Brevet FR2860924A1 — publié le 20050415

Dispositif de pile à combustible autonome en eau La présente invention concerne un module de puissance pour véhicule automobile comprenant un dispositif de pile à combustible et un procédé de gestion de l'eau circulant dans un tel module de puissance. Les piles à combustible permettent la conversion directe de l'énergie libre d'une réaction chimique d'oxydo-réduction en énergie électrique et apparaissent comme l'une des technologies les plus prometteuses du moment dans le domaine de l'automobile, pour répondre aux exigences de réduction de la pollution et de la consommation. Cependant, un inconvénient des piles à combustible réside dans là gestion de l'eau. En effet, dans un système de pile à combustible, il existe deux consommateurs d'eau pure: la pile et le réformeur, et un seul producteur d'eau: la pile. Dans le cas d'une architecture de système de traction de véhicule automobile à pile à combustible, fonctionnant par exemple avec de l'essence, le réformeur est un grand consommateur d'eau. Il convient donc de récupérer suffisamment d'eau liquide à la sortie de la pile, afin que le véhicule soit autonome en eau et ne nécessite pas, par exemple un réservoir d'eau à remplir régulièrement. Diverses possibilités existent pour contrôler la gestion de l'eau au sein d'un véhicule automobile. La seule source d'eau est constituée par la pile qui, de par son fonctionnement, transforme en particulier l'hydrogène et l'oxygène en eau pure. Cette eau produite se trouve sous forme de deux phases, une phase liquide et une phase vapeur. Afin de pouvoir récupérer suffisamment d'eau pour les besoins de la pile, comme par exemple pour l'humidification des gaz en entrée de la pile, et, pour le fonctionnement du réformeur, les solutions suivantes ont été proposées. L'eau peut être condensée grâce à l'utilisation d'une source froide, de l'ordre de 30 C par exemple. Toutefois, un véhicule doit pouvoir fonctionner sur une plage de température large, par exemple entre -20 C à +45 C. Il est donc difficile de conserver au sein d'un véhicule une source froide de l'ordre de 30 C, sauf si un système de climatisation est utilisé. Une autre solution consiste en une augmentation de la pression du système jusqu'à 4 bars par exemple, afin de faciliter la récupération d'eau liquide en diminuant la quantité d'eau présente sous forme vapeur. Une autre solution est décrite dans la demande de brevet WO 00 42671, et consiste en un contrôle de la température de l'empilement des cellules de la pile à combustible par la boucle de refroidissement du moteur. Cela nécessite un circuit du type climatisation permettant une chute de température importante pour la condensation des gaz de la pile et la récupération de l'eau nécessaire au fonctionnement du système. Ces solutions connues sont très consommatrices d'énergies, à cause de la source froide de type circuit de climatisation, nécessitant de l'énergie ou à cause de l'augmentation de la pression des réactifs de la pile et donc de la pression de fonctionnement du système, ce qui nécessite également de l'énergie pour le groupe de compression. Dans tous les cas, le rendement du système diminue à cause de la consommation d'énergie nécessaire pour obtenir une pile à combustible autonome en eau pure. Il est donc intéressant de disposer de moyens permettant d'obtenir un module de puissance constitué d'un réformeur, d'une pile à combustible et de différents auxiliaires, permettant de récupérer l'eau produite par la pile pour alimenter le réformeur et cette même pile. L'invention a pour objet l'obtention d'un système de gestion de l'eau autonome, c'est-à-dire dont la production d'eau est supérieure ou égale à la consommation d'eau sur une large gamme de puissance et de températures extérieures afin d'obtenir un véhicule automobile autonome dans son besoin en eau pure. L'invention a pour objet un module de puissance pour véhicule automobile comprenant un dispositif de pile à combustible alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif réformeur de carburant hydrocarboné autonome en eau, limitant ainsi les pertes de rendement, 'ainsi qu'un procédé de gestion de l'eau circulant au sein de ce module de puissance. Le module de puissance pour véhicule automobile, selon l'invention comprend un dispositif de pile