Brevet FR2863107A1 — publié le 20050603

Dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible L'invention concerne les piles à combustible et plus particulièrement un dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible. Les piles à combustible 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. Une pile à combustible est constituée principalement de deux électrodes, une anode et une ls cathode, qui sont séparées par un électrolyte. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydo-réduction suivantes - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, qui alimente l'anode en continu; et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la cathode en continu. Les piles à combustible utilisées pour fournir de l'énergie électrique à bord de véhicules automobiles sont généralement du type à électrolyte solide, notamment à électrolyte formé par une membrane en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (1-12) et de l'oxygène (02) en guise de combustible et de comburant respectivement. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec les gaz d'échappement une quantité non négligeable de 30 substances polluantes, la pile à combustible offre notamment l'avantage de rejeter principalement de l'eau qui est produite par la réaction de réduction à la cathode. La pile rejette aussi une partie du comburant qui 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. L'unité auxiliaire de puissance, souvent appelée APU ( Auxiliary Power Unit ), est une application de la pile à combustible destinée à générer de la puissance électrique pour io les équipements électriques d'un véhicule conventionnel. 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 importante, de l'ordre de quelques kilowatts, utile pour répondre aux besoins de puissance électrique toujours croissants dans les véhicules. Le système pile à combustible avec reformage est destiné à générer la puissance électrique pour alimenter le moteur de traction d'un véhicule et est constitué des éléments suivants: - une pile permettant de générer de la puissance électrique à partir de l'hydrogène fourni par le reformeur à l'anode et de l'oxygène de l'air à la cathode; - un système reformeur composé d'une ligne de reformage, appelée reformeur, permettant de générer un gaz riche en hydrogène pour alimenter l'anode de la pile à partir d'un carburant, par exemple de l'essence, du méthanol ou tout carburant équivalent, et 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 motorisation, par exemple un moteur électrique, une turbine ou tout système motorisé équivalent; - un ensemble d'équipements auxiliaires tels que, par exemple, un piège à eau et un circuit de refroidissement. La pile à combustible est le seul générateur d'électricité du système. Cependant la totalité de cette énergie produite n'est pas utilisée par les applications, telles que la traction ou les io unités auxiliaires de puissance, pour lesquelles de l'énergie électrique est produite. En effet, un certain nombre d'équipements auxiliaires prélève une partie de cette puissance pour son 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 de groupe de compression d'air qui minimise cette consommation électrique tout en fournissant au système pile à combustible de l'air comprimé à la pression de fonctionnement et ceci sur la plus grande plage de débit possible. Le document WO-0239514 propose l'architecture et le fonctionnement d'un système pile à combustible complet intégrant un système de compression d'air et de récupération d'énergie utilisant trois composants: un compresseur et deux turbines. Le document US-3982962 présente une architecture de système pile à combustible intégrant un turbocompresseur et une turbine. Le turbocompresseur fournit l'air comprimé au système et est entraîné par la turbine qui détend les gaz d'échappement anodique. Une seconde turbine transforme l'énergie des gaz cathodiques en énergie électrique grâce à un alternateur. Le problème de ces architectures réside dans la consommation importante d'énergie électrique et dans la détérioration du rendement. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible amélioré. La présent 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 moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible étant prévue pour fournir lo une puissance électrique audit véhicule, et comportant un système pour comprimer l'air nécessaire aux différents composants du système, caractérisée en ce que ledit système de compression comporte deux turbocompresseurs sensiblement autonomes chacun alimentant un élément séparé du système pile à combustible et chacun des compresseurs respectifs desdits turbocompresseurs étant alimentés en air déjà comprimé par un moyen séparé de compression d'air. Un avantage de la présente invention est de minimiser la consommation en proposant une architecture de système de compression optimisé qui permet d'obtenir une faible consommation de la partie compression. Une telle architecture permet de récupérer un maximum d'énergie sur la partie turbine et de réduire l'encombrement ainsi que les coûts de production. Selon une autre caractéristique de l'invention: un moyen séparé de compression d'air comporte un compresseur entraîné par un moteur de préférence électrique; - un premier desdits turbocompresseurs alimente en air comprimé un système reformeur de ladite pile à combustible, de préférence uniquement ledit reformeur; - une turbine dudit premier turbocompresseur est entraînée par les gaz d'échappement issus du brûleur de ladite pile à combustible, de préférence régulée par une vanne; - un second desdits turbocompresseurs alimente en air comprimé le circuit cathodique de ladite pile à combustible, de préférence uniquement ledit circuit cathodique; - une turbine dudit second turbocompresseur est entraînée par 5 les gaz