Brevet FR2863106A1 — publié le 20050603

Dispositif de lubrification des paliers d'un turbocompresseur dans un système pile à combustible L'invention concerne un système pile à combustible et en particulier un dispositif de lubrification des paliers d'un turbocompresseur dans un système pile à combustible. io 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. La pile à combustible rejette une partie du comburant qui is 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. 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. L'humidification en entrée cathodique assure un bon fonctionnement du système et procure de bonnes performances à la pile à combustible. 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, le besoin que le véhicule soit équipé d'un réservoir d'eau de volume important est réduit. Une des inconvénients de la présence d'un système reformeur est la consommation en eau du reformeur. Afin d'avoir un système compatible avec une application automobile, il est io 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 ne demande pas de remplissage d'un réservoir d'eau par l'utilisateur. Pour satisfaire celui-ci, il est nécessaire de pouvoir récupérer toute l'eau possible. is Un système pile à combustible nécessite également un système de compression d'air permettant de générer de l'air comprimé pour alimenter le reformeur et la pile. Le système de compression comprend au moins un étage de turbocompression afin d'assurer des pressions élevées nécessaires au fonctionnement de la pile à combustible et de réduire la consommation électrique nécessaire à la compression. De plus, le stack de la pile à combustible doit être alimenté par des gaz humidifiés en entrée anodique et cathodique. L'humidification anodique est assurée par le reformeur et celle de la cathode est assurée par des composants spéciaux de type humidificateur. Le document US-6268074 décrit un procédé d'injection d'eau en entrée du compresseur. Il présente en outre un système où l'injection de l'eau se fait en amont du compresseur et dont l'objectif est d'augmenter le rendement du compresseur en réduisant sa consommation électrique. De plus, un système de turbocompression conventionnel comprend un circuit d'huile spécifique afin d'assurer la lubrification de ses paliers de roulement. Ce circuit d'huile spécifique permet d'alimenter les paliers en huile sous pression et doit comprendre un système de pompe et de réservoir d'huile qui s'ajoute au système pile à combustible. Une telle lubrification conduit à des pertes d'huile qu'il est indispensable de collecter par l'intermédiaire d'un filtre afin de ne pas dégrader les propriétés de la membrane de la pile à combustible par ingestion d'huile en entrée cathodique. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de lubrification des paliers d'un turbocompresseur amélioré dans zo un système pile à combustible. La présente invention fournit une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et d'un is 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, un système permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système, un circuit d'eau et au moins un turbocompresseur, caractérisée en ce que ledit turbocompresseur utilise des moyens d'alimentation en eau liquide sous pression pour assurer la lubrification de ses paliers. Un des avantages de la présente invention est que l'eau utilisée dans le système pile à combustible est utilisée pour lubrifier des paliers sans utiliser un circuit d'huile spécifique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens d'alimentation en eau liquide sous pression comportent un injecteur d'eau; - les moyens d'alimentation en eau liquide sous pression injectent l'eau dans des paliers, de préférence des paliers hydrostatiques, situés entre une turbine et un compresseur du turbocompresseur; - l'installation comporte un moyen de récupération de l'eau inclue dans le carter du turbocompresseur; - le moyen de récupération de l'eau inclue dans le carter comporte un circuit de vidange vers un réservoir d'eau liquide 5 d'un système pile à combustible; - l'eau liquide est inclue dans le flux d'air en amont dudit turbocompresseur; - l'eau utilisée pour la lubrification des paliers est ensuite utilisée pour fournir l'eau inclue dans le flux d'air; i0 - l'eau utilisée pour la lubrification des paliers est vaporisée pendant la lubrification desdits paliers avant d'être utilisée pour l'humidification de l'air. L'invention concerne en outre un procédé de lubrification des paliers de roulement d'un turbocompresseur dans un 15 système pile à combustible d'un véhicule, le procédé opérant en fournissant des moyens d'alimentation en eau liquide; en connectant lesdits moyens d'alimentation en eau liquide aux paliers dudit turbocompresseur; et en lubrifiant lesdits paliers avec l'eau injectée sous pression par lesdits moyens 20 d'alimentation en eau liquide. La présente invention s'applique à un véhicule comprenant une telle installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible ou utilisant un tel procédé. 