Brevet FR2866984A1 — publié le 20050902

Dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible 5 L'invention concerne les piles à combustible et en particulier un dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible. Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles ou à l'alimentation électrique d'éléments auxiliaires embarqués à bord du véhicule. La pile à combustible permet la transformation de l'énergie d'un carburant embarqué dans le véhicule en une puissance électrique. L'unité auxiliaire de puissance, souvent appelée APU (cc Auxiliary Power Unit ), est une application de la pile à combustible destinée à générer de la puissance électrique pour les équipements électriques d'un véhicule. L'unité auxiliaire de puissance peut soit remplacer l'alternateur, soit être exclusivement destinée à de nouveaux équipements électriques comme par exemple une climatisation électrique en remplacement d'une climatisation mécanique. Dans un véhicule classique utilisant un moteur à combustion interne pour générer la puissance mécanique nécessaire à l'avancement du véhicule, il est intéressant d'ajouter un système pile à combustible de type unité auxiliaire de puissance qui génère une puissance électrique de l'ordre de quelques kW utile pour répondre aux besoins de puissance électrique. Le système pile à combustible avec reformage est destiné à générer la puissance électrique pour alimenter le moteur électrique de traction ou les équipements électriques d'un véhicule et est constitué en particulier des éléments suivants: une pile à combustible proprement dite, permettant de générer de la puissance électrique à partir de combustible, comme par exemple de l'hydrogène, du méthanol, du monoxyde de carbone ou tout type de combustible équivalent, fourni par le reformeur à l'anode et de l'oxygène de l'air à la cathode; - un système de reformage composé d'une part d'une ligne de reformage, appelé reformeur, permettant, à partir d'un carburant tel que de l'essence, du méthanol ou des équivalents, de générer un gaz riche en hydrogène, le reformât, pour io alimenter l'anode de la pile; d'autre part d'un brûleur permettant de récupérer l'énergie de l'hydrogène non consommé par la pile dans une combustion en présence d'air; - un système d'alimentation du système reformeur et de la pile en air comprimé incluant la fonction compression et sa ts motorisation comprenant un moteur électrique ou une turbine; et - un calculateur pour l'ensemble du système, déterminant les débits et les pressions à délivrer aux différents organes du systèmes. La pile à combustible est le seul générateur d'électricité du système. Cependant la totalité de l'énergie produite n'est pas utilisée par les applications, du type traction ou unité auxiliaire de puissance, pour lesquelles de l'énergie électrique est produite. En effet, un certain nombre d'équipements auxiliaires au sein du système pile à combustible, prélève une partie de cette puissance pour leur propre fonctionnement. L'un des plus gros consommateurs d'énergie électrique du système est, par exemple, le système d'alimentation en air. Par conséquent, afin de ne pas détériorer le rendement du système, il est indispensable de trouver une architecture associant les fonctions de compression d'air et de motorisation qui minimise cette consommation électrique. Le système d'alimentation en air génère plusieurs flux pour alimenter le système reformeur et la cathode pour les débits et pressions qui leurs sont spécifiques. Du fait de la perte de charge générée dans la ligne de reformage et de la contrainte d'égalité des pressions à l'entrée de la cathode et de l'anode, il est nécessaire d'adapter les pressions à l'entrée de la pile afin de répondre à cette contrainte. Le document US-6120923 présente une architecture d'un s système pile à combustible avec reformeur à carburant liquide permettant de créer de la vapeur d'eau à partir du circuit de refroidissement de la pile à combustible. Le problème de cette architecture réside dans la consommation importante d'énergie électrique et dans la détérioration du rendement. to L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible permettant de minimiser sa consommation électrique. La présente invention fournit un dispositif de gestion des ts alimentations en air d'un système pile à combustible à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant un système pile à combustible comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant, un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ledit moyen de génération d'énergie électrique étant prévu pour fournir une puissance électrique audit véhicule, un calculateur pilotant à partir de la puissance électrique voulue les conditions de fonctionnement des composants du système et comportant un système d'alimentation en air nécessaire aux différents composants du système, caractérisé en ce que ledit système comprend un moyen séparé de compression et des moyens de répartition du flux d'air comprimé principal entre l'alimentation en air comprimé du système reformeur et l'alimentation en air comprimé de la cathode de la pile à combustible. Un avantage de la présente invention est de minimiser la consommation électrique en proposant une architecture de système de compression optimisée qui permet d'obtenir une faible consommation de la partie compression. Une telle architecture permet de récupérer un maximum d'énergie sur la motorisation par turbine et de réduire l'encombrement ainsi que les coûts de production. De préférence, le système d'alimentation en air selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes: - le moyen séparé de compression d'air comporte