Brevet FR2868213A1 — publié le 20050930

* Dispositif de geetion des gaz d'un système plie ä combustible 5 L'invention concerne les piles ä combustible et plus particulièrement un dispoeitif de gestion des gaz d'un système pile ä combustible. Les piles ä combustible sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire ä la propulsion de véhicules automobiles, La pile a. combustible est alors embarquée ä bord du véhicule et utilise un carburant classique du 'type essence, qui est facilement stockable dans le vehicuie et 15 largement disponible g räee au réseau de distribution existant, L'unité auxiliaire de puissance, souvent appelée APL' Aux.illary Power Unit ), est une application de la pile ä combustible destinée ä générer de la puissance électrique pour les équipements électriques d'un véhicule conventiOnnei. Liunitd 20 auxiliaire de puissance peut soit remplacer l'alternateur, soit être -exclusivement destinée de nouveaux équipements électriques comme per exemple une climatisation électrique en remplacement d'une climatisation mécanique. Dans un véhicule classique utilisant un moteur combustion interne pour générer la puissance mécanique nécessaire ä l'avancement du véhicule, est intéressant d'ajouter un système pile ä 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 élettrique toujours croissants dans les véhicules, Le système pile à. combustible avec reformage est destiné 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 ä partir de l'hydrogène fourni par le reformeur à. l'anode et de l'oxygène de l'air ä la cathode - un système reformeur composé d'une ligne de reformage permettant de générer un gaz riche en hydrogène pour alimenter 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; so - Un système d'alimentation du système reformeur et de la pile en air comprime incluant la fonction compression et sa motorisation, par exemple un moteur électrique, une turbine ou tout système motorisé équivalent et - un ensemble de récupération d'eau en sortie cwthodique is do la pile. La pile a combustible est le seul génerateur d'électricité du système. Cependant la totalité de cette énergie produite n'est pas utilisée par Ise applications, telles que fa traction ou les unités auxiliaires de puissance, pour lesquelles de l'Anergie 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 systüme est. par exemple, le système d'alimentation en air. Par conséquent, afin de ne pas détériorer le rendement du système, il est nécessaire de trouver une architecture de groupe de compression d'air qui minimise cette consommation électrique tout en fournissant au système pile ä combustible de l'air comprimé à, la pression de fonctionnement et ceci sur la plus grande plage de débit possible, Le document US-3982962 présente une architecture de système pile ä 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 electrique gräce ä un alternateur. Le problème de ce type d'architecture réside dans la consommation importante d'énergie électrique et dans la détérioration du rendement du système. L'objet de la presente invention est de fournir un dispositif de gestion des gaz d'un système pile ä combustible amélioré. La präsente invention fournit un dispositif de gestion des gaz d'un système pile à combustible embarqué ä bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile ä combustible constituée d'un moyen de génération d'hydrogène ä partir d'un autre carburant et d'un moyen de génération d'énergie électrique ä partir dudit hyclrogene et d'un comburant, ladite pile A combustible étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, d'un moyen de récupération de l'eau situé à la sortie cathodique de la pile, d'un moyen de compression de l'air nécessaire aux différents composants du système et d'un moyen destiné ä dätendre les gaz d'échappement de la pile ä combustible, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un échangeur destiné ä augmenter la température du flux gazeux entrant dans ledit moyen de détente des gaz et alimenté d'une part par le flux gazeux issu d'une sortie cathodique de la pile après avoir traversé ledit moyen de récupération de l'eau liquide et d'autre part par lo flux gazeux sortant dudit moyen de compression du dispositif. Un des avantages de la présente invention est de minimiser la 'consommation en proposant une architecture de système de compression optimisäe qui permet d'obtenir une faible consommation d'énergie électrique de la partie