Brevet FR2883669A1 — publié le 20060929

Dispositif de récupération d'eau dans une installation de production d'électricité comprenant une pile à combustible L'invention concerne une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible. io L'invention concerne plus particulièrement une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, comprenant un reformeur, une pile à combustible constituée d'une anode et d'une cathode, ladite pile comportant au moins un orifice d'évacuation des gaz résiduels cathodiques qui sont constitués notamment d'air et de vapeur d'eau, et qui sont rejetés dans une conduite d'évacuation cathodique, et au moins un orifice d'évacuation des gaz résiduels anodiques, qui sont rejetés dans une conduite d'évacuation anodique vers un brûleur, ladite installation comportant de plus un moyen d'humidification des gaz. 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 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 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 io 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 vapeur d'eau. De plus, le comburant d'une pile du type décrit précédemment peut être de l'air ambiant dont l'oxygène (02) est réduit. Le comburant est généralement humidifié avant d'être injecté à la cathode de façon que la membrane en matériau polymère ne soit pas endommagée, par exemple par assèchement. Cette opération d'humidification est également appliquée au carburant lorsque ce dernier ressort de l'anode via un orifice d'évacuation anodique. L'eau nécessaire à l'humidification de la membrane est 30 généralement récupérée en sortie de pile, et plus particulièrement dans les gaz d'évacuation cathodique qui 2883669 3 comportent de l'eau, sous forme liquide ou vapeur, qui est produite par la réaction de réduction du comburant à la cathode. La récupération d'eau à la sortie de la cathode présente en effet l'avantage de ne pas avoir à renouveler fréquemment les réserves d'eau du véhicule. De plus, si suffisamment d'eau peut être récupéré pour humidifier la membrane, il n'est pas nécessaire que le véhicule soit équipé d'un réservoir d'eau de volume important. Pour récupérer l'eau produite à la cathode, il est connu io d'agencer un condenseur dans le flux de gaz d'évacuation cathodique. Pour un fonctionnement optimal de la pile à combustible qui est alimentée par du comburant et du carburant sous pression atmosphérique, ce type de condenseur nécessite en général une source de froid dont la température doit être ts maintenue entre 20 et 30 C. Cette solution n'est pas applicable car les véhicules automobiles sont généralement prévus pour évoluer dans un environnement dont la température est susceptible de varier entre -20 C et 45 C environ. L'utilisation d'un condenseur nécessite donc l'utilisation d'un dispositif de climatisation coûteux qui n'est pas disponible sur tous les modèles de véhicule. II est donc connu d'augmenter la pression du comburant dans le circuit cathodique tout en conservant le condenseur. En effet, en augmentant la pression des gaz d'évacuation contenant de la vapeur d'eau, la température de point de rosée de la vapeur d'eau est également augmentée. La température de point de rosée est la température à laquelle la vapeur d'eau se condense. Un brouillard de condensation se dépose alors sur les surfaces dont la température est inférieure à la température de point de rosée. Ainsi, lorsque les gaz d'évacuation sont injectés dans le condenseur par exemple à une pression de 4 bars, la source froide du condenseur doit alors être maintenue à une température d'environ 60 C pour fonctionner de façon optimale. II est beaucoup plus aisé de maintenir la source froide du condenseur à une température plus grande que la température ambiante. Cependant, une telle solution requiert une mise sous pression de l'ensemble des circuits d'alimentation de la pile à lo combustible sous peine de dégradation de cette dernière. II est donc nécessaire d'utiliser une partie non négligeable de l'énergie fournie par la pile pour comprimer les circuits de comburant et de carburant au détriment du rendement de la pile à combustible. Pour résoudre