un compresseur entraîné par un moteur de préférence électrique; - le moyen de répartition du flux d'air comprimé principal comprend au moins une vanne destinée à répartir les flux d'air dans les différents composants du système; w - une turbine située en amont de la cathode de la pile à combustible est alimentée par de l'air déjà comprimé par le moyen séparé de compression d'air; - la turbine en amont de la cathode est liée à un alternateur; - un second compresseur alimente en air comprimé le système reformeur, de préférence uniquement ledit système reformeur; - le compresseur est entraîné par un moteur, de préférence électrique; - une turbine entraînant un compresseur alimentant le système reformeur est entraîné par de l'air déjà comprimé par le moyen séparé de compression d'air; et - la turbine et ledit compresseur sont liés par une liaison mécanique. La présente invention s'applique en outre à un véhicule comprenant un tel dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible incluant un reformeur de carburant. Cette architecture a plusieurs avantages comparée aux 3o architectures de système d'air actuelles. D'abord, cette architecture permet de découpler les alimentations en air des deux composants consommateurs d'air comprimé et permet ainsi une plus grande flexibilité dans la commande du système complet. 2866984 s D'autre part elle permet de diminuer la consommation électrique nécessaire à la compression de l'air en optimisant la récupération d'énergie sur les turbines qui sont dimensionnés sur des plages de fonctionnement en débit et en température d'entrée plus étroites. De plus, la présente invention s'affranchit ainsi de la différence de temps de réponse des circuits fluides anodique et cathodique. En effet, dans le cas d'une alimentation et d'une récupération d'air unique du système reformeur et de la pile, il io peut y avoir une différence de temps de réponse de ces deux composants, ce qui se répercute sur la turbine. La présente invention sera mieux comprise à travers l'étude de plusieurs modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur zs lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation selon l'invention où l'air en sortie du compresseur est à la pression maximale requise par le système reformeur; - la figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation selon l'invention où l'air en sortie du compresseur est à la pression d'entrée de la cathode; - la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation selon l'invention combinant les 25 deux modes de réalisation précédents. 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. Les modes de réalisation représentés sur les figures précédemment citées comprennent les éléments suivants: - un système 1 comprenant d'une part un reformeur de carburant 2 permettant de transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogène pour alimenter la pile côté anode, ledit reformeur 2 étant alimenté en carburant et en air comprimé depuis le système d'alimentation en air comprimé 15 respectivement par les conduites 17 et 20; et d'autre part une pile à combustible 3 qui transforme le reformât avec de l'air en une puissance électrique et qui est constituée d'une anode 4 et d'une cathode 5, ladite pile à combustible étant alimentée en reformât et en air comprimé depuis le système d'alimentation en air comprimé 15 respectivement par les conduites 18 et 19; io - un système d'alimentation d'air 15 permettant de comprimer l'air nécessaire pour le fonctionnement du système et comprenant deux étages de compression 9 et 14; - un ensemble de vannes de régulation 6, 7 et 8 permettant de réguler les débits et les pressions dans les différentes lignes fluides ou de by- passer un ou plusieurs composants en fonctions des conditions de fonctionnement. Tel qu'il est représenté sur la figure 1, le système à pile à combustible est équipé d'un groupe de compression principal 14 qui alimente en air comprimé le système reformeur 2 et la cathode 5 de la pile 3. Ledit groupe de compression principal 14 comprend un moteur électrique 12 qui entraîne un compresseur 13 via une liaison mécanique 23. Le compresseur 13 est alimenté en air par la canalisation 22 et le comprime pour alimenter le second étage de compression 9 par la canalisation 21. Cependant les deux composants 2 et 5, ne peuvent pas avoir la même pression d'air en entrée. En effet, pour assurer les performances et la durabilité de la pile à combustible 3, il est nécessaire de limiter la différence de pression entre l'entrée de l'anode 4 et celle de la cathode 5. Pour répondre à cette contrainte, le système reformeur 2 et la cathode 5 sont alimentés par de l'air à des pressions différentes afin de compenser la perte de charge engendrée dans la ligne de reformage. Pour des raisons, d'intégration et de simplification du système, le débit d'air nécessaire à l'ensemble du système 1 est dans une première étape comprimé à une pression cible par un système de compression principal 14. La pression de l'air fournie à ces deux éléments est adaptée de façon à ce que le système 1 soit alimenté par de l'air comprimé à la pression maximale requise par le système reformeur 2. Dans ce premier mode de réalisation, l'air en entrée cathodique 5 est détendu via une turbine 10 située en amont de l'entrée cathodique 5. L'air détendu dans la turbine 10 est ensuite dirigé vers la cathode 5 par une canalisation 19 et permet de limiter la différence de pression entre les entrées cathodique 5 et anodique 4 de la pile à combustible 3. La turbine 10 peut être liée à un alternateur 11 qui récupère cette énergie sous forme d'électricité. Cette énergie pourra être