compression. Une- telle architecture permet de récupérer un MaximUm d'énergie sur la partie turbine et de réduire l'encombrement du dispositif ainsi que les coûts de production. De préférence, le dispositif de gestion des gaz d'un Système pile ä combustible selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes: - le moyen de compression de l'air nécessaire aux différents composants du système et ledit moyen destiné ä détendre tes gaz d'échappement de la pile ä combustible forment un turbocompresseur; - le moyen de compression de fair nécessaire aux différents composants du système est un compresseur et ledit moyen destiné ä détendre les gaz d'échappement de la pile "à combustible est une turbine; - les flux gazeux issus du reformeur et du brûleur sont te couplés au flux gazeux issu dudit échangeur pour être détendus dans la turbine; - il comporte en plus un système de commande du système de compression pour réguler la distribution et la pression de l'air comprime pour chaque composants dudit dispositif. La présente invention s'applique en outre à. un véhicule comprenant un tel dispositif de gestion des gaz d'un système pile ä combustible, Cette architecture à plusieurs avantages comparée aux architectures de système d'air actuelles. Elle permet d'abord de diminuer ia consommation électrique nécessaire ä la compression de l'air en optimisant la récupération d'énergie sur la turbine qui est dimensionnée sur des plages de fonctionnement en débit et en température d'entrée plus étroites. D'autre part, l'ajout d'un tel échangeur permet d'augmenter [a température du flux cathodique en sortie de récupérateur d'eau liquide. Cette augmentation de température du flux entraine une augmentation de la température moyenne du flux d'air entrant dans la turbine après avoir été mélangé au flux 3n sortant du brûleur, ce qui permet d'accroître la puissance récupérable dans la turbine. La présente invention sera mieux comprise 'à travers 17étude d'un mode de réalisation pris ä titre d'exemple nullement limitatif et illustré par ie dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une vue schématique du dispositif selon l'invention comprenant un échangeur alimenté par le flux d'air comprimé par le compresseur et le flux d'air issu de la cathode_ Bien que pouvant s'appliquer de façon générale à tous types de dispositifs à piles àt combustible, l'invention sera plus particulièrement illustrée ä titre d'exemple dans le cadre d'un véhicule automobile fonctionnant avec un système de traction à pile à combustible. Tel qu'il est représen sur la figure 1, le dispoeitif de rn gestion des gaz d'un système pile à combustible 1 comporte un calculateur, non représenté, destiné par exemple à régler le débit et la pression des fluides:pour ['ensemble du système en fonction de ses phases de fénctionnement. D'autre part, Comprend un reformeur 2 de carburant permettant de transformer le carburant liquide en un reformät riche en hydrogüne pour alimenter l'anode 4 d'une pile à combustible 3 qui transforme l'hydrogène avec de Fair en une puissance electrique. Le präsent dispositif comprend en outre un brüleur, non représenté, en sortie de pile ä combustible 3 destiné à l'hydrogène résiduel non consomme dans les gaz anodiques. Un circuit de refroidissement, non représenté, permet d'évacuer la puissance thermidue issue de la condensation et de récupérer de l'eau liquide nécessaire aux besoins du dispositif. Un circuit d'eau, non représenté, Incluant un réservoir d'eau liquide alimente les composants de l'installation qui fonctionne en autonomie d'eau. Un système d'air 9 comprime l'air nécessaire pour le fonctionnement du dispositif et valorise l'énergie des gaz d'échappement Ce système d'air 9 comprend une turbine Il qui entraîne un compresseur IO au moyen d'une liaison mécanique de façon à ce que l'ensemble du système 9 forme un turbocompresseur. Un ensemble de vannes 7 de régulation permettent de réguler les débits dans les différentes lignes fluides ou de by-passer un ou plusieurs CernpOSante en fonctions e des conditions de fOnetionnement, Dans ce type d'architecture, le flux des gaz d'échappement qui est la somme du flux en sortie cathodique 5 et du flux en eortie de brûleur, alimente directement la turbine Il. La puissance générée par la détente de ces gaz dans la turbine 11 est transmise au compresseur 10 par l'intermédiaire d'une liaison mécanique. Le flux cathodique passe par un condenseur d'eau liquide 6 qui fait