Brevet FR2868212A1 — publié le 20050930

D sposïtif de gestion de l'eau d'un system+ pile ä combustible L'invention concerne les piles â combustible et plus partieulièrement un dispositif de gestion de Peau d'un système pile a. combu.stible, m Les piles ä combustible sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire a la propulsion de véhicules acrtomobiies. La pile ä combustible est alors embarquée ä bord du véhicule et utilise un carburant classique du type essence, qui est facilement stockable dans le véhicule et i5 largement disponlble' grâce au réseau de distribution existant_ L'unité auxiliaire de puissance, souvent appelée APL' Auxiliary Power Unit e), est une application de la pile ä combustible destinée ä générer de la puissance électrique peur les équipements électriques d'un véhicule conventionnel. L'unité auxiliaire de puissance peut soit remplacer l'alternateur, soit être exclusivement destinée a de nouveaux équipements électriques comme par exemple une climatisation électrique en remplacement d'une climatisation mécanique. Dans un véhicule classique utilisant un moteur ä combustion interne pour générer la puissance mécanique nécessaire à l'avancement du véhicule, eet intéressant d'ajouter un système pile â combustible de type unité auxiliaire de puissance qui génère une puissance électrique importante; de l'arfr e quelques kilowa.tts:. utile pour rependre aux besoins de r7 puissance électrique toujours croissants dans les véhicules, Le systeme pile â,ccrrrbustible avec reformage est destiné ä 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 t'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 alimentier l'anode de la pile ä partir d'un carburant, par exemple de l'essence, du méthanol ou tout carburant équivalent, et un brüleur permettant de récupérer l'énergie de ['hydrogène non consommé par la pile dans une combustion en présence d'air; to - un système d'alimentation du système reformeur et de la pile en air comprimé incluant ta fonction compression et sa motorleation, par exemple un moteur électrique, une turbine ou tout système motorisé équivalent; et - un ensemble de récupération d'eau en sortie de pile. Un système pile ä combustible consomme beaucoup d'eau liquide, Le système reformeur de la pile 'à combustible a des besoins en eau très importants pour le reformage du carburant et d'autre part, des quantités importantes d'eau sont nécessaires pour humidifier la paroi de la membrane au cours do la réaction 2o chimique qui se produit dans l'empilements des cellules élémentafres de la pile ä combustible, Un des problèmes de la conception d'une ligne de reformage dans une architecture de pile ä combustible, réside dans la réalisation d'un équilibre du bilan d'eau liquide de 1'ensembte du système. La réalisation de cet équilibre d'eau liquide est nécessaire pour éviter ä l'utilisateur de devoir remptir un réservoir d'eau supplémentaire pour subvenir à. la carence en eau d'un système mal dimensionné. Le système pile ä combustible ä concevoir doit dent prévoir un fonctionnement autonome du point de vue de son bilan en eau liquide. La récupération en eau liquide doit en outre étre suffisante pour subvenir aux besoins de système reformeur dans toutes les phases de fonctionnement la pile ä combustible, L'eau produite ä l'issue de la réaction chimique qui Se déroule dans l'empilement des celfules élémentaires composant la plie ä combustible, peut être récupérée pour alimenter le reformeur. Pour récupérer suffisamment d'eau en sortie de pile ä doMbustible, il est connu d'augmenter la pression de fonctionnement du système afin de faciliter la récupération d'eau liquide. II est également connu de diminuer la température des flux gazeux anodique et cathodique 4 la sortie de l'empilement de cellules élémentaires de la pile ä combustible pour améliorer rra la récupération d'eau liquide. Ainsi, dans le document US-2003iO186097, la reCupération de l'eau liquide est améliorée grése à. l'ajout d'un refroidisseur. Une dee inconvénients de ce type d'architecture est la présence d'une race supplémentaire dans le système et de refroidisseur doit être alimenté par une source de courant supplémentaire. Ce type d'agencement utilise en outre le système d'air conditionné du véhicule pour refroidir l'air du système pile ä combustible, ce qui entraine une surc nsommation d'énergie électrique. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif W de gestion de l'eau d'un système pile ä combustible embarqué 'à bord d'un véhicule amélioré. La présente invention fournit un dispositif de gestion de l'eau d'un système pile ä combustible embarqué ä bord d'un véhicule automobile, constitué d'un moyen de génération d'hydrogène ä partir d'un autre carburant, d'une pile ä combustible générant de l'énergie électrique à. partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile ä combustible étant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule. de deux moyens de récupération d'eau liquide situés respectivement 3i.) ä une sortie de l'anode et ä dne sortie de la cathode de ladite pile ä combustible, d'un moyen de compression de l'air nécessaire aux différents composants du système et d'un moyen destiné détendre les gaz d'échappement de la pile ä combustible, caractériséen ce que ledit dispositif comporte en plus un échangeur situé en aval du récupérateur d'eau anodique et en aval d'une sortie cathodique, dans lequel les gaz anodiques sortant du récupérateur d'eau anodique échangent de l'Anergie thermique avec les gaz issus de la cathode, ledit échangeur 'étant destiné â diminuer la température du flux sortant de la cathode. Un des avantages de la préseete invention est de Proposer une architecture de systdme de refroidissement des flux de gaz comprimé optimisée permettant d'obtenir une faible consommation d'énergie électrique de la partie compressiOn. Une telle architecture permet de récupérer un maximum d'eau liquide en sortie de pile ä combustible en évacuant un maximum d'énergie thermique grâce à, un échangeur gui couple les sorties anodique et cathodique de ia pile ä combustible. is De préférence, le dispositif de gestion de l'eau d'un système pile à, combustible embarqué dans un véhicule selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes - le moyen de compression de l'air nécessaire aux différents composants du systéme et ledit moyen destiné ä 2e détendre les gaz d'échappement dudit dispositif forment un turbocompresseur; - he moyen de compression de l'air nécessaire aux différents composants du système est un compresseur et ledit moyen destiné ä détendre les gaz d'échappement dudit dispositif est une turbiee; - le flux des gaz anodiques issus de l'échangeur après avoir traversé le brtlleur sont couplés au flux des gaz issus du récupérateur d'eau cathodique au moyen d'une vanne mufti-voies reliée ä la turbine dans laquelle est détendu ledit mélange gaZeIJX; - le dispositif comporte en plus un système de commande du Système de compression pour réguler la distribution et la pression de l'air comprimer pour chaque composants dudit dispositif: - le dispositif comporte un échangeur situé en aval d'une sortie de l'anode et en ai/al du récupérateur d'eau cathodique, dans lequel les gaz issus de ['anode échangent l'énergie thermique avec les gaz sortant du récupérateur d'eau cathodique, ledit changeur étant destioé ä diminuer la température du flux sortant de l'anode; et - le flux des gaz cathodiques issus de l'échangeur sont couplés au flux des gaz issus du récupérateur d'eau anodique aptes avoir traversé le brûleur au moyen d'une vanne multi-voies (0 reliée ä la turbine dans laquelle est détendu ledit mélange gazeux, La présente invention s'applique ä un véhicule comprenant un tel dispositif de gestion de Veau d'un système pile à combustible mbarqué à. bord d'un véhicule automobile. Cette architecture ä plusieurs avantages comparée aux architectures de système d'air actuelles. Elle permet en effet de diminuer la consommation électrique nécessaire au refroidissement de Vair en sortie de pile ä combustible, en optimisant la récupération d'énergie thermique sur l'échangeur, D'autre part, l'ajout d'un tel échangeur permet de diminuer la température du flux cathodique (respectivement du flux anodique) en sortie de pile ä combustible, Cette diminution de tamile-rature du flux d'air entraine une réduction de la quantité d'énergie à. évacuer pour abaisser la température du flux cathodique (respectivement du flux anodique) 'à la température correspondant ä la récupération de la juste quantité d'eau pour e système. Ainsi, cet échangeur supplémentaire facilite fa récupération d'eau dans le système pile ä combustible en évacuant moins d'énergie thermique pour une même récupération d'eau, La présente invention sera mieux comprise ä travers l'étude d'un mode de réalisation pris ä titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés: sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique du dispositif selon l'invention comprenant un