Brevet FR2865854A1 — publié le 20050805

L'invention concerne un générateur d'électricité comportant une pile à combustible alimentée en carburant par un reformeur et en air comprimé par un compresseur, ledit reformeur étant associé à un brûleur et étant alimenté en eau à partir d'un réservoir d'eau. L'invention concerne également un procédé de mise en température d'un tel générateur électrique, ainsi qu'un véhicule comportant un tel générateur. Le générateur d'électricité, ou "module de puissance", et le procédé selon l'invention sont en effet particulièrement destinés à une mise en oeuvre dans un véhicule automobile pour alimenter les consommateurs électriques du véhicule, en particulier un moteur électrique de traction. Dans cette application, le générateur doit pouvoir fonctionner à des températures basses, en particulier à des températures inférieures à 0 C. Or à ces températures, la pile à combustible ne peut fonctionner et l'eau servant à alimenter le reformeur peut être gelée. II est dès lors nécessaire de prévoir des moyens pour réchauffer la pile à combustible et cette eau. Le chauffage doit être rapide pour réduire le temps d'attente avant démarrage du véhicule. Il existe donc un besoin pour un générateur d'électricité comportant des moyens de chauffage de l'eau et/ou de la pile à combustible qui soient simples techniquement, peu coûteux à installer et à mettre en oeuvre, et efficaces. Le but de la présente invention est de fournir un tel générateur. Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'un générateur d'électricité comportant une pile à combustible alimentée en carburant par un reformeur et en air comprimé par un compresseur, ledit reformeur étant associé à un brûleur et étant alimenté en eau à partir d'un réservoir d'eau. Le générateur selon l'invention est remarquable en ce qu'il comporte un échangeur apte à mettre en relation d'échange thermique d'une part l'eau dudit réservoir et/ou ladite pile à combustible et, d'autre part, ledit air comprimé et/ou un gaz de combustion dudit brûleur. L'air comprimé et le gaz de combustion du brûleur atteignent classiquement des températures d'environ 190 C et 300 C en sortie du compresseur et du brûleur, respectivement. Leur mise en relation d'échange thermique avec l'eau du réservoir et/ou la pile à combustible permet donc un transfert calorifique élevé, très efficace. En outre l'air comprimé peut être utilisé pour alimenter la pile à combustible et/ou le reformeur. Le gaz de combustion du brûleur peut être utilisé pour réchauffer les réactifs utilisés par le reformeur. Le réchauffage n'engendre donc aucun surcoût d'exploitation. L'énergie calorifique transférée à l'eau du réservoir et/ou à la pile à combustible ne nécessite pas non plus la mise en oeuvre d'appareils particuliers, hormis l'installation d'échangeurs, de vannes et de canalisations d'alimentation de ces échangeurs. Le générateur d'électricité selon l'invention comporte ainsi des moyens de 10 chauffage de l'eau qui sont efficaces, simples techniquement, et peu coûteux à installer et à mettre en oeuvre. De préférence, le générateur selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes. - Le générateur d'électricité comporte des moyens de régulation du débit, à travers ledit échangeur, dudit air comprimé, ces moyens comportant de préférence une première vanne à trois voies apte à répartir au moins une partie dudit air comprimé entre ladite pile à combustible et ledit reformeur, et, de préférence encore, comportant en outre une deuxième vanne à trois voies apte à répartir au moins une partie dudit air comprimé entre ledit échangeur et une entrée de ladite première vanne à trois voies. - Le générateur d'électricité comporte des moyens de régulation du débit dudit gaz de combustion à travers ledit échangeur, ces moyens comportant de préférence une vanne de brûleur à trois voies apte à répartir ledit gaz de combustion entre ledit échangeur et l'extérieur. Le générateur d'électricité comporte des moyens de stockage d'énergie électrique aptes à alimenter en électricité ledit compresseur. - Le générateur d'électricité comporte un calculateur de commande de la pile à combustible et/ou dudit reformeur et/ou, le cas échéant, desdits moyens de régulation du débit, à travers ledit échangeur, dudit air comprimé