réutilisée dans le système pour alimenter certains éléments auxiliaires électriques. Selon l'invention, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, sur laquelle les organes identiques portent les mêmes références, le système 1 est alimenté par de l'air comprimé à la pression requise en entrée cathodique 5. Dans ce cas, un supplément de pression devra être fourni au flux d'air alimentant le système reformeur 2 grâce à un compresseur 25 entraîné par un moteur électrique 26 ou tout autre moyen d'entraînement équivalent par l'intermédiaire d'une liaison mécanique 27. Selon un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 2, la surpression apportée à l'air comprimé à l'entrée du système reformeur 2 équivaut à la perte de charge dans la ligne de reformage. L'énergie nécessaire à la première étape de compression du flux principal est alors plus faible que dans l'architecture précédente puisque sa pression est moins élevée. De plus, dans le cas où la ligne de reformage 2 comprend un réacteur principal de type oxydation sélective ou autothermal et des étapes de purification, seul le flux d'air l'alimentant doit être comprimé à une pression supérieure à la pression requise en entrée cathodique. Le brûleur de cette ligne est alors alimenté par de l'air à la pression du flux principal. Le brûleur étant placé en aval de la pile 3, la perte de charge n'a pas d'influence sur les pressions en entrée cathodique 5 et anodique 4. Selon un troisième mode de réalisation illustré sur la figure 3, le système 1 est alimenté par de l'air comprimé à une pression intermédiaire entre celles requises à l'entrée cathodique 5 et à l'entrée du système reformeur 2. Un compresseur 30 et une turbine 10, éventuellement reliés mécaniquement par une liaison 29, sont alors insérés dans le circuit pour adapter la pression des deux flux. io Le flux d'air principal est comprimé à une pression intermédiaire entre celle requise à l'entrée cathodique 5 et celle requise à l'entrée du reformeur 2. Dans ce cas, un compresseur 30 et une turbine 10 sont respectivement insérés sur la ligne d'alimentation en air du système reformeur 2 et sur la ligne s d'alimentation en air de la cathode 5 pour adapter la pression des deux flux. Le compresseur 30 et la turbine 10 peuvent être couplés mécaniquement par un arbre 29 pour éviter d'apporter de l'énergie supplémentaire à la surpression. La turbine 10 peut en outre être reliée à un alternateur et le compresseur à un moteur électrique ou tout autre moyen d'entraînement équivalent. Par ailleurs, la limitation de la différence de pression entre l'entrée de la cathode 5 et celle de l'anode 4 ne doit pas se faire au détriment de la consommation du système d'alimentation en air. Cette contrainte est donc prise en compte dans les trois variantes décrites ci-dessus. Ces architectures d'alimentation en air permettent d'obtenir l'égalité des pressions en entée cathodique 5 et anodique 4 en gérant une pression en entrée du système reformeur supérieure à celle de l'entrée cathodique 5, tout en limitant la puissance à fournir pour la compression. REVENDICATIONS 1. Dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant un système pile à combustible (1) comprenant un moyen de génération d'hydrogène (2) à partir d'un autre i0 carburant, un moyen de génération d'énergie électrique (3) à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ledit moyen de génération d'énergie électrique (3) étant prévu pour fournir une puissance électrique audit véhicule, un calculateur pilotant à partir de la puissance électrique voulue les conditions de s fonctionnement des composants du système, et comportant un système pour comprimer l'air (15) nécessaire aux différents composants du système, caractérisé en ce que ledit système de compression (15) comprend un moyen séparé de compression (14) et des moyens de répartition (6), (7) et (8) du flux d'air comprimé principal entre l'alimentation en air comprimé du système reformeur (2) et l'alimentation en air comprimé de la cathode (5) de la pile à combustible. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen séparé de compression d'air (8) comporte un compresseur (9) entraîné par un moteur (10) de préférence électrique. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen de répartition du flux d'air comprimé principal comprend au moins une vanne destinée à répartir les flux d'air dans les différents composants du système. i0 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une turbine (10) située en amont de la cathode (5) de la pile à combustible (3) est alimentée par de l'air déjà comprimé par le moyen séparé de compression d'air (14). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la turbine (10) en amont de la cathode (5) est liée à un alternateur (11). io 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un second compresseur (25) alimente en air comprimé le système reformeur (2), de préférence uniquement ledit système reformeur (2), 7. Dispositif selon la revendications 6, caractérisé en ce que ledit compresseur (25) est entraîné par un moteur (26), de préférence électrique. 8. Dispositif selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'une turbine (10) entraînant un compresseur (30) alimentant le système reformeur (2) est entraîné par de l'air déjà comprimé par le moyen séparé de compression d'air (14). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce 25 que ladite turbine (10) et ledit compresseur (30) sont liés par une liaison mécanique (23). 10. Véhicule comprenant un dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible incluant un 30 reformeur de carburant selon l'une des revendications 1 à 9.