échangeur situé en aval du récupérateur d'eau anodique et en aval d'une sortie cathodique; et - la figure 2 est une vue schématique du dispositif selon 'invention comprenant un changeur situé en aval d'une sortie de l'anode et en aval du récupérateur d'eau cathodique. Bien que pouvant s'appliquer de façen générale ä taus types de dispositifs à piles ä combustible, l'invention sera plus to Particulièrement illustrée à. titre d'exemple dans le cadre d'un véhicule automobile fonctionnant avec un systAme de traction ä pile à, combustible. Telle qu'il est représentée sur la figure 1, le dispositif de gestion de l'eau d'un $y$täme pile ä combustible 1 comporte un calculateur, non représenté, destiné par exemple à. régler le débit et la pression des fluides pour l'ensemble du systä me en fonction de ses phases de fonctionnement, D'autre part, il comprend un reformeur 2 de carburant permettant de transformer le carburant liquide en un reformät riche en hydrogene pour alimenter l'anode 4 d'une pile ä combustible 3 qui transforme l'hydrogène avec de l'air en une puissance électrique. La présente installation comprend en outre un brüleur 9, situé en sortie de pile ä combustible 3, destiné ä brûler l'hydrogène résiduel non consommé dans les gaz anodiques. Un circuit de refroidissement, non représenté, permet d'évacuer la puissance thermique issue de la condensation et de récupérer de l'eau liquide nécessaire aux besoins de l'installation. Un circuit d'eau, non représenté, incluant un réservoir d'eau liquide embarqué dans le véhicule, alimente les composants de l'installation qui fonctionne en autonomie d'eau et récupère l'eau liquide condensée dans les moyens de récupération d'eau 6 et 8. L'eau qui y est récupérée est ensuite stockée dans le réservoir embarque dans Io véhicule pour qu'elle puisse par la suite être utilisée par les autres composants du systême. Un système d'air 12 comprime Vair nécessaire pour le fonctionnement du système et valorise l'Anergie des gaz d'échappement. Ce système d'air 12 comprend une turbine 15 qui entraine un compresseur 13 au moyen d'une liaison mécanique de façon ä que l'ensemble du système 12 forme un turbocompresseur. Lorsque la turbine 15 ne peut pas entrainer le compresseur 13 lors de certaines phases de fonctionnement, un moteur électrique 14 est destiné à la compléter pour que le compresseur d'air 13 puisse assurer en permanence une pression de fonctionnement constante pour le reformeur 2 et le cathode S. Dans l'architecture du système, le flux de gaz humide issu d'une sortie de l'anode 4 passe au travers du récupérateur d'eau anodique 6 de façon à ce que l'eau vaporisée dans le flux de gaz se transforme en eau liquide qui sera stockée dans le réservoir d'eau embarqué, Le flux anodique en sortie de récupérateur anodique 6 est donc ä une température inférieure ä celle du même flux A la sortie de la pile à. combustible. D'autre part, le flux de gaz issu d'une sortie de la cathode 5 est ä la möme température que le flux de gaz issu d'une sortie de l'anode 4. L'échangeur 7 situé en aval du refroidisseur anodique 6 et entre une sortie de la cathode 5 et une entrée du refroidisseur cathodique 8, est destiné à ce que le flux de gaz issu du refroidisseur anodique 6 et celui issu d'une sortie de la cathode 5 échangent des quantités d'énergie thermiques. La différence de température des deux flux qui s'échangent de l'énergie thermique dans l'échangeur 7 entraîne une diminution de la température du flue cathodique sortant de la cathode 5. De cette façon, la température du flux de gaz à ei] l'entrée du récupérateur d'eau cathodique B est plus faible, ce qui permet de réduire la quantité d'énergie ä évacuer pour abaisser la température de flux cathodique à la température correspondant à la récupération de la juste quantité d'eau pour e système. L'échangeur 7 facilite ainsi la récupération d'eau dans te système en évacuant moins d'énergie thermique pour une terne récupération d'eau liquide, De plus, l'ajout de cet échangeur 7 permet d'augmenter la température du flux anodique en sortie du récupérateur anodique 6 et donc en amont du brûleur 9. La température du flux de gaz sortant du brûleur 9 augmente. Lorsque ce flux de gaz à. température plus élevée entre dans la turbine 15 après avoir été mélangé au flux cathodique, de l'énergie supplémentaire est transmise au compresseur 13 sous la forme d'énergie Mécanique. La puissance transférée au compresseur 13 permet alors d'avoir une pression de fonctionnement accrue, ce