et/ou dudit gaz de combustion. L'invention concerne également un véhicule automobile comportant un tel générateur d'électricité. L'invention concerne enfin un procédé de mise en température d'un générateur électrique selon l'invention. Selon l'invention, quand la température de l'eau dudit réservoir et/ou celle de ladite pile à combustible est (sont) inférieure(s) à 0 C, on met en relation d'échange thermique d'une part l'eau dudit réservoir et/ou ladite pile à combustible, respectivement, et, d'autre part, ledit air comprimé et/ou ledit gaz de combustion dudit brûleur. De préférence, quand la température de l'eau dudit réservoir et/ou celle de ladite pile à combustible est (sont) inférieure(s) à 0 C, on alimente en électricité ledit compresseur à partir de moyens de stockage d'énergie électrique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel les figures 1 et 2 représentent schématiquement un générateur d'électricité selon des premier et deuxième modes de réalisation de l'invention, respectivement. Dans les différentes figures, des références identiques ont été utilisées pour 15 décrire des organes identiques ou analogues. Sur les figures, les circuits d'alimentation en air de la pile à combustible, du brûleur, et du reformeur ont été représentés en trait interrompu. Le circuit d'alimentation en carburant de la pile à combustible a été représenté en trait épais. Le circuit d'alimentation en eau du reformeur a été représenté en trait mixte. Les circuits d'évacuation des gaz anodique et cathodique ont été représentés en trait pointillé. Les lignes de commande ont été représentées en traits pointillés fins. Comme représenté sur la figure 1, un générateur d'électricité 10 monté dans un véhicule V comporte une pile à combustible 20, par exemple de type PEMFC, alimentée en carburant et en air, source d'oxygène, par l'intermédiaire de canalisations 22 et 24, respectivement. La pile à combustible 20 comporte des compartiments anodique 26 et cathodique 28 et est connectée électriquement par une ligne 30 à une batterie de stockage 32. Dans la pile à combustible 20, le carburant est partiellement converti par une réaction électrochimique afin de fournir de l'électricité à des consommateurs électriques du véhicule V et/ou à la batterie 32. Le circuit d'alimentation en air comporte une canalisation 33 dans laquelle est inséré un compresseur 38 entraîné par un moteur électrique 42. Le moteur électrique 42 est connecté électriquement par une ligne 44 à la batterie 32. Le carburant, classiquement de l'hydrogène, est produit dans un réacteur autothermal, dit ATR ou reformeur 60, par reformage d'un carburant primaire tel que de l'essence, du diesel, du naphta, de l'alcool, un ester, ou un hydrocarbure, en présence d'air et de vapeur d'eau. Le reformeur 60 est alimenté en air comprimé par le compresseur 38 par l'intermédiaire d'une canalisation 62, alimenté en carburant primaire, depuis un réservoir 63, par l'intermédiaire d'une canalisation 64, et alimenté en eau sous forme de vapeur, depuis un réservoir 65 par l'intermédiaire d'une canalisation 66. Une première vanne à trois voies 67 connecte les canalisations 33, 24 et 62 de manière à répartir le flux d'air comprimé par le compresseur 38 entre la pile à combustible 20 et le reformeur 60. Un échangeur 70 chauffé par un brûleur catalytique 72 est prévu pour chauffer les réactifs, c'est-à-dire le carburant primaire, l'eau et l'air, destinés au reformeur 60. Le brûleur catalytique 72 est alimenté en hydrogène résiduel, c'est-à- dire non consommé par la pile à combustible 20, par l'intermédiaire d'une canalisation 76. Une canalisation 80 connecte le reformeur 60 et la pile à combustible 20 de manière que le reformât sortant du reformeur 60, riche en hydrogène, est injecté, après refroidissement éventuel, dans le compartiment anodique 26. Les gaz sortant des compartiments anodique 26 et cathodique 28 sont appelés ci-après gaz anodique et cathodique , respectivement. Le circuit d'évacuation du gaz anodique comporte une canalisation 96 connectant une sortie du compartiment anodique 26 et l'entrée d'un condenseur anodique 100 de récupération d'eau, la canalisation 76 connectant une sortie du condenseur anodique 100 et une entrée du brûleur 72, et une canalisation 98 d'évacuation du gaz de