d'échappement issus du circuit cathodique de ladite pile à combustible, de préférence régulée par une vanne; - chacune des turbines desdits turbocompresseurs est entraîné par un mélange des gaz d'échappement issus du brûleur et du circuit anodique; io - chacune des turbines desdits turbocompresseurs est entraîné par deux flux de gaz d'échappement séparés issus l'un du circuit anodique, de préférence du brûleur, et l'autre du circuit cathodique; - une turbine entraînant le compresseur alimentant le système reformeur est entraîné par les gaz d'échappement du circuit anodique, de préférence du brûleur, et la turbine entraînant le compresseur alimentant le circuit cathodique est entraîné par les gaz d'échappement du circuit cathodique - l'installation comporte en plus un système de commande du système de compression pour réguler la distribution et la pression de l'air comprimer pour chaque étage de compression. L'invention s'applique en outre à un procédé de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, le procédé opérant en comprimant, de façon sensiblement autonome, l'air nécessaire au moins à deux éléments du système pile à combustible utilisant deux turbocompresseurs; et en alimentant les compresseurs respectifs desdits turbocompresseurs en air déjà comprimé par un moyen séparé de compression d'air. Le procédé opérant de plus en entraînant chacune des turbines par des circuits d'échappement sensiblement indépendants, par exemple l'échappement du brûleur pour le première desdites turbines et l'échappement du circuit cathodique pour la deuxième desdites turbines. La présente invention s'applique aussi à un véhicule comprenant une telle installation de production d'électricité ou utilisant un tel procédé. Cette architecture à plusieurs avantages comparée aux 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 ainsi permet une plus grande flexibilité dans la commande du système complet. io 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 dimensionnées 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 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 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 vue schématique de l'installation où les gaz anodique et cathodique en sortie de pile sont mélangés et ensuite redistribué en fonction des besoins sur les deux turbines; - la figure 2 est une vue schématique où le flux anodique est détendu dans la turbine reliée au compresseur alimentant le système reformeur (qui alimente en hydrogène l'anode de la pile), le flux cathodique étant détendu dans la turbine entraînant le compresseur qui alimente en air la cathode. La figure 1 présente une installation de production d'électricité comprenant: - un calculateur, non représenté, pour l'ensemble du système; - un système pile à combustible 1 comprenant un reformeur 2 de carburant permettant de transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogène pour alimenter la pile côté anode et une pile à combustible 3 qui transforme l'hydrogène avec de l'air en une puissance électrique; - un brûleur 4 en sortie de pile brûlant les gaz anodiques; - un circuit de refroidissement, non représenté, qui permet io d'évacuer la puissance thermique issue de la condensation; - un circuit d'eau, non représenté, incluant un réservoir d'eau liquide; - un système d'air 5 permettant de comprimer l'air nécessaire pour le fonctionnement du système et de valoriser l'énergie des gaz d'échappement. Afin d'assurer le niveau de pression maximale lié aux pires conditions de fonctionnement en terme de récupération d'eau liquide (dans le cas d'une température extérieure élevée) . Ce système d'air comprend deux étages de compression: un premier étage de compression 6 associé à un moteur électrique 7, et un second étage 8 composé de deux turbocompresseurs autonomes 9 et 10; - un ensemble de vannes 11 de régulation permettant de réguler les débits dans les différentes lignes fluides ou de bypasser un ou plusieurs composants en fonctions des conditions de fonctionnement. Dans l'architecture du système, un groupe de compression alimente en air comprimé le système reformeur 2 comprenant le brûleur et la ligne de reformage (par exemple, le réacteur principal de type oxydation sélective ou auto thermal et les étapes de purification de type oxydation préférentielle), et la cathode de la pile 3. Cependant, ces deux composants, pile 3 et système reformeur 2, ne sont pas forcement alimentés par des flux ayant un même débit et surtout une même pression de fonctionnement. En effet, pour assurer les performances et la durabilité de la pile, il est nécessaire de limiter la différence des pressions en entrée anode et cathode. Pour ce faire, on alimente le système reformeur et la cathode par de l'air à des pressions différentes afin de compenser la perte de charge (de pression) engendrée dans la ligne de reformage. Or le débit d'air nécessaire à l'ensemble du système est dans une première étape comprimé à une pression cible par un système de compression 6, composé d'un ou de plusieurs lo compresseurs et de la motorisation associée. Ce flux principal est ensuite réparti, grâce à une vanne 11, entre le système reformeur 2 et la cathode de la pile 3, et les pressions de chacun sont adaptées. Le système pile à combustible 1 a besoin d'air comprimé pour fonctionner. D'une part de l'air est envoyé à la cathode de la pile à combustible 3 pour permettre la réaction électrochimique: H2 + Y2 02 H2O + puissance électrique, et d'autre part de l'air est envoyé au système reformeur 2 pour les différents étages de conversion du carburant en hydrogène et pour la purification du réformant en monoxyde de carbone. Le but de cette invention est d'une part de séparer l'alimentation d'air pour ces deux composants (pile 3 et reformeur 2) afin de simplifier le contrôle commande du système complet et d'autre