à combustible alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif réformeur de carburant hydrocarboné fonctionnant à la pression atmosphérique. Ce module comprend un réservoir de stockage d'hydrogène embarqué à bord du véhicule, une vanne d'alimentation en hydrogène montée sur l'alimentation en hydrogène de la pile à combustible et un moyen de commande capable de piloter la vanne d'alimentation afin d'alimenter la pile à combustible soit par le dispositif réformeur, soit par le réservoir de stockage, ledit moyen de commande recevant des signaux de commande en provenance d'un capteur de la température extérieure et d'un moyen de mesure de la puissance électrique demandée. Dans un mode de réalisation préféré, le module de puissance comporte un circuit de recirculation de l'eau produite par le dispositif de pile à combustible vers la partie cathodique de ladite pile à combustible et vers le réformeur, une vanne d'obturation pilotée par ledit moyen de commande étant montée dans le circuit de recirculation de façon à pouvoir interdire le retour de l'eau vers le réformeur. Le procédé de l'invention de gestion de l'eau circulant dans un module de puissance comprenant un dispositif de pile à combustible alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif réformeur de carburant hydrocarboné fonctionnant à pression atmosphérique consiste à arrêter le fonctionnement du dispositif réformeur, à alimenter le dispositif de pile à combustible par de l'hydrogène stocké dans le réservoir embarqué à bord du véhicule en fonction de la température extérieure et de la puissance électrique nécessaire, de façon à maintenir un bilan de consommation d'eau positif ou nul dans le module de puissance. Avantageusement, lorsque la température extérieure est inférieure à une valeur seuil, le système de commande est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène, afin d'autoriser le passage du flux d'hydrogène produit par le réformeur et le réservoir de carburant vers l'anode de la pile à combustible, et afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réservoir d'hydrogène. Lorsque la température extérieure est supérieure à la valeur seuil précédemment mentionnée, le système de commande analyse la demande de puissance électrique requise par le véhicule. Si cette demande est inférieure à une certaine valeur de puissance, le système de commande est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène, afin d'autoriser le passage du flux d'hydrogène produit par le réformeur et le réservoir de carburant vers l'anode de la pile à combustible, et afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réservoir d'hydrogène. Si cette demande est supérieure à la valeur de puissance précédemment mentionnée, le système de commande est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène, afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réformeur et d'interdire l'alimentation en eau de réformeur, et afin d'autoriser le passage du flux l'hydrogène du réservoir vers l'anode de la pile à combustible. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un exemple de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure 1 représentant très schématiquement un module de puissance selon l'invention. Sur la figure 1, est représenté un réservoir à hydrogène 1, muni d'une conduite 2 amenant l'hydrogène à une vanne trois voies 3 d'alimentation en hydrogène. La conduite 2 est munie d'une vanne 4, montée à la sortie du réservoir d'hydrogène 1. Un réservoir de carburant 5 alimente en carburant un réformeur 6, via une conduite 7. Une entrée d'air 8 permet d'alimenter en oxygène le réformeur 6, via une conduite 9. L'hydrogène produit dans le réformeur 6 est amené à la vanne d'alimentation en hydrogène 3, via une conduite 10. La vanne d'alimentation en hydrogène 3 est commandée, via la connexion 1la par un système de commande 11, recevant des signaux d'un capteur de température extérieure 12 et d'un moyen de mesure de la puissance électrique demandée 13. L'hydrogène fourni par le réservoir à hydrogène 1 ou par le réformeur 6 et, dont le flux est commandé par la vanne d'alimentation en hydrogène 3 est amené via la conduite 14 à la partie anodique 15 d'une pile à combustible 16. La pile à combustible 16 est constituée d'une partie anodique 15, d'une cellule de refroidissement 