Brevet FR2870640A1 — publié le 20051125

i Dispositif et procédé d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule La présente invention est relative aux piles à combustible et en particulier à un dispositif d'alimentation en hydrogène d'une telle pile à combustible embarquée à bord d'un véhicule. 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 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 ou un module de puissance 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 un reformât riche en hydrogène. L'hydrogène alimente ensuite la pile à combustible qui délivre un courant électrique permettant d'assurer avec la batterie la propulsion du véhicule par l'intermédiaire d'un moteur électrique. Afin de fonctionner le reformeur a besoin de chaleur pour conserver sa température de fonctionnement sensiblement constante lors de son utilisation. En effet, la réaction qui se déroule dans un reformeur est endothermique, c'est pourquoi il faut compenser cette carence en énergie thermique pour que la réaction chimique se déroule dans des conditions idéales de PJ 3502 YK température. Pour répondre à ce besoin énergétique, le reformeur est associé à un brûleur qui lui fournit l'énergie thermique nécessaire à son fonctionnement. Ce brûleur est généralement situé en sortie anodique d'une pile à combustible s et est alors alimenté par l'hydrogène non consommé lors de la réaction chimique qui se déroule dans la pile à combustible. La consommation en hydrogène du brûleur associé au reformeur doit être réduite au minimum de façon à optimiser le rendement du système. l0 Cependant, l'inconvénient lié à la réutilisation de l'hydrogène non consommé par la pile à combustible en sortie anodique, est que les quantités réutilisées varient selon les phases de fonctionnement de la pile à combustible. En effet, il existe des phases de fonctionnement pour lesquelles la chaleur ls issue de la combustion de l'hydrogène sortant du stack est trop importante en regard des besoins thermiques du reformeur entraînant un gaspillage de l'énergie thermique. Il existe en outre des phases de fonctionnement pour lesquelles la chaleur issue de la combustion de l'hydrogène sortant de l'empilement des cellules qui composent la pile est insuffisante en regard des besoins thermiques du reformeur. En conséquence, le brûleur ne transforme pas continûment ni constamment l'énergie thermique dont le reformeur a besoin pour fournir un reformât suffisamment riche en hydrogène et nécessaire au bon fonctionnement de la pile à combustible. Pour palier ces inconvénients lorsque le brûleur ne fournit pas assez d'énergie thermique au reformeur, il est connu d'augmenter la production d'hydrogène par le. reformeur afin d'alimenter le brûleur en quantité d'hydrogène plus importante de façon à récupérer plus d'énergie thermique. Cependant, une telle modification du fonctionnement du dispositif d'alimentation en hydrogène du système pile à combustible provoque une diminution du rendement du système. PJ 3502 YK Il est en outre connu de compléter la carence en hydrogène recirculé du brûleur en y injectant directement du carburant liquide stocké dans le réservoir pour produire plus de chaleur. Les inconvénients liés à ce type d'architecture sont qu'il s faut d'une part implanter un brûleur bi-carburant dans le système et d'autre part stabiliser la combustion et l'injection multi-carburant. Le document US-20020177020 présente un dispositif utilisant le principe de la recirculation de l'hydrogène non io consommé en sortie anodique. Le dispositif décrit en outre un dispositif avec reformeur essence dans lequel un stockage d'hydrogène est inclus. Ce stockage d'hydrogène est uniquement destiné pour la phase de démarrage du système pile à combustible pendant laquelle le reformeur monte en température et ne peut fournir le reformât pour le fonctionnement de la pile. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif d'alimentation en hydrogène amélioré d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule en augmentant le rendement du système pile à combustible et en optimisant l'utilisation de l'hydrogène dans ce système. La présente invention concerne donc un dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule équipé d'un moyen de reformage transformant un carburant stocké dans un réservoir à carburant en un reformât riche en hydrogène et destiné à alimenté une pile à combustible alimentée d'une part en hydrogène issu du moyen de reformage à son anode et d'autre part en oxygène de l'air fournit à sa cathode, l'air alimentant la pile étant comprimé par un moyen de compression comprimant l'air pour l'ensemble dudit dispositif, ledit moyen de reformage recevant de l'énergie thermique d'un moyen de chauffage, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un moyen de stockage de l'hydrogène issu de