Brevet FR2862435A1 — publié le 20050520

Dispositif d'humidification cathodique et de gestion thermique d'un système pile à combustible L'invention concerne un dispositif d'humidification cathodique et de gestion thermique d'un système pile à combustible. io Les piles à combustible sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles et ou à l'alimentation de leurs dispositifs auxiliaires. 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 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 (H2) et de l'oxygène (02) en guise de combustible et de comburant respectivement. L'hydrogène utilisé pour alimenter la pile peut soit être produit par un système de reformage d'un carburant, soit être fourni directement à partir d'un réservoir d'hydrogène spécifique. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec les gaz d'échappement une quantité non négligeable de 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. Le comburant est généralement humidifié avant d'être injecté à la cathode de façon à ce 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 peut également être appliquée au carburant dans et / ou avant d'entrer à l'anode. 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, il n'est pas nécessaire que le véhicule soit équipé d'un réservoir d'eau de volume important. Le générateur d'électricité pile à combustible peut utiliser différents carburants tels que l'essence, l'hydrogène ou leurs équivalents qui sont facilement stockables dans le véhicule et largement disponible grâce au réseau de distribution existant. Pour un générateur utilisant de l'essence, en phase de fonctionnement normal, le système reformeur reforme le carburant et produit un débit de reformât riche en hydrogène. Cet hydrogène alimente 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 et / ou l'alimentation directe des systèmes auxiliaires du véhicule. En fonctionnement, la pile demande usuellement à être humidifiée en entrée anodique et cathodique. Du côté io cathodique, un dispositif spécifique humidifie l'air provenant du système de compression. De plus, le fonctionnement d'un système pile à combustible incluant un reformeur demande une pression d'air élevée qui est générée par un compresseur inclus dans le système. Lors de la compression de l'air, la température des gaz en sortie de compresseur augmente. Pour la rendre compatible avec la température de la pile, il est connu de d'ajouter un échangeur en sortie de compresseur. 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. L'objet de la présente invention est de répondre d'une part à la contrainte d'humidification du côté cathodique et, d'autre part, au besoin de refroidissement du flux d'air comprimé. 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 fourniture d'hydrogène 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 une puissance électrique audit véhicule, un moyen permettant de brûler les gaz en sortie de ladite pile à combustible, au moins un compresseur permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système et un circuit d'eau, caractérisée en ce que ledit compresseur est en amont du circuit cathodique et en ce que l'installation comporte en plus des moyens d'injection d'eau liquide dans le flux d'air en amont et en aval dudit compresseur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'installation comporte un calculateur déterminant le débit d'eau nécessaire à injecter dans le flux d'air, en réponse aux signaux reçus depuis des capteurs de température situés en amont et en aval dudit compresseur; io l'installation comporte un premier compresseur inclus dans le premier étage de compression et destiné à alimenter le deuxième compresseur du deuxième étage de compression; - l'injection d'eau se fait sélectivement par le calculateur en amont ou en aval dudit compresseur; le premier compresseur est entraîné par un moteur et le second compresseur est entraîné par une turbine; - un circuit d'eau comprend des condenseurs en sortie anodique et cathodique permettant de récupérer de l'eau sous forme liquide; - l'installation comprend un reformeur qui alimente la pile à combustible en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pression qui sont injectés dans la turbine, ladite turbine étant aussi alimentée par les gaz d'échappement cathodiques. L'invention concerne aussi un procédé de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comprenant un moyen de fourniture d'hydrogène 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 une puissance électrique audit véhicule, un moyen permettant de brûler les gaz en sortie de ladite pile à combustible, au moins un compresseur permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système et un circuit d'eau, le procédé opérant en mesurant la température du flux d'air en sortie de chacun des compresseurs par des capteurs de température; et en évaluant le débit d'eau nécessaire à injecter sélectivement en aval et en amont du compresseur par un calculateur. L'invention s'applique en outre 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 de production d'électricité. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et io 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 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 assemblage membrane-électrodres 3 de la pile côté anode; - un assemblage membrane-électrodres 3 de la pile à combustible qui transforme l'hydrogène avec de l'air en une puissance électrique; - un brûleur 4 brûlant les gaz anodiques; - un échangeur 5 en sortie de reformeur 2 destiné à faire monter en température l'assemblage membrane-électrodres 3 de la pile à combustible. 