descendre la température de ce flux jusqu'à une température de ['ordre de 60nC. Le flux cathodique 5 issu du condenseur 6 passe ensuite dans l'échangeur 8. Le flux anodique 4 alimente le brûleur et arrive dans la vanne multi-voies 12 ou il se mélange au flux cathodique 5 ayant traversé l'échangeur 8. L'insertion d'un condenseur d'eau liquide 6 dans ce type d'installation est indispensable dans le cas d'une architecture avec reformeur, En effet le besoin en eau liquide du reformeur 2 implique une récupération de l'eau produite en sortie de pile ä combustible 3 pour que l'installation soit autonome en eau. De plus, dans une telle architecture, la température du 2e flux sortant du brûleur est ä une teMpérature élevée de l'ordre de 300'>C et celui sortant du compresseur 10, suite au travail de COmpreeSlOn, est également à. haute température de l'ordre de 160'''C. L'implantation d'un échangeur 8 qui échange de l'énergie thermique entre le flux cathodique 5 sortant du récupérateur e-) d'eau liquide 6 et le flux issu du compresseur 10, permet d'augmenter la température du flux cathodique 5. Après avoir traversé l'échangeur 8, le flux issu de la cathode est mélangé au flux sortant du brûleur. Le mélange d'un flux cathodique ä une température plus élevée avec le flux issu du brûleur permet 3o d'obtenir une température moyenne du flux total sortant de la vanne mufti-voies 12 beaucoup plus élevée, Ainsi, l'augmentation de la température du flux total entrant dans le turbine 11 permet d'accroitre la puissance qui y est récupérée. La présente invention permet de récupérer beaucoup plus de puissance dans la turbine 11 lors de la détente des gaz et transmet ainsi plus de puissance au compresseur 10. La puissance électrique consommée par le compresseur est donc réduite de façon importante_ L'ajout d'un échangeur 8 entraine une réduction de la puissance de compression du compresseur d'air 10 et permet d'optimiser le rendement global de l'installation 1. Enfin, Véchangeur 8 permet de réduire la température en sortie de compresseur et d'adapter cette to température a celle du fonctionnement de l'empilement de cellules de la pile ä combustible 3_ REVENDICATtONS 1. Dispositif de gestion des gaz (1) d'un système pile ä combustible embarqué ä bard d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible constituée d'un moyen de génération d'hydrogène (2) ä partir d'un autre carburant et d'un IO moyen de génération d'énergie 'électrique (3) ä partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile ä combustible (3) étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véllieule, d'un moyen de récupération de l'eau (6) situé a la sortie cathodique de la pile (1), dun moyen de compression de l'air (10) !fi nécessaire aux différents composants du système et d'un moyen destiné- ä détendre les gaz d'échappement de la pile combustible (1), caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un échangeur (8) destiné ä augmenter la température du flux gazeux entrant dans ledit moyen de détente des gaz (Il) et alimenté dune part par le flux gazeux Issu d'une sortie cathodique de la pile (3) après avoir traversé ledit moyen de récupération de l'eau liquide (6) et d'autre part par le flux gazeux sortant dudit moyen de compression (10) du diepoeitif (1). 2, Dispositif de gestion des gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de compression de l'air (1 0) nécessaire aux différents composants du systeme et ledit moyen destiné ddtendre les gaz (II) d'échappement de la pile à soi combustible (1) forment un turbocompresseur. 3. Dispositif de gestion des gaz (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen de compression de Vair (10) nécessaire aux différents composants du système est un compresseur et ledit moyen dostinÖ détendre les gaz (Il) d'échappement de la pile ä combustible (1) est une turbine, eL Dispositif de gestion des gaz (1) selon la revendication 3, caractürisä en ce que les flux gazeux issus du reformeur (2) et du brûleur sont couplés au flux gazeux issus dudit éohangeur (8) pour ôtre détendus dans fa turbine (Il 5, Dispositif de gestion des gaz (1) selon l'une des revendications preadenteS, caractérisé on ce qu'il comporte en plus un système de commande du système de compression pour réguler la, distribution et la pression Vair comprimé pour chaque composants dudit dispositif. 6. Véhicule oornprenant un dispositif de gestion des gaz selon l'une des revendications 1 ä B.