l'anode et non consommé par la pile, et des moyens de régulation situés en aval de l'anode et pilotés par un organe de PJ 3502 YK commande destiné à réguler le débit d'hydrogène non consommé à la sortie a de l'anode alimentant le moyen de chauffage. Ainsi, la présente invention permet d'optimiser les quantités d'hydrogène à fournir au brûleur pour répondre de façon permanente aux besoins en énergie thermique du reformeur. L'ajout d'un système de régulation et d'un moyen de stockage offre la possibilité de d'améliorer la réutilisation de l'hydrogène dans le système pile à combustible en augmentant son rendement. De préférence, le dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes: - le moyen de stockage de l'hydrogène issu de l'anode et non consommé par la pile est un réservoir tampon destiné d'une is part à recevoir l'hydrogène excédentaire lorsque les quantités d'hydrogène sortant de la pile sont supérieures à une valeur prédéterminée traduisant les besoins en énergie thermique du reformeur et d'autre part à alimenter le brûleur en hydrogène lorsque les quantités d'hydrogène sortant de la pile sont inférieures à ladite valeur prédéterminée traduisant les besoins en énergie thermique du reformeur; - le réservoir tampon est situé en aval de la sortie de l'anode de la pile à combustible et alimenté en hydrogène non consommé par ladite pile par une canalisation; - les moyens de régulation situés en aval de l'anode sont constitués d'une première vanne située en amont du réservoir tampon sur la canalisation, d'une deuxième vanne située sur la canalisation de dérivation et d'une troisième vanne en aval du réservoir tampon sur la canalisation, l'ensemble des vannes étant destiné à alimenter le brûleur en hydrogène non consommé issu de l'anode en débit constant en fonction des quantités d'hydrogène non consommé recueillies; - l'organe de commande destiné à réguler le débit d'hydrogène non consommé en sortie d'anode alimentant le PJ 3502 YK moyen de chauffage est relié à l'ensemble des vannes et au brûleur de façon à fournir la quantité d'hydrogène nécessaire pour atteindre la valeur prédéterminée traduisant les besoins d'énergie thermique du reformeur; - le dispositif comporte en plus un moyen d'enrichissement en hydrogène comportant une membrane à base de palladium et/ou de polymère permettant d'enrichir le flux issu d'une sortie anodique en hydrogène et situé en amont du réservoir tampon de façon à réduire la taille dudit réservoir io tampon. La présente invention concerne en outre un procédé d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule équipé d'un moyen de reformage transformant un carburant stocké dans un réservoir à carburant en un reformât riche en hydrogène et destiné à alimenté une pile à combustible alimentée d'une part en hydrogène issu du moyen de reformage à son anode et d'autre part en oxygène de l'air fournit à sa cathode, l'air alimentant la pile étant comprimé par un moyen de compression comprimant l'air pour l'ensemble dudit dispositif, ledit moyen de reformage recevant de l'énergie thermique d'un moyen de chauffage, le procédé opérant en ouvrant la deuxième vanne et en fermant les première et troisième vannes permettant d'alimenter directement le brûleur en hydrogène non consommé par la pile, lorsque la quantité d'hydrogène non consommé issu de la sortie de l'anode est inférieure à une valeur prédéterminée traduisant les besoins d'énergie thermique du reformeur; en ouvrant les première et deuxième vannes, et en fermant la troisième vanne permettant d'alimenter directement le brûleur avec une partie du flux d'hydrogène issu de la sortie de l'anode, l'excédant d'hydrogène non consommé par la pile étant dirigé vers le réservoir tampon, lorsque la quantité d'hydrogène non consommé issu de la sortie de l'anode dépasse les besoins d'énergie thermique du reformeur; et en ouvrant les deuxième et troisième vannes, et en fermant la première vanne permettant PJ 3502 YK d'alimenter directement le brûleur avec l'hydrogène issu de la sortie de l'anode, ce flux étant complété par un flux provenant du réservoir tampon, lorsque la quantité d'hydrogène non consommé issu de la sortie de l'anode est insuffisante pour répondre aux besoins d'énergie thermique du reformeur. a présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par un dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente schématiquement un dispositif à pile à combustible selon l'invention, comprenant un dispositif de régulation du débit d'hydrogène recirculé alimentant le brûleur. 