combustion du brûleur 72 vers l'extérieur du véhicule V. Le gaz anodique contient de l'hydrogène résiduel, non consommé dans la pile à combustible 20. Après avoir traversé le condenseur anodique 100, le gaz anodique est injecté dans le brûleur 72 de manière que ce dernier brûle cet hydrogène résiduel. Après combustion de l'hydrogène résiduel et refroidissement dans l'échangeur 70, le gaz anodique est évacué vers l'extérieur çku véhicule V. Le circuit d'évacuation du gaz cathodique comporte une canalisation 102 connectant une sortie du compartiment cathodique 28 et l'entrée d'un condenseur cathodique 104 de récupération d'eau, et une canalisation 105 connectant une sortie du condenseur cathodique 104 vers l'extérieur du véhicule V. Les condenseurs anodique 100 et cathodique 104 sont refroidis au moyen d'un circuit de refroidissement de condenseurs, référencé 110, comportant un radiateur 112 apte à évacuer vers l'extérieur l'énergie calorifique récupérée. L'eau récupérée par les condenseurs anodique 100 et cathodique 104 est envoyée, par l'intermédiaire de canalisations 113 et 114, respectivement, vers le réservoir 65. Le générateur 10 comporte encore un calculateur 115 dûment programmé pour commander le fonctionnement de la pile à combustible 20, du moteur 42 du compresseur 38, du reformeur 60, de la vanne à trois voies 67, et du circuit de refroidissement 110. Les lignes de transfert d'informations correspondantes sont référencées 117, 118, 119, 120 et 121 respectivement. Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1, une deuxième vanne à trois voies 130 est insérée dans la canalisation 33 reliant la sortie du compresseur 38 et la première vanne à trois voies 67. Une sortie de la vanne à trois voies 130 est connectée, par l'intermédiaire d'une canalisation 132, à une entrée d'un échangeur thermique 134. L'échangeur 134 est agencé de manière que l'air comprimé le traversant, en provenance de la vanne à trois voies 130, soit en relation d'échange thermique 20 avec l'eau contenue dans le réservoir 65. Une sortie de l'échangeur thermique 134 est connectée à une canalisation 136 d'évacuation de l'air comprimé vers l'extérieur. La vanne à trois voies 130 est commandée par le calculateur 115 par l'intermédiaire d'une ligne de transfert d'informations 140. Le calculateur 115 est informé des températures de la pile à combustible 20, du reformeur 60 et de l'eau contenue dans le réservoir 65, mesurées par des capteurs non représentés, par l'intermédiaire des lignes 117, 119 et d'une ligne 146, respectivement. On dit que le générateur 10 est chaud lorsque tous ses composants sont à des températures supérieures ou égales à leurs températures minimales respectives nécessaires pour leur fonctionnement et que l'eau du réservoir 65 est liquide. Si au moins un des composants est à une température insuffisante pour pouvoir fonctionner ou si l'eau du réservoir 65 est gelée, on dit que le générateur est froid . Le fonctionnement à chaud du générateur 10 de la figure 1 est le suivant. De l'air extérieur est aspiré et comprimé par le compresseur 38. La vanne à trois voies 130 est commandée par le calculateur 115 pour n'autoriser que le passage de l'air comprimé vers la vanne à trois voies 67. L'échangeur de réservoir 134 est donc inactif et l'eau contenue dans le réservoir n'est pas réchauffée. Le calculateur 115 commande la vanne à trois voies 67 de manière à répartir l'air comprimé entre le reformeur 60 et le compartiment cathodique 28, en fonction des besoins. Le fonctionnement à froid du générateur 10 de la figure 1 est le suivant. Si la température du reformeur 60 est inférieure à sa température minimale de fonctionnement, typiquement d'environ 400 C, le calculateur 115 commande les vannes à trois voies 67 et 130, le compresseur 38, et le brûleur 72 de manière que l'air comprimé par le compresseur 38 soit, au moins en partie, dirigé vers le reformeur 60 et, de manière connue, réchauffé par le brûleur 72 avant d'entrer dans le reformeur 60 pour le réchauffer. Le moteur 42 du compresseur 38 est alimenté par la batterie 32 ou, si la pile à combustible 20 peut fonctionner, par la pile à combustible 20. Si la température de la pile à combustible 20 est inférieure à sa température minimale de fonctionnement, typiquement d'environ 0 C, le calculateur 