17 et d'une partie cathodique 18. L'entrée d'air 8, via une conduite 19 permet d'alimenter la partie cathodique 18 de la pile à combustible 16 en oxygène. Le liquide de refroidissement, refroidissant la pile à combustible 16 circule dans la pile à combustible par la cellule 17, sort de cette cellule 17 et donc de la pile 16 via la conduite 20, traverse un condenseur cathodique 21, puis. une pompe 22, un vase d'expansion 23, et un radiateur 24, pour être enfin réinjecté dans la pile à combustible 16. L'eau produite sur la partie cathodique 18 de la pile à combustible 16 sort de la pile à combustible 16 par la conduite 25, pour traverser le condenseur cathodique 21. A la sortie du condenseur 21, l'eau est sous forme d'eau liquide. La conduite 26 amène cette eau liquide dans un réservoir à eau 27. Le réservoir 27 alimente en eau le réformeur 6, via la conduite 29, la pompe 28, et la conduite 31. Une vanne d'obturation 30 est montée dans la conduite 31 et est pilotée par le système de commande 11, via la connexion 30a. L'eau stockée dans le réservoir 27, sert aussi à humidifier les gaz à l'entrée de la partie cathodique 18 via la conduite 29, la pompe 28, et le branchement 33 munie d'une vanne 32, qui peut également d'être commandée par le système de commande 11, via une connexion 32a. L'ajout dans le système de pile à combustible, comprenant la pile 16 et le réformeur 6 d'un réservoir de stockage 1 d'hydrogène pur embarqué à bord du véhicule, placé en parallèle du réformeur 6, et apte à faire fonctionner la pile à combustible permet de faire fonctionner l'ensemble du système à la pression atmosphérique tout en assurant au véhicule une autonomie en eau. De plus, cet ajout permet de ne recourir ni à une augmentation de la pression de fonctionnement, ni à une source froide d'une température inférieure à la température extérieure. Le rendement du système pile à combustible est donc maximisé et n'est pas dégradé pour satisfaire le besoin d'eau pure du module de puissance. La gestion de l'eau circulant dans le module de puissance est faite de la manière suivante. Lorsque la température extérieure est inférieure à une première valeur seuil, par exemple +45 C telle que détectée par le capteur 12, le système de commande 11 pilote la vanne d'alimentation en hydrogène 3, afin d'autoriser le passage du flux d'hydrogène produit par le réformeur 6 vers la partie anodique 15 de la pile à combustible 16. Simultanément la sortie du flux d'hydrogène provenant du réservoir d'hydrogène 1 est interdite. Lorsque la température extérieure est supérieure à cette première valeur seuil, le système de commande 11 analyse la demande de puissance électrique requise par le véhicule, qui lui est fournie par le moyen 13. Lorsque cette demande de puissance est inférieure à une valeur de puissance prédéterminée, par exemple 70kW, le système de commande 11 pilote la vanne d'alimentation en hydrogène 3, afin d'autoriser le passage du flux d'hydrogène produit par le réformeur 6 vers la partie anodique 15 de la pile à combustible 16. Simultanément la sortie du flux d'hydrogène provenant du réservoir d'hydrogène 1 est interdite. Lorsque la température extérieure est supérieure à la valeur seuil mentionnée ci-dessus, le système de commande analyse la demande de puissance électrique requise par le véhicule, qui lui est fournie par le moyen 13. Si cette demande est supérieure à la valeur de puissance mentionnée ci-dessus, le système de commande 11 pilote la vanne d'alimentation 3 en hydrogène, afin d'autoriser le passage du flux l'hydrogène du réservoir 1 vers la partie anodique 15 de la pile à combustible 16. Simultanément, la sortie du flux d'hydrogène du réformeur 6 et l'alimentation en eau de réformeur 6, via la vanne d'obturation 30 sont interdites. Lorsque la puissance électrique demandée est forte, et lorsque la température extérieure est élevée, par exemple supérieure à +50 C, le fonctionnement du réformeur 6 est alors arrété. Ainsi son besoin en eau annulé. Le véhicule fonctionne, alors avec l'hydrogène stocké dans le réservoir à hydrogène 1 embarqué. Seuls les besoins en eau de l'humidification des gaz en entrée de la pile à combustible 16 demeurent. Ces besoins étant minimes, la récupération d'eau liquide produite par la pile à combustible 16 à la pression atmosphérique est