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 is 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 2 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 1 qui peut être embarqué à bord du véhicule et qui est relié au reformeur 2 par une canalisation 11. Ce carburant peut être un carburant liquide de type classique, tel que le méthanol, l'essence ou tout autre carburant équivalent. Le carburant est donc transformé dans le reformeur 2 qui produit un mélange gazeux contenant de l'hydrogène, le reformât. Ce mélange gazeux est envoyé vers une pile à combustible 5 par une canalisation 14. Le flux d'hydrogène est amené vers une entrée de l'anode 4 de la pile à combustible 5, de manière continue, permettant la réaction électrochimique de l'hydrogène et de l'oxygène de l'air à l'intérieur de la pile 5. L'air est amené par une canalisation 13 vers une entrée de la cathode 3 de la pile 5 à partir d'un moyen de compression d'air 10. Le moyen de compression 10 alimente PJ 3502 YK aussi en air le reformeur 2 par une canalisation 13 et fournit l'air comprimé nécessaire à l'ensembles des composants du dispositif. La réaction produit notamment un courant électrique continu qui apparaît aux sorties 15 et 16, et qui peut être utilisé pour alimenter un moteur électrique de propulsion du véhicule. Bien entendu, toute autre application pourrait être envisagée. Afin de réutiliser l'hydrogène sortant de la pile à combustible 5 et n'ayant pas été consommé par cette pile, le flux de sortie anodique recircule vers l'entrée d'un brûleur 7. La io présente invention comporte un dispositif de régulation du flux d'hydrogène non consommé alimentant le brûleur 7 de façon à répondre aux besoins en énergie thermique du reformeur 2. Pour améliorer le rendement du dispositif en fonction des phases de fonctionnement de la pile 5, un organe de commande 8 permet is de réguler l'alimentation en hydrogène non consommé du brûleur 7 grâce à une première vanne 18, une seconde vanne 19 et une troisième vannes 20 qui sont toutes destinées à orienter le flux d'hydrogène. Ainsi, lorsque les quantités d'hydrogène en sortie anodique sont suffisantes et répondent aux besoins thermiques du reformeur 2, l'organe de commande 8 ouvre la vanne deuxième 19 située sur une canalisation 17 et ferme les vannes première et troisième vannes 18 et 20 situées respectivement en amont et en aval d'un réservoir d'hydrogène 6 sur une canalisation 16. Cette configuration du dispositif d'alimentation en hydrogène permet de fournir directement la quantité d'hydrogène suffisante au brûleur 7, par la canalisation 17. Lorsque la pile 5 consomme beaucoup d'hydrogène et que de fait les quantités d'hydrogène non consommées en sortie anodique sont réduites et ne répondent pas aux besoins thermiques du reformeur 2, l'organe de commande 8 ouvre les deuxième et troisième vannes 19 et 20, et ferme la première vanne 18. Dans cette configuration, le brûleur 7 est alimenté directement en petite quantité depuis la sortie anodique de la PJ 3502 YK pile 5 et par l'hydrogène stocké dans le réservoir 6. Ce réservoir 6 est destiné à fournir une alimentation complémentaire en hydrogène pendant les phases où l'hydrogène non consommé par la pile 5 ne permet pas de produire l'énergie thermique nécessaire au reformeur 2. Le réservoir 6 joue le rôle de tampon pour améliorer le rendement du système et la consommation de l'hydrogène dans un tel dispositif. Enfin, lorsque la quantité d'hydrogène non consommé issu de la sortie anodique 4 dépasse les besoins thermiques du io reformeur 2, l'organe de commande 8 ouvre les première et deuxième vannes 18 et 19, et ferme la troisième vanne 20. D'une part, le brûleur 7 est alimenté directement en quantité nécessaire en hydrogène non consommé depuis la sortie anodique 4. D'autre part, la quantité d'hydrogène excédentaire non consommé par la pile est stocké dans le réservoir tampon 6 de façon à subvenir aux besoins du reformeur 2 lorsque les quantités d'hydrogène non consommé sont insuffisantes. Avantageusement, le dispositif peut comporter un moyen d'enrichissement en hydrogène comportant une membrane à base de palladium et/ou de polymère permettant d'enrichir le flux issu d'une sortie anodique 4 en hydrogène et situé en amont du réservoir tampon 6 de façon à réduire la taille dudit réservoir tampon 6. De ce fait, les performances de la pile sont améliorées grâce à l'ajout de deux boucle de recirculation de l'hydrogène non consommée par la pile 16 et 17, et d'un réservoir tampon 6 qui permet de répondre aux besoins en énergie thermique du reformeur 2. PJ 3502 YK REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule équipé d'un moyen de reformage (2) transformant un carburant stocké dans un réservoir à carburant (1) en un reformât riche en hydrogène et destiné à zo alimenter une pile à combustible (5) alimentée d'une part en hydrogène issu du moyen de reformage (2) à son anode (4) et d'autre part en oxygène de l'air fournit à sa cathode (3), l'air alimentant la pile (5) étant comprimé par un moyen de compression (10) comprimant l'air pour l'ensemble dudit dispositif, ledit moyen de reformage (2) recevant de l'énergie thermique d'un moyen de chauffage (7), caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un moyen de stockage (6) de l'hydrogène issu de l'anode (4) et non consommé par la pile (5), et des moyens de régulation (18, 19, 20) situés en aval de l'anode (4) et pilotés par un organe de commande (8) destiné à réguler le débit d'hydrogène non consommé à la sortie a de l'anode (4) alimentant le moyen de chauffage (7). 2. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de stockage (6) de l'hydrogène issu de l'anode (4) et non consommé par la pile (5) est un réservoir tampon destiné d'une part à recevoir l'hydrogène excédentaire lorsque les quantités d'hydrogène sortant de la pile (5) sont supérieures à une valeur prédéterminée traduisant les besoins en énergie thermique du reformeur (2) et d'autre part à alimenter le brûleur (7) en hydrogène lorsque les quantités d'hydrogène sortant de la pile (5) sont inférieures à ladite valeur prédéterminée traduisant les PJ 3502 YK besoins en énergie thermique du reformeur (2). 3. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réservoir tampon (6) est situé en aval de la sortie de l'anode (4) de la pile à combustible (5) et alimenté en hydrogène non consommé par ladite pile (5) par une canalisation (14). 4. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à lo combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de régulation (18, 19, 20) situés en aval de l'anode (4) sont constitués d'une première vanne (18) située en amont du réservoir tampon (6) sur la canalisation (16), d'une deuxième vanne (19) située sur la canalisation de dérivation (17) et d'une troisième vanne (20) en aval du réservoir tampon (6) sur la canalisation (16), l'ensemble des vannes (18, 19, 20) étant destiné à alimenter le brûleur (7) en hydrogène non consommé issu de l'anode (4) en débit constant en fonction des quantités d'hydrogène non consommé recueillies. 5. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe de commande (8) destiné à réguler le débit d'hydrogène non consommé en sortie d'anode (4) alimentant le moyen de chauffage (7) est relié à l'ensemble des vannes (18, 19, 20) et au brûleur (7) de façon à fournir la quantité d'hydrogène nécessaire pour atteindre la valeur prédéterminée traduisant les besoins d'énergie thermique du reformeur (2). 6. Dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comporte en plus un moyen PJ 3502 YK I1 d'enrichissement en hydrogène comportant une membrane à base de palladium et/ou de polymère permettant d'enrichir le flux issu d'une sortie anodique (4) en hydrogène et situé en amont du réservoir tampon (6) de façon à réduire la taille dudit réservoir tampon (6). 7. Procédé d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée dans un véhicule équipé d'un moyen de reformage (2) transformant un carburant stocké dans un réservoir Io à carburant (1) en un reformât riche en hydrogène et destiné à alimenté une pile à combustible (5) alimentée d'une part en hydrogène issu du moyen de reformage (2) à son anode (4) et d'autre part en oxygène de l'air fournit à sa cathode (3), l'air alimentant la pile (3) étant comprimé par un moyen de compression (3) comprimant l'air pour l'ensemble dudit dispositif, ledit moyen de reformage (2) recevant de l'énergie thermique d'un moyen de chauffage (7), le procédé opérant: - en ouvrant la deuxième vanne (19) et en fermant les première et troisième vannes (18, 20) permettant d'alimenter directement le brûleur (7) en hydrogène non consommé par la pile (5), lorsque la quantité d'hydrogène non consommé issu de la sortie de l'anode (4) est inférieure à une valeur prédéterminée traduisant les besoins d'énergie thermique du reformeur (2) ; - en ouvrant les première et deuxième vannes (18, 19), et en fermant la troisième vanne (20) permettant d'alimenter directement le brûleur (7) avec une partie du flux d'hydrogène issu de la sortie de l'anode (4), l'excédant d'hydrogène non consommé par la pile (5) étant dirigé vers le réservoir tampon (6), lorsque la quantité d'hydrogène non consommé issu de la sortie de l'anode (4) dépasse les besoins d'énergie thermique du reformeur (2) ; et - en ouvrant les deuxième et troisième vannes (19, 20), et en fermant la première vanne (18) permettant d'alimenter directement le brûleur (7) avec l'hydrogène issu de la sortie de PJ 3502 YK l'anode (4), ce flux étant complété par un flux provenant du réservoir tampon (6), lorsque la quantité d'hydrogène non consommé issu de la sortie de l'anode (4) est insuffisante pour répondre aux besoins d'énergie thermique du reformeur (2). 8. Véhicule comprenant un dispositif d'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible embarquée à bord dudit véhicule selon l'une des revendications 1 à 6 ou utilisant un procédé d'alimentation en hydrogène selon la revendication 7. PJ 3502 YK