qui facilité d'autant la récupération d'eau liquide du système, Selon l'invention, dans le mode de riäalisation illustré sur la figure 2, sur laquelle les organes identiques portent les mêmes références, l'échangeur 7 est ici place entre la sortie anodique et la sortie du récupérateur cathodique. De la möme façon que dans te mode de réalisation précédent, l'ajout d'un échangeur permet d'augmenter la température du flux cathodique en sortie de récupérateur cathodique 8 et donc en amont de ta turbine 15 du sa Système de compression d'air 12, Ainsi, plus d'énergie entre dans la turbine 15 et plus d'énergie mécanique est transférée vers le compresseur d'air. La pression de fonctionnement du système augmente facilitant aussi la récupération d'eau du système. La présente invention présente donc l'avantage d'inclure un échangeur thermique qui couple les flux de gaz des sorties anodique et cathodique et qui permet de diminuer la temperature de ces flue, L'échange entre des flux de gaz en sortie de pile à combustible engendre une adaptation de la température de fonctionnement du système aux besoins en eau liquide, REVEND CATIONS 1. Dispositif de gestion de l'eau (1) d'un système pile ä combustible embarqué à. bord d'un véhicule automobile, constitué' d'un moyen de génération d'hydrogéne (2) ä partir d'un carburant, d'une pile à, combustible (3) générant de l'Anergie électrique ä partir dudit hydrogène et d'un comburant, ladite pile ä Combustible (3) ätant prévue pour fournir une puissance électrique audit véhicule, de deux moyens de récupération d'eau liquide (6) et {8) situes respectivement ä une sortie de l'anode (4) et ä une sortie de la Cathode (6) de ladite pile ä combustible (3), d'un moyen de compression de flair (13) nécessaire aux différents composants du systäme et d'un moyen destiné ä détendre les gaz d'échappement (15) de la pile ä combustible (3), caractérisé en ce lue ledit dispositif (1) cemporte en plus un échangeur (7) situé en aval du rAcupérateur d'eau anodique (6) et en aval d'une sortie cathodique (5), dans, lequel les gaz anodiques sortant du récupérateur d'eau anodique (6) échangent de l'énergie thermique avec les gaz issus de la cathode (5), ledit échangeur (7) étant destiné ä diminuer la température du flux sortant de la cathode {5), 2. Dispositif de gestion de l'eau (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de compression de l'air (13) nécessaire aux différents composants du système et ledit moyen destiné à détendre les gaz d'échappement (15) dudit dispositif {1) forment un turbocompresseur (12), 3.. Dispositif de gestion de l'eau (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérieten ce que ledit moyen de i a, compression de l'air (13) nécessaire a.ux différents composants du système est un compresseur et ledit moyen destiné à détendre les -gaz d'échappement dudit dispositif (1) . est une turbine. 4. Dispositif de gestion de l'eau (t) selon rune des revendications preoéd$ntes, caractérise en ce que le flux des gaz anodiques issus de l'échangeur (7) après avoir traversé le brûleur (9) sont couplés au flux des gaz issus du récupérateur d'eau cathodique (El) au moyen d'une vanne multi-voies (tO) reliée a la turbine (15) dans laquelle est détendu ledit mélange gazeux. 5. Dispositif d gestion de l'eau (1) selon l'une des i revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en plus un systäme de commande du système de compression (12) pour räguler la distribution et la pression de l'ar comprimer pour chaque composants dudit dispositif (t) L Dispositif de gestion de l'eau (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il Comporte un échangeur (7) situé en aval d'une sortie de l'anode (4) et en aval du récupérateur d'eau cathodique (5), clans lequel les gaz issus de l'anode (4) changent de l'énergie thermique avec tes gaz sortant du récupérateur d'eau cathodique (8), ledit échangeur (7) étant destiné â diminuer la température du flux sortant de l'anode (4). 7. Dispositif de gestion de "eau (1) selon la revendication caractérise en oe que le flux des gaz cathodiques issus de a7 l'échangeur (7) sont couplés au flux des gaz issus du récupérateur d'eau anodique (8) après avoir traversià le brûleur (9) au moyen d'une vanne rrluiti-voies (10) reliée à la turbine (15) dans laquelle est détendu ledit mélange gazeux. El, Vehieule comprenant un dispositif de gestion de ['eau (1) d'ull système pile ä combustible embarqué ä bord d'un véhicule automobile selon l'une dee revendications 1A 7_