Brevet FR2860923A1 — publié le 20050415

pj3323.doc 2860923 Dispositif et procédé d'alimentation énergétique d'un système auxiliaire pile à combustible 5 L'invention concerne les piles à combustible et en particulier un dispositif et un procédé d'alimentation énergétique d'un système auxiliaire pile à combustible. io Les piles à combustibles 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 is 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, 20 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. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec 30 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. pj3323.doc 2860923 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 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 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 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. Il est donc nécessaire d'inclure dans le périmètre de IAPU 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 pj3323.doc 2860923 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 io 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 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 nécessaire. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif 20 et un procédé d'alimentation énergétique d'un système auxiliaire pile à combustible 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 comprenant un surcompresseur et en ce que ledit surcompresseur fournit l'énergie pour alimenter le compresseur dudit système APU. 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 énergétiquement LAPU. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le surcompresseur entraîne ledit compresseur dudit système APU par une connexion mécanique; pj3 323.doc 2860923 - le compresseur dudit système APU est entraîné par l'arbre dudit surcompresseur; - un moteur électrique alimente le compresseur du système APU lorsque le surcompresseur ne fonctionne pas et que la liaison 5 mécanique est débrayée; - la connexion mécanique est débrayée lorsque le surcompresseur ne fonctionne pas - le compresseur est entraîné par une turbine récupérant l'énergie des gaz d'échappement nécessaire à entraîner ledit io compresseur en rotation, ladite turbine et ledit compresseur formant, de préférence, un turbocompresseur; - le compresseur du système APU comprend un arbre mécanique commun entraîné par le surcompresseur du moteur à combustion interne; - le surcompresseur entraîne un alternateur fournissant de la puissance électrique à un moteur électrique en traînant le compresseur du système APU; - le moteur électrique du compresseur est alimenté par une batterie de stockage; par exemple lorsque le turbocompresseur 20 ne fonctionne pas; - l'alternateur convertit au moins une partie de l'énergie électrique fournie par le surcompresseur en énergie électrique stockée dans la batterie. L'invention peut en outre s'appliquer à un véhicule comprenant une installation de production d'électricité, du type comprenant un surcompresseur permettant d'alimenter énergétiquement le compresseur d'air du système APU. La présente invention sera mieux comprise à 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 présente une première variante de l'invention; - la figure 2 présente une deuxième variante de l'invention; - la figure 3 présente une troisième variante de l'invention. pj3 323.doc 2860923 En référence aux figures, l'invention comprend: - un moteur à combustion interne 100, 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 tourner le compresseur 2, ainsi qu'un échangeur 12; - un système pile à combustible APU 5 qui comprend: É un reformeur de carburant, non représenté, permettant de io transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogène pour alimenter la pile 5 côté anode, ou bien un stockage d'hydrogène embarqué, É une pile à combustible proprement dite, encore appelée stack, non représentée, qui transforme l'hydrogène avec l'oxygène de 15 l'air en une puissance électrique. La figure 1 présente le moteur à combustion interne 100 dont le turbocompresseur 1 sert à alimenter énergétiquement le compresseur d'air 7 du système APU 5 grâce à l'intermédiaire d'une connexion mécanique 6 avec l'arbre du compresseur de I'APU. Lorsque le turbocompresseur 1 ne fonctionne pas, le moteur électrique 9 alimente le compresseur d'air 7. La figure 2 présente le moteur à combustion interne 100 dont le turbocompresseur 1 sert à alimenter énergétiquement le compresseur d'air 7 du système APU 5 grâce à un arbre mécanique commun 8. Lorsque le turbocompresseur ne fonctionne pas, le lien est débrayé et le moteur électrique 9 alimente le compresseur 7. La figure 3 présente le moteur à combustion interne 100 dont le turbocompresseur 1 sert à alimenter énergétiquement le compresseur d'air 7 du système APU 5 par l'intermédiaire d'un alternateur 10 et d'une batterie 11. L'énergie mécanique fournie par le turbocompresseur 1 est transformée en énergie électrique puis alimente directement le moteur 9 du compresseur 7 de pj3323.doc 2860923 I'APU 5 (cas du fonctionnement du turbocompresseur) ou alimente en différé le compresseur 7 de l'APU 5 (cas du turbocompresseur ne fonctionnant pas) grâce à la batterie de stockage 11. La description du fonctionnement de ce couplage entre le moteur à combustion interne et le système APU est faîte pour deux phases de fonctionnement distinctes: - Quand, le moteur à combustion interne 100 est en fonctionnement, la turbine 4 du turbocompresseur 1 est io 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 l'APU 5, celui-ci est alimenté avec de l'air comprimé par son compresseur 7 qui est alimenté énergétiquement par le turbocompresseur 1 du moteur à combustion interne. Le contrôle du débit d'air alimentant l'APU est assuré par le régime du compresseur 7. - Quand le moteur à combustion interne 100 ne fonctionne pas, la turbine 4 du turbocompresseur 1 n'est pas alimentée en énergie: le compresseur 7 ne peut pas fonctionner grâce à la turbine 4. Dans ce cas, si l'APU 5 doit fonctionner, le compresseur 7 fonctionne grâce à l'alimentation électrique du moteur 9 du compresseur 7. Le contrôle du débit d'air alimentant l'APU est assuré par le contrôle de la vitesse de rotation du moteur 9 du compresseur 7. 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 énergétique du compresseur 7 fournissant l'air pj3323.doc 2860923 nécessaire au fonctionnement de l'APU 5 grâce au turbocompresseur 1 existant pour l'alimentation en air du moteur à combustion interne du véhicule. pj3323.doc 2860923 REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible (5) du type APU, comportant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et d'un moyen de io génération d'énergie électrique 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 (7) alimentant en air ladite pile à combustible (5), caractérisée en ce que le véhicule comporte un moteur à combustion interne comprenant un surcompresseur (1) et en ce que ledit surcompresseur (1) fournit l'énergie pour alimenter le compresseur (7) dudit système APU (5). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce 20 que ledit surcompresseur (1) entraîne ledit compresseur (7) dudit système APU (5) par une connexion mécanique (6). 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit compresseur (7) dudit système APU (5) est entraîné par 25 l'arbre dudit surcompresseur (1). 4. Installation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que un moteur électrique (9) alimente le compresseur (7) du système APU (5) lorsque le surcompresseur (1) ne fonctionne pas et que la liaison mécanique (8) est débrayée. pj3323.doc 2860923 5. Installation selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la connexion mécanique (8) est débrayée lorsque le surcompresseur (1) ne fonctionne pas. 6. Installation selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce 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, ladite turbine (4) et ledit compresseur (2) formant, de préférence, un i0 turbocompresseur (1). 7. Installation selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que le compresseur (7) du système APU (5) comprend un arbre mécanique commun (8) entraîné par le surcompresseur (1) du moteur à combustion interne. 8. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le surcompresseur entraîne un alternateur (10) fournissant de la puissance électrique à un moteur électrique (9) en traînant le compresseur (7) du système APU (5). 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le moteur électrique (9) du compresseur (7) est alimenté par une batterie de stockage (Il). 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'alternateur (10) convertit au moins une partie de l'énergie électrique fournie par le surcompresseur (1) en énergie électrique stockée dans la batterie (Il). 11. Véhicule comprenant une installation de production d'électricité, du type comprenant un surcompresseur (1) permettant d'alimenter énergétiquement le compresseur d'air (7) du système APU (5), selon lune des revendications 1 à 10.