ces problèmes, l'invention propose une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile du type décrit précédemment, caractérisée en ce que ledit moyen d'humidification réalise un transfert de vapeur d'eau entre un flux issu de la pile à combustible et un flux alimentant le reformeur sans changer de phase. Un tel récupérateur d'eau sous la forme d'une membrane d'humidification permet d'éviter d'utiliser des récupérateurs d'eau liquide tout en diminuant le dimensionnement du circuit de refroidissement. En effet, le fait de ne pas changer de phase et d'effectuer un transfert de vapeur d'eau permet d'une part de diminuer la quantité de calories à évacuer par le circuit de refroidissement et d'autre part de diminuer la pression de fonctionnement du système. Selon d'autres caractéristiques de l'installation de production d'électricité : - le moyen d'humidification des gaz est une membrane d'humidification permettant de diminuer la pression de fonctionnement de l'installation, - l'installation comporte un moyen de compression des gaz 5 qui alimente d'une part la cathode et d'autre part le reformeur via le moyen d'humidification, - le moyen d'humidification est intercalé dans la conduite d'évacuation cathodique, - le moyen d'humidification échange de la vapeur d'eau io entre le flux issu de l'orifice d'évacuation des gaz résiduels cathodiques et le flux d'air alimentant le reformeur, qui est issu du moyen de compression, - le moyen d'humidification est intercalé dans la conduite d'évacuation anodique, et - le moyen d'humidification échange de la vapeur d'eau entre le flux issu de l'orifice d'évacuation des gaz résiduels anodiques et le flux d'air alimentant le reformeur, qui est issu du moyen de compression. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif, pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées pour lesquelles: - la figure 1 est une représentation schématique de 25 l'installation de production d'électricité réalisée selon un premier mode de réalisation, et - la figure 2 est une représentation schématique de l'installation de production d'électricité réalisée selon un second mode de réalisation. On a représenté à la figure 1 une installation de production d'électricité 1 qui est ici embarquée à bord d'un véhicule automobile. L'installation 1 comporte principalement une pile à combustible 3 dont l'électrolyte est ici une membrane de polymère 13 La pile à combustible 3 comporte une anode 4 et une cathode 5. La cathode 5 est alimentée en continu par un comburant qui est ici de l'air. L'anode 4 est alimentée en continu par un carburant qui est ici principalement de l'hydrogène (H2). Les débits de comburant et de carburant sont ici régulés en fonction de la puissance électrique requise pour le véhicule io automobile. La pile à combustible 3 comporte un premier circuit cathodique de comburant, et est traversée par un second circuit anodique de carburant. Le circuit cathodique comporte notamment une conduite d'alimentation cathodique 14 qui est raccordée à un orifice d'alimentation cathodique 15 afin d'alimenter la cathode 15 en air. La cathode 5 comporte un orifice d'évacuation cathodique 6 par lequel les gaz d'évacuation cathodique, ou gaz résiduels, c'est-à-dire n'ayant pas été consommés par la cathode 5, sont évacués dans une conduite d'évacuation cathodique 7. La conduite d'évacuation cathodique 7 est raccordée à une membrane d'humidification 11. La conduite d'alimentation cathodique 14 reçoit l'air comprimé issu d'un moyen de compression 12 et comporte une dérivation 16 qui alimente en air comprime la membrane d'humidification 11. Le moyen de compression 12 est destiné à comprimer le comburant en direction de la cathode et à alimenter un reformeur 2 en gaz humidifié, via la membrane d'humidification 11. La membrane d'humidification 11 est destinée à transférer une partie de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'évacuation cathodique vers le flux d'air alimentant le reformeur 2. Après passage dans la membrane d'humidification 11, les gaz d'évacuation cathodique sont ensuite expulsés dans l'atmosphère par une conduite d'expulsion des gaz 17. Le