part d'optimiser la récupération d'énergie dans les gaz d'échappement pour diminuer l'énergie consommée par la compression, et ainsi augmenter le rendement du système complet. Cette invention décrit une architecture particulière du système d'alimentation d'air et de valorisation des gaz. Elle est 30 composée d'un double étage de compression 6 et 8: - Le premier étage de compression 6 est composé d'un compresseur 12 couplé à un moteur électrique 7. - Le second étage de compression 8 se compose de deux turbocompresseurs 9 et 10 autonomes (non motorisés électriquement) en parallèle. Le premier turbocompresseur 9 permet d'alimenter en air comprimé le système reformeur 2 à l'étape de conversion du carburant en hydrogène et de purification du monoxyde de carbone. Suivant les architectures présentées dans le cadre de cette invention, l'énergie nécessaire est apportée soit par la totalité des flux anodiques uniquement, soit par une partie du mélange des gaz anodique et cathodique. Sur le circuit anodique, la température du flux en sortie est plus élevée que sur le circuit io cathodique, du fait de la présence du brûleur 4. Cette énergie thermique supplémentaire est récupérée sur la turbine et permet de fournir une pression en sortie du compresseur anodique supérieure a celle du circuit cathodique. Cette surpression permet de vaincre la perte de charge du système reformeur 2 de is quelques dizaines de kPa, afin d'obtenir l'égalité des pressions entre l'anode et la cathode de la pile 3. Le second turbocompresseur 10 permet d'alimenter en air comprimé la cathode de la pile à combustible 3 où il se produit une réaction électrochimique de l'oxygène de l'air avec l'hydrogène produit par le système reformeur 2 pour fournir de l'eau et de l'énergie électrique. Suivant les architectures présentées dans le cadre de cette invention, l'énergie nécessaire est apportée soit par la totalité des flux cathodiques uniquement, soit par une partie du mélange des gaz anodique et cathodique. Grâce à une telle invention, la consommation électrique du système de compression reste limitée sur toute la plage de fonctionnement et permet de maximiser le rendement du système pile. i0 REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible (1) 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, et comportant un système pour comprimer l'air nécessaire aux différents composants du système, caractérisée en ce que ledit système de compression (5) comporte deux turbocompresseurs sensiblement autonomes (9,10) chacun alimentant un élément séparé du système pile à combustible (1) et chacun des compresseurs respectifs (9A, 10A) desdits turbocompresseurs (9, 10) étant alimentés en air déjà comprimé par un moyen séparé de compression d'air (12). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit moyen séparé de compression d'air comporte un compresseur (12) entraîné par un moteur (7) de préférence électrique. 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un premier desdits turbocompresseurs (9) alimente en air comprimé un système reformeur (2) de ladite pile à combustible, de préférence uniquement ledit reformeur. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que la turbine (9B) dudit premier turbocompresseur (9) est entraînée par les gaz d'échappement issus du brûleur (4) de ladite pile à combustible (1), de préférence régulée par une vanne (Il). 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un second desdits turbocompresseurs (10) alimente en air comprimé le circuit cathodique de ladite pile à combustible (1), de préférence uniquement ledit circuit cathodique. io 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la turbine (10B) dudit second turbocompresseur (9) est entraînée par les gaz d'échappement issus du circuit cathodique de ladite pile à combustible (1) , de préférence régulée par une vanne (11). 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chacune des turbines (9B, 10B) desdits turbocompresseurs (9, 10) est entraîné par un mélange des gaz d'échappement issus du brûleur (4) et du circuit anodique. 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chacune des turbines (9B, 10B) desdits turbocompresseurs (9, 10) est entraîné par deux flux de gaz d'échappement séparés issus l'un du circuit anodique, de préférence du brûleur (4), et l'autre du circuit cathodique. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la turbine (9B) entraînant le compresseur (9A) alimentant le système reformeur est entraîné par les gaz d'échappement du circuit anodique, de préférence du brûleur (4), et la turbine (10B) entraînant le compresseur (10A) alimentant le circuit cathodique est entraîné par les gaz d'échappement du circuit cathodique. 10. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en plus un système de commande du système de compression pour réguler la distribution et la pression de l'air comprimer pour chaque étage de compression. 11. Procédé de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, le procédé opérant en: - en comprimant, de façon sensiblement autonome, l'air nécessaire au moins à deux éléments du système pile à combustible utilisant deux turbocompresseurs (9, 10) ; et - en alimentant les compresseurs respectifs desdits turbocompresseurs (9, 10) en air déjà comprimé par un moyen séparé de compression d'air (12). 12. Procédé de production d'électricité selon la revendication 11, le procédé opérant en entraînant chacune des turbines (9B, 10B) par des circuits d'échappement sensiblement indépendants, par exemple l'échappement du brûleur pour le première desdites turbines (9B) et l'échappement du circuit cathodique pour la deuxième desdites turbines (10B). 13. Véhicule comprenant une installation de production d'électricité selon l'une des revendications 1 à 10 ou utilisant le 25 procédé selon l'une des revendications 11 ou 12.