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 au moins un condenseur. Comme le montre la figure 1, le mode d'utilisation représenté selon l'invention comprend deux condenseurs 8 et 9 situés respectivement aux sorties cathodique et anodique de l'assemblage membrane-électrodres 3 de la pile, ainsi qu'un réservoir d'eau liquide 10 embarqué dans le véhicule. Le système d'air comprend deux étages de compression. Le premier étage 11 de compression comprend un compresseur 12 destiné à comprimer l'air vers le deuxième étage de io 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 de l'échangeur 5 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 des condenseurs 8 et 9 en sortie anodique et cathodique de l'assemblage membrane-électrodres 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. Deux injecteurs 16 et 17 d'eau liquide (ou une technologie équivalente telle qu'une vanne associée à un débitmètre) sont placés en aval de chacun des deux compresseurs 12 et 18 afin de pouvoir injecter de l'eau liquide dans le flux d'air comprimé. Cette injection d'eau liquide permet par vaporisation de l'eau liquide d'humidifier le flux d'air tout en diminuant la température de l'air. Le système permettant de gérer l'humidification cathodique et la gestion thermique du système pile à combustible comprend un capteur de température 20 à la sortie du premier étage de compression Il, qui permet de connaître la température du flux d'air. Le débit d'eau nécessaire à injecter est alors évalué par le calculateur 22 afin de permettre une diminution de la température suffisante avant d'entrer dans le deuxième compresseur 18. De plus, le système comprend un second capteur de température 24 à la sortie du deuxième étage de compression 13, pour connaître la température de ce flux d'air. Le débit d'eau nécessaire à injecter est évalué par le calculateur 22 afin de permettre une diminution de la température jusqu'à une température compatible avec la température de fonctionnement de l'assemblage membrane-électrodres 3 de la pile à combustible. io Le calculateur 22 associé au système mesure donc les températures en sortie des deux compresseurs 12 et 18, en amont de la cathode et ajuste les débits d'eau à injecter pour diminuer la température du flux d'air. Cet ajout d'eau permet d'humidifier l'air entrant dans l'assemblage membrane- électrodres 3 de la pile à combustible. Un des avantages de ce système est d'assurer l'humidification de l'entrée cathodique de l'assemblage membrane-électrodres 3 de la pile à combustible tout en assurant la diminution de la température du flux d'air en sortie cathodique. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comprenant un moyen de fourniture d'hydrogène (2) et d'un moyen de génération d'énergie électrique (3) à partir dudit io 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, au moins un compresseur (18) permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système et un circuit d'eau (7), caractérisée en ce que ledit compresseur (18) est en amont du circuit cathodique et en ce que l'installation comporte en plus des moyens d'injection d'eau liquide dans le flux d'air en amont et en aval dudit compresseur (18). 2. Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comporte un calculateur (22) déterminant le débit d'eau nécessaire à injecter dans le flux d'air, en réponse aux signaux reçus depuis des capteurs de température (20, 24) situés en amont et en aval dudit compresseur (18). 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier compresseur (12) inclus dans le premier étage de compression (11) et destiné à alimenter le deuxième compresseur (18) du deuxième étage de compression (13). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'injection d'eau se fait sélectivement par le calculateur (22) en amont ou en aval dudit compresseur (18). 5. Installation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le premier compresseur (12) est entraîné par un moteur (14) et que le second compresseur (18) est entraîné par une turbine. io 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit circuit d'eau (7) comprend des condenseurs (8, 9) en sortie anodique et cathodique permettant de récupérer de l'eau sous forme liquide. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit moyen d'injection d'eau liquide comprend un reformeur (2) qui alimente la Oie à combustible (3) en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pression qui sont injectés dans la turbine (15), ladite turbine (15) étant aussi alimentée par les gaz d'échappement cathodiques. 8. Procédé de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comprenant un moyen fourniture d'hydrogène (2) et d'un moyen de génération d'énergie 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, au moins un compresseur (18) permettant de comprimer l'air nécessaire aux composants du système et un circuit d'eau (7), le procédé opérant: - en mesurant la température du flux d'air en sortie de chacun des compresseurs (12, 18) par des capteurs de température; et 2862435 io - en évaluant le débit d'eau nécessaire à injecter sélectivement en aval et en amont du compresseur (18) par un calculateur (22). 9. 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 7 ou utilisant un procédé de production d'électricité selon la revendication 8.