont l'arbre de sortie est directement relié aux roues motrices du véhicule. La conversion d'énergie réalisée au sein du module de puissance comprenant la pile à combustible, présente un rendement plus élevé que celui d'un moteur à combustion interne. En revanche, la présence de plusieurs organes auxiliaires, et notamment du groupe de compression d'air devant assurer le fonctionnement de la pile, implique une consommation importante d'énergie se répercutant sur le rendement global du système. Le groupe de compression constitue en effet l'organe présentant la plus importante consommation énergétique. Il est possible d'optimiser le rendement de l'ensemble du système en utilisant une pile à combustible du type à électrolyte solide fonctionnant à haute température (généralement comprise entre 800 C et 1000 C, avec une pile à combustible du type SOFC). On a déjà décrit dans le brevet US 5 417 051 (Ankersmit) un système de pile à combustible comprenant un groupe turbocompresseur et un module reformeur. Dans ce système de type connu, la pile à combustible n'est pas alimentée directement par l'air comprimé issu du compresseur. En effet, cet air comprimé alimente tout d'abord une chambre de combustion qui reçoit également les gaz issus de l'anode de la pile à combustible. Ce sont les gaz issus de cette chambre de combustion qui font alors l'objet d'une détente dans une turbine qui peut être à deux étages, de façon à récupérer une partie de l'énergie mécanique sur le deuxième étage. La sortie de ce deuxième étage de détente sert au réchauffage du reformeur alimentant la pile à combustible. Un tel système ne permet pas d'augmenter sensiblement le rendement de l'ensemble constitué par la pile à combustible et son groupe turbocompresseur. La présente invention a pour objet un système et un procédé de génération d'énergie qui permettent effectivement l'augmentation du rendement énergétique de l'ensemble en récupérant au maximum l'énergie thermique de l'air comprimé traversant la pile à combustible. Le système de génération d'énergie selon l'invention est adapté à l'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un moteur électrique de traction alimenté en énergie électrique par une pile à combustible. Le système comprend des moyens d'alimentation de la pile à combustible en gaz carburant et un ensemble turbocompresseur alimentant la pile à combustible en gaz comburant sous pression. Il comprend également une deuxième turbine mécaniquement reliée au moteur électrique et alimentée par le gaz comburant issu de la pile à combustible après qu'il a traversé une première turbine qui fait partie de l'ensemble turbocompresseur. Il est ainsi possible de récupérer directement l'énergie stockée dans le gaz comburant ayant traversé la pile à combustible. Une partie de cette énergie est utilisée pour l'entraînement du compresseur tandis que le reste est converti directement en énergie mécanique sur l'arbre du moteur électrique entraînant le véhicule. La pile à combustible est de préférence du type à électrolyte solide (SOFC) présentant la particularité de fonctionner à une température élevée d'environ 800 C à 1000 C. Les moyens d'alimentation de la pile à combustible en gaz carburant peuvent avantageusement comprendre un dispositif 25 reformeur alimenté en carburant hydrocarboné. En variante, les moyens d'alimentation de la pile à combustible en gaz carburant peuvent comprendre un réservoir d'hydrogène embarqué sur le véhicule. Dans un mode de réalisation avantageux, un brûleur peut être monté en sortie de la pile à combustible de façon à brûler l'excédent de carburant non utilisé dans la pile à combustible, le brûleur étant associé à des moyens d'échange de chaleur traversés par le gaz comburant issu de la première turbine et alimentant la deuxième turbine. Le procédé de génération d'énergie selon l'invention est adapté à l'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un moteur électrique de traction alimenté en énergie électrique par une pile à combustible alimentée à la cathode en gaz carburant et à l'anode en gaz comburant comprimé par un ensemble turbocompresseur. Le gaz comburant issu de la turbine de l'ensemble turbocompresseur à la sortie de la pile à combustible et ayant subi une première détente, est utilisé pour fournir du travail mécanique directement transmis au moteur électrique de traction. On utilise de préférence une pile à combustible du type à électrolyte solide (SOFC). Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, on élève la température du gaz comburant issu de la turbine de l'ensemble turbocompresseur à la sortie de la pile à combustible en brûlant l'excédent de carburant issu de la pile à combustible. !La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée 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 une cellule d'une pile à combustible, du type à électrolyte ou oxyde solide (SOFC) ; et - la figure 2 représente schématiquement les principaux éléments d'un système de génération d'énergie selon l'invention. Une pile à combustible à oxyde solide, du type SOFC, permet d'oxyder un carburant au cours d'une réaction électrochimique exothermique. L'énergie chimique du carburant est transformée en énergie électrique aux bornes de la pile et en chaleur. L'architecture d'une telle pile à combustible à oxyde solide, dont une cellule 1 est illustrée sur la figure 1, comprend essentiellement trois parties. Une partie anode 2, où le gaz carburant contenant par exemple de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone est oxydé en eau et en CO2. La partie anode 2 est par exemple réalisée en un matériau poreux contenant du nickel qui catalyse la réaction. Une partie cathode 3, dans laquelle le gaz comburant qui est par exemple l'oxygène de l'air, est réduit. Et, une partie électrolyte solide 4, 2862812 5 constituée habituellement de zirconium dopé à l'yttrium qui conduit les ions 02- à haute température, généralement comprise entre 800 C et 1000 C. La pile à combustible comprend une pluralité de cellules analogue à celle qui est référencée 1 et illustrée schématiquement sur la figure 1. La partie anode 2 de chaque cellule est alimentée par un mélange gazeux de carburant issu d'un reformeur embarqué sur le véhicule, ce mélange contenant majoritairement de l'hydrogène, de l'eau, avec en plus petite quantité du monoxyde de carbone CO et du dioxyde de carbone CO2. Le fonctionnement de la pile à combustible est régi par deux réactions d'oxydo réduction et une réaction d'équilibre H2/CO. A l'anode, les deux demi-réactions d'oxydo réduction suivantes représentent le fonctionnement: 112 + 02. -9 H2O + 2e- CO + 02-9 CO2 + 2e La réaction d'équilibre CO/H2 s'écrit: CO + H2O CO2 + H2 A la cathode, la réaction suivante se produit: 02 + 4e" -9 2 02- Le bilan des demi-réactions d'oxydo réduction est le suivant: H2 + Y O2 - * H2O CO+Y02-CO2 L'empilement des différentes cellules constituant la pile à combustible est connecté en série par l'intermédiaire de plaques bipolaires conductrices, non représentées sur la figure, reliant l'anode d'une cellule à la cathode de la suivante, en assurant la conduction électronique. On a représenté symboliquement sur la figure 1 le pôle négatif 5 et le pôle positif 6 d'une cellule, permettant ainsi l'établissement d'un courant électrique dans la connexion 7 et l'utilisateur externe 8. Le système de génération d'énergie selon l'invention est illustré schématiquement sur la figure 2, où l'on retrouve une pile à combustible 9 constituée par un empilement de cellules du type de celle illustrée sur la figure 1. La pile à combustible comprend une partie anode 10 et une partie cathode 11. La pile à combustible 9 est associée à un ensemble turbocompresseur comprenant un compresseur 12 et une turbine 13 montés sur un arbre mécanique commun 14. Le compresseur 12 est également relié par un arbre 15 à un moteur électrique de démarrage 16. Le véhicule équipé du système de génération d'énergie comprend un moteur électrique d'entraînement 17 dont l'arbre de sortie 18 assure l'entraînement des roues motrices 19 du véhicule automobile, non représenté sur la figure. Le courant électrique produit par la pile à combustible 9 alimente le moteur électrique 17 par les connexions électriques 20 et, après avoir vu sa tension élevée, a été transformé en courant alternatif dans l'ensemble schématiquement représenté sous la référence 21. Le système comprend une deuxième turbine 22 alimentée par le gaz comburant issu de la pile à combustible 9, après qu'il a traversé la première turbine 13. La deuxième turbine 22 comprend un arbre de sortie 23 mécaniquement relié à l'entrée du moteur électrique 17. Dans l'exemple illustré, un reformeur 24 est alimenté en carburant hydrocarboné par la conduite 25 et est capable de générer un mélange gazeux riche en hydrogène qui est amené par la conduite 26 sur la partie cathodique 10 de la pile à combustible 9. A la sortie de la partie cathodique 10, les gaz carburant qui n'ont pas été complètement utilisés sont encore amenés par la conduite 27 à un brûleur 28 avant d'être rejetés par la conduite 29. Le compresseur 12 est alimenté en air à la pression atmosphérique par la conduite 30. L'air comprimé issu du compresseur 12 traverse un échangeur de chaleur 31 avant d'être amené par la canalisation 32 sur la partie cathodique de la pile à combustible 9. L'air comprimé issu de la pile à combustible 9 se trouve généralement à une température de l'ordre de 1000 C à 800 C lorsqu'on utilise une pile à combustible du type SOFC. Cet air comburant à haute température et à haute pression subit une première détente dans la première turbine 13 qui est reliée à la