suffisante pour satisfaire les besoins de fonctionnement de ladite pile à combustible 16. Le dispositif de stockage d'hydrogène 1 muni du système de commande 11 permet ainsi pour tous les couples: puissance demandée / température extérieure, l'obtention d'un bilan d'eau pure positif, afin d'assurer l'autonomie en eau du véhicule automobile. La pile à combustible présente donc un rendement maximisé. Ce dispositif fonctionne donc sur une large plage de température extérieure tout en utilisant un réformeur de carburant et une pression de fonctionnement atmosphérique. De même, le besoin d'une source froide de type climatisation afin de refroidir les flux gazeux pour condenser l'eau pure n'est plus nécessaire, pour obtenir un bilan d'eau pure positif. REVENDICATIONS 1. Module de puissance pour véhicule automobile comprenant un dispositif de pile à combustible (16) alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif réformeur (6) de carburant hydrocarboné fonctionnant à la pression atmosphérique, caractérisé par le fait qu'il comprend un réservoir de stockage d'hydrogène (1) embarqué à bord du véhicule, une vanne d'alimentation en hydrogène (3) montée sur l'alimentation en hydrogène de la pile à combustible (16) et un moyen de commande (11) capable de piloter la vanne d'alimentation (3) afin d'alimenter la pile à combustible soit par le dispositif réformeur (6), soit par le réservoir de stockage (1), ledit moyen de commande recevant des signaux de commande en provenance d'un capteur de la température extérieure (12) et d'un moyen de mesure de la puisssance électrique demandée (13). 2. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit de recirculation de l'eau produite par le dispositif de pile à combustible (16) vers la partie cathodique (15) de ladite pile à combustible et vers le réformeur (6), une vanne d'obturation (30) pilotée par ledit moyen de commande (11) étant montée dans le circuit de recirculation de façon à pouvoir interdire le retour de l'eau vers le réformeur. 3.Procédé de gestion de l'eau circulant dans un module de puissance comprenant un dispositif de pile à combustible (16) alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif réformeur (6) de carburant hydrocarboné fonctionnant à pression atmosphérique, caractérisé par le fait qu'on arrête le fonctionnement du dispositif réformeur (6), on alimente le dispositif de pile à combustible par de l'hydrogène stocké dans le réservoir (1) embarqué à bord du véhicule en fonction de la température extérieure et de la puissance électrique nécessaire, de façon à maintenir un bilan de consommation d'eau positif ou nul dans le module de puissance. 4.Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque la température extérieure est inférieure à une valeur seuil, le système de commande (11) est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène (3), afin d'autoriser le passage du flux l'hydrogène produit par le réformeur (6) et le réservoir de carburant (5) vers l'anode de la pile à combustible (15), et afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réservoir d'hydrogène (1). 5.Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque la température extérieure est supérieure à une valeur seuil, le système de commande (11) analyse la demande de puissance électrique requise par le véhicule, si cette demande est inférieure à une certaine valeur de puissance, le système de commande (11) est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène (3), afin d'autoriser le passage du flux l'hydrogène produit par le réformeur (6) et le réservoir de carburant (5) vers l'anode de la pile à combustible (15), et afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réservoir d'hydrogène (1). 6.Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque la température extérieure est supérieure à une valeur seuil, le système de commande (11) analyse la demande de puissance électrique requise par le véhicule, si cette demande est supérieure à une certaine valeur de puissance, le système de commande (11) est apte à commander la vanne d'alimentation en hydrogène (3), afin d'interdire la sortie du flux d'hydrogène du réformeur (6) et d'interdire l'alimentation en eau de réformeur (6), et afin d'autoriser le passage du flux l'hydrogène du réservoir (5) vers l'anode de la pile à combustible (15).