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 est une représentation schématique d'une installation de production d'électricité qui est embarquée à bord 30 d'un véhicule automobile, selon l'invention. La figure 1 montre un générateur d'électricité 1 avec pile à combustible à reformeur essence 2 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 22 du système; - un reformeur 2 de carburant permettant de transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogène pour alimenter un stack 3 de la pile côté anode; - un stack 3 de la pile à combustible qui transforme l'hydrogène avec de l'air en une puissance électrique; t0 - un brûleur 4 en sortie de reformeur 2 brûlant les gaz anodiques. Un système d'air 6 permet de comprimer l'air nécessaire aux différents composants du système. De plus, le générateur d'électricité 1 comprend un circuit d'eau 7 incluant un condenseur 8 situé à la sortie du stack 3 de la pile, ainsi qu'un réservoir d'eau liquide 10 embarqué dans le véhicule. Le système d'air comprend au moins un étage de compression et au moins un turbocompresseur 9 avec un carter 5. Le premier étage 11 de compression comprend un compresseur 12 destiné à comprimé l'air vers le deuxième étage de compression 13. Ce premier étage de compression est motorisé à l'aide d'un moteur électrique 14. Le deuxième étage de compression 13 est lié à une turbine 15 récupérant d'une part l'énergie des gaz d'échappement provenant du brûleur 4 et d'autre part l'énergie des gaz d'échappement provenant du circuit cathodique. Cette turbine 15 est destinée à entraîner le compresseur 18 du deuxième étage de compression 13. Le circuit d'eau 7 inclut le condenseur 8 en sortie du stack 3 de la pile à combustible permettant de récupérer l'eau sous forme liquide. Le circuit d'eau 7 inclut un réservoir de stockage de l'eau 10, une pompe, non représentée, pour assurer les différentes alimentations des boucles d'eau. Un injecteur d'eau 19 permet d'alimenter en eau liquide les paliers 20 du turbocompresseur 9, de préférence des paliers hydrostatiques, afin d'assurer leur lubrification. Il pourra être apprécié que les paliers peuvent être des paliers hydrodynamiques et de préférence hydrostatiques. Une récupération de l'eau est incluse dans le carter 5 du turbocompresseur 9 sous la forme d'un circuit de vidange vers le réservoir d'eau liquide 10 du système. Une partie de l'eau injectée au niveau des paliers 20, transite vers le flux d'air comprimé au travers d'un débit de fuite contrôlé au niveau des étanchéités des paliers 20 par exemple. Cela permet de réaliser l'humidification du flux d'air à l'entrée cathodique du stack 3 de la pile à combustible. L'eau sortant du turbocompresseur 9 par le biais des paliers 20, est ensuite récupérée dans le condenseur cathodique 8 situé en sortie cathodique du stack 3 de la pile à combustible. L'eau liquide alimentant les paliers 20 est sensiblement récupérée dans sa globalité grâce au circuit de vidange prévu dans le carter 5 du turbocompresseur 9 et grâce à la récupération d'eau dans le condenseur 8. Le bilan d'eau n'est pas dégradé par l'utilisation d'eau liquide pour la lubrification des paliers 20 et pour l'humidification du flux cathodique. En plus d'humidifier l'air en entrée cathodique du stack 3, la présence d'eau dans le carter 5 du turbocompresseur 9 permet d'atteindre les meilleurs rendements de compresseur et de diminuer la consommation énergétique due à la compression de l'air. En effet, l'énergie thermique apportée par la compression de l'air est fournie à l'eau liquide pour la vaporiser, ce qui diminue la température de l'air en sortie de compresseur. Un tel système permet- de se rapprocher d'une transformation isentropique, transformation réversible sans apport de chaleur. Un des avantages de la présente invention est qu'elle permet d'assurer l'humidification de l'entrée cathodique du stack de la pile à combustible tout en assurant la lubrification des paliers 20 du turbocompresseur 9 présent dans le système d'air, sans dégrader le bilan d'eau du système. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène (2) à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie io électrique (3) à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible (3) étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, un moyen permettant de brûler les gaz en sortie de ladite pile à combustible, un système (12, 18) permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système, un circuit d'eau (7) et au moins un turbocompresseur (9), caractérisée en ce que ledit turbocompresseur (9) utilise des moyens d'alimentation en eau liquide sous pression (19) pour assurer la lubrification de ses paliers (20). 2. Installation selon la revendication précédente, caractérisée en lesdits moyens d'alimentation en eau liquide sous pression comportent un injecteur d'eau (19). 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce lesdits moyens d'alimentation en eau liquide sous pression (19) injectent l'eau dans des paliers (20), de préférence des paliers hydrostatiques, situés entre une turbine (15) et un compresseur (18) du turbocompresseur (9). 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'installation comporte un moyen de récupération de l'eau inclue dans le carter (5) du turbocompresseur (9). 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit moyen de récupération de l'eau inclue dans le carter (5) comporte un circuit de vidange vers un réservoir d'eau liquide (10) dudit système pile à combustible. 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'eau liquide est inclue dans le flux d'air en amont dudit turbocompresseur (9). 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'eau utilisée pour la lubrification des paliers est ensuite utilisée pour fournir l'eau inclue dans le flux d'air. 8. Installation selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que l'eau utilisée pour la lubrification des paliers est vaporisée pendant la lubrification desdits paliers avant d'être utilisée pour l'humidification de l'air. 9. Procédé de lubrification des paliers de roulement (20) d'un turbocompresseur (9) dans un système pile à combustible d'un véhicule, le procédé opérant: - en fournissant des moyens d'alimentation en eau liquide (19) - en connectant lesdits moyens d'alimentation en eau liquide (19) aux paliers (20) dudit turbocompresseur (9) ; et - en lubrifiant lesdits paliers (20) avec l'eau injectée sous pression par lesdits moyens d'alimentation en eau liquide (19). 10. Véhicule comprenant une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible, selon l'une des revendications 1 à 8 ou utilisant un procédé selon la revendication 9.