115 commande les vannes à trois voies 67 et 130 de manière que l'air comprimé par le compresseur 38 soit, au moins en partie, dirigé vers la pile à combustible 20 et traverse cette dernière ou un échangeur associé à cette dernière de manière à la réchauffer. Selon le type de pile à combustible, l'échangeur peut être en effet indépendant ou incorporé dans la pile à combustible. Dans ce dernier cas, comme représenté, l'échangeur de la pile à combustible est alors la pile à combustible elle-même. Si la température de l'eau du réservoir 65 est inférieure à 0 C, le calculateur 115 commande les vannes à trois voies 67 et 130 de manière que l'air comprimé par le compresseur 38 soit, au moins en partie, dirigé vers l'échangeur 134 de manière réchauffer l'eau du réservoir 65. Le calculateur 115 gère le degré d'ouverture des vannes à trois voies 67 et 130 en fonction des besoins calorifiques de la pile à combustible 20, du reformeur 60 et du réservoir d'eau 65. La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention. A la différence du premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, la deuxième vanne à trois voies 130 est supprimée, de manière que la totalité de l'air comprimé par le compresseur 38 parvient toujours la première vanne à trois voies 67, et une vanne à trois voies 150, dite vanne de brûleur , est insérée dans la canalisation 98 reliant la sortie du brûleur 72 et l'extérieur du véhicule V. La troisième voie de la vanne à trois voies 150 est connectée, par l'intermédiaire d'une canalisation 152, à une entrée de l'échangeur thermique 134. L'échangeur 134 est agencé de manière que le gaz de combustion le traversant, en provenance de la vanne à trois voies 150, soit en relation d'échange thermique avec l'eau contenue dans le réservoir 65. Une sortie de l'échangeur thermique 134 est connectée à une canalisation 156 d'évacuation des gaz de combustion du brûleur vers l'extérieur. La vanne de brûleur à trois voies 130 est commandée par le calculateur 115 par l'intermédiaire d'une ligne de commande 160. Le fonctionnement à chaud du générateur 10 de la figure 2 est le suivant. De l'air extérieur est aspiré et comprimé par le compresseur 38. Le calculateur 115 commande la vanne à trois voies 67 de manière à répartir l'air comprimé entre le reformeur 60 et le compartiment cathodique 28, en fonction des besoins. La vanne à trois voies 150 est commandée par le calculateur 115 pour n'autoriser que le passage du gaz de combustion vers l'extérieur. L'échangeur de réservoir 134 est donc inactif et l'eau contenue dans le réservoir n'est pas réchauffée. Le fonctionnement à froid du générateur 10 de la figure 2 est le suivant. Si la température du reformeur 60 est inférieure à sa température minimale 30 de fonctionnement, le calculateur 115 procède comme avec le générateur représenté sur la figure 1 de manière à réchauffer le reformeur 60. Si la température de la pile à combustible 20 est inférieure à sa température minimale de fonctionnement, typiquement d'environ 0 C, le calculateur 115 commande la vanne à trois voies 67 de manière que l'air comprimé par le compresseur 38 soit, au moins en partie, dirigé vers la pile à combustible 20 et traverse cette dernière ou un échangeur associé à cette dernière de manière à la réchauffer. Si la température du réservoir 65 est inférieure à 0 C, le calculateur 115 commande la vanne à trois voies 150 de manière que le gaz de combustion sortant du brûleur 72 soit, au moins en partie, dirigé vers l'échangeur 134 de manière à réchauffer l'eau du réservoir 65. Le calculateur 115 gère le degré d'ouverture des vannes à trois voies 67 et 150 en fonction des besoins calorifiques de la pile à combustible 20, du reformeur 60 et du réservoir d'eau 65. Quand la température de la pile à combustible 20 dépasse 0 C, la pile à combustible peut être mise en marche. Sa montée en température se poursuit cependant jusqu'à ce qu'elle atteigne une température de fonctionnement optimal, classiquement d'environ 110 C. Le chauffage entre 0 C et la température de fonctionnement optimal résulte du fonctionnement exothermique de la pile à combustible 20 et, de préférence, de l'énergie calorifique fournie, selon l'invention, par le gaz d'échappement du brûleur et/ou l'air comprimé par le compresseur 38. Comme cela apparaît clairement à présent, le générateur 10 selon l'invention permet, lors d'un démarrage à froid, une mise en température du générateur 10 de manière autonome, simple techniquement, peu coûteuse à installer et à mettre en oeuvre, et efficace. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à un procédé applicable aux seuls générateurs décrits et représentés, fournis à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs. En particulier, les deux architectures représentées pourraient être combinées, l'échangeur thermique du réservoir 65 et/ou de la pile à combustible 20 pouvant être traversé par l'air comprimé en provenance de la vanne à trois voies 130 et/ou par le gaz de combustion du brûleur en provenance de la vanne à trois voies 150. De préférence, ces deux circuits sont indépendants, c'est-à-dire n'autorisent pas un mélange, dans cet échangeur, de l'air comprimé et du gaz de combustion. De plus, l'air comprimé sortant de l'échangeur n'est pas nécessairement évacué vers l'extérieur mais peut être réutilisé. L'invention n'est pas limitée à un type de pile à combustible ou de reformeur. Enfin, le nombre d'étages de compression n'est pas non plus limitatif. REVENDICATIONS 1. Générateur d'électricité comportant une pile à combustible (20) alimentée en carburant par un reformeur (60) et en un air comprimé par un compresseur (38), ledit reformeur (60) étant associé à un brûleur (72) et étant alimenté en eau à partir d'un réservoir d'eau (65), le générateur étant caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur (134) apte à mettre en relation d'échange thermique d'une part l'eau dudit réservoir (65) et/ou ladite pile à combustible et, d'autre part, ledit air comprimé et/ou un gaz de combustion dudit brûleur (72). 2. Générateur d'électricité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation (115,130) du débit, à travers ledit échangeur (134), dudit air comprimé. 3. Générateur d'électricité selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comporte une première vanne à trois voies (67) apte à répartir au moins une partie dudit air comprimé entre ladite pile à combustible (20) et ledit reformeur (60). 4. Générateur d'électricité selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comporte en outre une deuxième vanne à trois voies (130) apte à répartir au moins une partie dudit air comprimé entre ledit échangeur (134) et une entrée de ladite première vanne à trois voies (67). 5. Générateur d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation (115,150) du débit dudit gaz de combustion à travers ledit échangeur (134) . 6. Générateur d'électricité selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comporte une vanne de brûleur à trois voies (150) apte à répartir ledit gaz de combustion entre ledit échangeur (134) et l'extérieur. 7. Générateur d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de stockage d'énergie électrique (32) aptes à alimenter en électricité ledit compresseur (38). 8. Générateur d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un calculateur (115) de commande de la pile à combustible (20) et/ou dudit reformeur (60) et/ou, la revendication 2 s'appliquant, desdits moyens de régulation du débit, à travers ledit échangeur (134), dudit air comprimé, et/ou, la revendication 5 s'appliquant, desdits moyens de régulation du débit, à travers ledit échangeur (134) dudit gaz de combustion. 9. Procédé de mise en température d'un générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, quand la température de l'eau dudit réservoir (65) et/ou celle de ladite pile à combustible (20) est (sont) inférieure(s) à 0 C, on met en relation d'échange thermique d'une part l'eau dudit réservoir (65) et/ou ladite pile à combustible, respectivement, et, d'autre part, ledit air comprimé et/ou ledit gaz de combustion dudit brûleur (72). 10.Procédé de mise en température d'un générateur électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que, quand la température de l'eau dudit réservoir (65) et/ou celle de ladite pile à combustible (20) est (sont) inférieure(s) à 0 C, on alimente en électricité ledit compresseur à partir de moyens de stockage d'énergie électrique. 11.Véhicule automobile comportant un générateur d'électricité (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.