pile à combustible 9 par la conduite 33. L'énergie thermique de l'air récupérée en partie par la première turbine 13, permet l'entraînement en rotation du compresseur 12 grâce à l'axe commun 14. A la sortie de la première turbine 13, l'air comprimé, qui est encore à une température élevée, traverse le brûleur 28 relié à la première turbine 13 par la conduite 24. A la sortie du brûleur 28, l'air comburant dont la température a été élevée, est amené par la conduite 35 à l'entrée de la deuxième turbine 22. La détente produite dans la turbine 22 permet de récupérer l'énergie thermique de l'air en fournissant directement de l'énergie mécanique au moteur électrique 17 de traction du véhicule. La sortie de la deuxième turbine 22 est reliée par la conduite 36 à l'entrée de l'échangeur 31, ce qui permet de réchauffer en partie l'air comprimé issu du compresseur 12. A la sortie de l'échangeur 31, l'air détendu est amené à un deuxième échangeur 37 qui fait partie du reformeur 24 et dans lequel il cède encore des calories pour le réchauffement du reformeur, avant d'être rejeté dans l'atmosphère. Dans l'exemple illustré, le carburant utilisé peut être un hydrocarbure, du méthanol ou tout autre gaz pouvant être réformé afin de transformer le carburant en un mélange d'hydrogène et d'oxyde de carbone. Dans une variante, on peut utiliser de l'hydrogène pur, le reformeur 24 étant alors remplacé par un réservoir d'hydrogène. Dans les deux cas, le reformat ou l'hydrogène pur est envoyé vers la pile 9 pour être oxydé, l'excédent de carburant injecté étant brûlé dans le brûleur 28 afin de réchauffer la détente du gaz comburant dans la deuxième turbine 22. Dans le système de l'invention, l'air comprimé réchauffé par le passage dans l'échangeur 31, puis à travers la pile à combustible 9, permet ainsi à la fois l'entraînement du compresseur 12 par la première turbine 13 et une récupération d'énergie thermique par la détente de ce même air comprimé dans la deuxième turbine 22 après son réchauffage dans le brûleur 28. L'énergie thermique toujours contenue dans l'air en sortie de la deuxième turbine 22 est encore utilisée pour réchauffer l'air comprimé à l'entrée de la pile à combustible 9 grâce à l'échangeur thermique 31, et à réchauffer le reformeur grâce à l'échangeur thermique 35. Le système de génération d'énergie, selon l'invention, permet ainsi d'obtenir un rendement énergétique nettement amélioré. REVENDICATIONS 1-Système de génération d'énergie pour l'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un moteur électrique de traction (17) alimenté en énergie électrique par une pile à combustible (9), des moyens (24) d'alimentation de la pile à combustible en gaz carburant et un ensemble turbocompresseur (12) alimentant la pile à combustible en gaz comburant sous pression, caractérisé par le fait qu'il comprend une deuxième turbine (22) mécaniquement reliée au moteur électrique (17) et alimentée par le gaz comburant issu de la pile à combustible (9) après qu'il a traversé une première turbine (13) qui fait partie de l'ensemble turbocompresseur. 2-Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pile à combustible (9) est du type à électrolyte solide (SOFC). 3-Système selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation de la pile à combustible en gaz carburant comprennent un dispositif reformeur (24) alimenté en carburant hydrocarboné. 4-Système selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation de la pile à combustible en gaz 20 carburant comprennent un réservoir d'hydrogène. 5-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un brûleur (28) est monté en sortie de la pile à combustible de façon à brûler l'excédent de carburant, le brûleur étant associé à des moyens d'échange de chaleur (31) traversés par le gaz comburant issu de la première turbine et alimentant la deuxième turbine. 6-Procédé de génération d'énergie pour l'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un moteur électrique de traction alimenté en énergie électrique par une pile à combustible alimentée à la cathode en gaz carburant et à l'anode en gaz comburant comprimé par un ensemble turbocompresseur, caractérisé par le fait que le gaz comburant issu de la turbine (13) de l'ensemble turbocompresseur à la sortie de la pile à combustible et ayant subi une première détente, est utilisé pour fournir du travail mécanique directement transmis au moteur électrique de traction. 7-Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'on utilise une pile à combustible du type à électrolyte solide (SOFC). 8-Procédé selon les revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait qu'on élève la température du gaz comburant issu de la turbine de l'ensemble turbocompresseur à la sortie de la pile à combustible en brûlant l'excédent de carburant issu de la pile à combustible.