Brevet FR2861221A1 — publié le 20050422

Dispositif et procédé d'alimentation en air d'un système auxiliaire pile à combustible L'invention concerne les piles à combustible et en particulier un dispositif et un procédé d'alimentation en air d'un système auxiliaire pile à combustible. Les piles à combustible sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de io 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 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 20 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. 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 gaz d'échappement. L'unité auxiliaire de production d'électricité (APU) est une application de la pile à combustible destinée à générer de la puissance électrique pour les équipements électriques d'un véhicule conventionnel. L'APU peut soit remplacer l'alternateur, soit être exclusivement destiné à de nouveaux équipements électriques (par exemple: climatisation électrique en io remplacement de la 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 APU qui génère is une puissance électrique importante (de l'ordre de quelques kW) utile pour répondre aux besoins de puissance électrique toujours croissants dans les véhicules. Le générateur d'électricité pile à combustible de type APU peut soit fonctionner avec un carburant liquide en utilisant un reformeur qui permet de transformer l'essence ou le diesel (ou tout type de carburant identique à celui utilisé par le moteur à combustion interne du véhicule afin d'avoir un réservoir de carburant unique) en hydrogène et assurant ainsi l'alimentation de la pile à combustible, soit fonctionner avec un stockage d'hydrogène embarqué dans le véhicule. La pile à combustible transforme cet hydrogène avec l'oxygène de l'air pour créer une puissance électrique. Pour fonctionner cet APU a besoin d'air sous forme comprimé. II est donc nécessaire d'inclure dans le périmètre de l'APU un système de compression d'air. L'APU pile à combustible essence ou diesel permet l'utilisation d'un carburant classique de type liquide qui est celui utilisé par le moteur à combustion interne du véhicule. En phase de fonctionnement normal, le système reformeur reforme le carburant et produit un débit de reformât riche en hydrogène. L'APU pile à combustible peut également fonctionner avec un stockage d'hydrogène embarqué. L'hydrogène alimente la pile à combustible qui délivre un courant électrique permettant d'assurer la génération électrique. Plusieurs piles à combustible utilisent un système de compression d'air permettant de générer l'air comprimé pour alimenter le reformeur et le stack. Ces systèmes de compression comprennent au moins un étage de compression afin d'assurer le niveau de pression nécessaire au fonctionnement du système i0 APU. Le brevet US-2003/0064260A1 propose de lier le fonctionnement du moteur à combustion interne avec le système pile à combustible. Un problème avec ce système est que pour augmenter la pression, un compresseur supplémentaire est is nécessaire. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif et un procédé d'alimentation en air d'un système auxiliaire pile à combustible APU amélioré. La présente invention propose une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile du type décrit précédemment, caractérisée en ce que le véhicule comporte un moteur à combustion interne équipé d'un surcompresseur et en ce que c'est ledit surcompresseur qui alimente ladite pile à combustible en air. Un avantage de la présente invention est d'utiliser un surcompresseur déjà présent dans le véhicule pour l'alimentation en air du moteur à combustion interne dans le but supplémentaire d'alimenter en air l'APU. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le compresseur est entraîné par une turbine récupérant l'énergie des gaz d'échappement nécessaire à entraîner ledit compresseur en rotation. - la turbine et le compresseur forment un turbocompresseur. - l'installation comprend un reformeur qui alimente la pile à combustible en carburant et qui rejette des gaz d'échappement issus du moteur qui sont injectés dans la turbine. - l'installation comprend un système de vannes permettant de 5 contrôler les débits et les pressions d'air à l'entrée de la pile à combustible et du moteur à combustion interne. - la pile à combustible est une unité auxiliaire d'électricité (APU). La présente invention fournit en outre un procédé d'alimentation en air d'un système pile à combustible, de io préférence une unité auxiliaire de puissance (APU), le procédé opérant en fournissant un moteur à combustion interne constitué d'un surcompresseur prévu pour alimenter les cylindres dudit moteur; et en alimentant ladite pile à combustible en air comprimé par ledit surcompresseur si le moteur à combustion interne est en fonctionnement et si ladite pile à combustible est en fonctionnement. Le même procédé, opérant, si le moteur à combustion interne ne fonctionne pas et si ladite pile à combustible est en fonctionnement, en alimentant ledit surcompresseur par un 20 moteur électrique. Le procédé comporte aussi un contrôle du débit d'air alimentant la pile à combustible qui est assuré par le contrôle de la vitesse de rotation du moteur du compresseur. L'invention peut s'appliquer à un véhicule comprenant une installation de production d'électricité, du type comprenant une pile à combustible permettant d'alimenter en air ladite pile à combustible par un surcompresseur ou utilisant un procédé d'alimentation en air d'un système pile à combustible. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un 30 mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 présente le moteur à combustion interne couplé au turbocompresseur; - la figure 2 présente le moteur à combustion interne dont le turbocompresseur sert également à alimenter en air le système APU. En référence aux figures, l'invention comprend: - un moteur à combustion interne, non représenté entièrement, qui comprend en particulier un ensemble turbocompresseur 1 permettant, grâce au compresseur 2, d'alimenter en air les cylindres 3 du moteur et, grâce à la turbine 4, de récupérer l'énergie des gaz d'échappement pour faire io tourner le compresseur 2. - un système pile à combustible APU 5 qui comprend: É un reformeur de carburant, non représenté, permettant de transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogène pour alimenter la pile 5 côté anode, ou un stockage 15 d'hydrogène embarqué, É une pile à combustible qui transforme l'hydrogène avec l'oxygène de l'air en une puissance électrique, et É un couplage 6 entre le turbocompresseur du moteur à combustion interne et le système APU 5 (les lignes d'alimentation en air de I'APU proviennent du compresseur et deux vannes 7 et 8 permettent de réguler les débits d'alimentation). La description du fonctionnement de ce couplage 6 entre le moteur et I'APU 5 est faîte pour deux phases de 25 fonctionnement distinctes: - Quand, le moteur à combustion interne est en fonctionnement, la turbine 4 du turbocompresseur 1 est alimentée par les gaz d'échappement du moteur. Le compresseur 2 fonctionne grâce à l'énergie apportée par la turbine 4 et alimente en air le moteur. Dans cette phase et en cas de fonctionnement de I'APU 5, celui-ci est alimenté par l'air comprimé par le turbocompresseur 1. Le débit est partagé entre les deux alimentations grâce à l'addition d'une vanne 8 contrôlant le débit d'entrée dans I'APU 5. - Quand le moteur à combustion interne ne fonctionne pas, la turbine 4 du turbocompresseur 1 n'est pas alimentée en énergie: le compresseur 2 ne peut pas fonctionner grâce à la turbine 4. La vanne 7 d'entrée de l'alimentation en air dans le moteur à combustion interne est fermée. Dans ce cas, si l'APU 5 doit fonctionner, le compresseur 2 du turbocompresseur 1 fonctionne grâce à l'alimentation du io moteur électrique 9 du turbocompresseur 1. La vanne 8 en entrée de l'APU 5 est grande ouverte et le contrôle du débit d'air alimente l'APU 5 est assuré par le contrôle de la vitesse de rotation du moteur 9 du compresseur 2. L'homme du métier appréciera le fait que, si le mode non limitatif de l'invention est décrit avec un turbocompresseur, l'invention ne se limite pas à cette façon de comprimer l'air. Au lieu d'un turbocompresseur, d'autres formes de surcompresseur peuvent être utilisées, par exemple un surcompresseur entraîné par une courroie. Une telle installation permet d'assurer la compression et l'alimentation de l'air nécessaire au fonctionnement de l'APU 5 grâce au turbocompresseur 1 existant pour l'alimentation en air du moteur à combustion interne du véhicule. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible (5) comportant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie électrique io à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile à combustible (5) étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, et un compresseur (2) alimentant en air ladite pile à combustible (5), caractérisée en ce que le véhicule comporte un moteur à combustion interne équipé d'un surcompresseur (1) et en ce que c'est ledit surcompresseur (1) qui alimente ladite pile à combustible (5) en air. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce 20 que le compresseur (2) est entraîné par une turbine (4) récupérant l'énergie des gaz d'échappement nécessaire à entraîner ledit compresseur (7) en rotation. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce 25 que la turbine (4) et le compresseur (2) forment un turbocompresseur (1). 4. Installation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un reformeur qui alimente la pile à combustible (5) en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pression qui sont injectés dans la turbine (4). 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de vannes (6) permettant de contrôler les débits d'air à l'entrée de la pile à combustible (5) et du moteur à combustion interne. 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pile à combustible est une unité auxiliaire de puissance (APU). io 7. Procédé d'alimentation en air d'un système pile à combustible (5), de préférence une unité auxiliaire de puissance (APU), le procédé opérant: - en fournissant un moteur à combustion interne constitué d'un surcompresseur prévu pour alimenter les cylindres dudit 15 moteur; et - en alimentant ladite pile à combustible (5) en air comprimé par ledit surcompresseur si le moteur à combustion interne est en fonctionnement et si ladite pile à combustible (5) est en fonctionnement. 8. Procédé selon la revendication 7, opérant, si le moteur à combustion interne ne fonctionne pas et si ladite pile à combustible (5) est en fonctionnement, en alimentant ledit surcompresseur par un moteur électrique (9). 9. Procédé d'alimentation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le contrôle du débit d'air alimentant la pile à combustible (5) qui est assuré par le contrôle de la vitesse de rotation du moteur (9) du compresseur (2). 10. Véhicule comprenant une installation de production d'électricité, du type comprenant une pile à combustible (5) permettant d'alimenter en air ladite pile à combustible par un surcompresseur (1) selon l'une des revendications 1 à 6 ou utilisant un procédé d'alimentation en air d'un système pile à combustible selon les revendications 7 à 9.