circuit anodique comporte notamment un réservoir 18 contenant un carburant usuel qui est ici de l'essence et qui est situé en amont de l'anode 4. L'essence est guidée par une tubulure d'acheminement de l'essence 19 depuis le réservoir 18 io jusqu'au reformeur 2 qui est destiné à extraire l'hydrogène (H2) de l'essence. Le reformeur 2 rejette un reformât contenant de l'hydrogène (H2) dans une tubulure d'alimentation anodique 20 qui est raccordée à un orifice d'alimentation anodique 21 qui débouche à l'anode 4 de la pile à combustible 3. Après consommation d'une partie de l'hydrogène (H2), le carburant résiduel est ici injecté via une tubulure d'évacuation anodique 9 dans un brûleur 10 afin d'y être brûlé. Les gaz d'échappement résultants de cette opération sont ensuite évacués par un orifice d'échappement 22 du brûleur 10 dans une tubulure d'échappement 23 du brûleur 10. Selon le second mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 2, dans laquelle les mêmes organes portent les mêmes références, la membrane d'humidification 11 est ici intercalée dans la tubulure d'échappement 23 du brûleur 10. Dans ce mode de réalisation, on utilise le flux anodique pour transférer la vapeur d'eau qu'il contient vers le flux d'alimentation du reformeur 2. Comme pour le premier mode de réalisation, l'air 3o comprimé humidifié issu de la membrane 11 arrive dans la reformeur 2 par une canalisation d'amenée 24. L'air comprimé humidifié se mélange avec le carburant dans la canalisation 19 avant d'alimenter le reformeur 2. Nous allons maintenant décrire le fonctionnement d'une telle installation 1, et notamment le fonctionnement du dispositif 5 d'humidification. Dans le circuit anodique, l'essence est conduite dans le reformeur 2 par la tubulure d'acheminement de l'essence 19. Le produit de l'opération de reformage est appelé reformât . Le reformât est constitué principalement d'hydrogène (H2), io de monoxyde de carbone (CO), de dioxyde de carbone (CO2), d'azote (N2) et d'eau (H2O). Le reformât est le combustible qui alimente l'entrée anodique 21 par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation anodique 20. Dans le circuit cathodique, l'air atmosphérique est d'abord comprimé dans le moyen de compression 12 et est ensuite admis dans la conduite d'alimentation cathodique 14. L'air comprimé est ensuite introduit à la cathode 5 par l'orifice d'alimentation cathodique 15. La pile à combustible 3 est ainsi alimentée en combustible et en comburant. Des réactions d'oxydation à l'anode 4 et de réduction à la cathode 5 permettent alors la production d'énergie électrique. Lorsque le combustible est en contact avec l'anode 4, 70% à 95% de l'hydrogène (H2) est ici oxydé. Le reste du combustible est rejeté sous forme de gaz d'évacuation anodique vers le brûleur 10 par l'intermédiaire de la tubulure d'évacuation anodique 9. Selon le mode de réalisation de la figure 1, ces gaz sont évacués dans l'atmosphère après leur passage dans le brûleur 10, qui permet de récupérer l'énergie des gaz non consommé. Selon le mode de réalisation de la figure 2, les gaz d'évacuation anodique passent d'abord dans le brûleur 10 et ensuite dans la membrane d'humidification 11, qui transfert d'humidité des ces gaz au flux des gaz alimentant le reformeur. Lors du contact de l'air avec la cathode 5, une portion de l'oxygène (02) contenu dans l'air est réduite en eau. Les surplus d'air et d'eau sont ensuite évacués sous forme de gaz d'évacuation cathodique par la conduite d'évacuation cathodique 7. L'eau est présente dans les gaz d'évacuation cathodique sous forme de liquide et sous forme de vapeur. Les gaz d'évacuation cathodique ont ici une température d'environ 70 C. Selon le io mode de réalisation de la figure 1, ces gaz sont évacués dans en direction de la membrane d'humidification 11. Selon le mode de réalisation de la figure 2, les gaz d'évacuation cathodique sont directement évacués dans l'atmosphère ou recyclés pour récupérer l'eau liquide qu'ils contiennent, par exemple. Une telle installation 1 utilisant une membrane d'humidification 11 permet de transférer l'eau issue de la pile 3 vers le reformeur sans changer d'état, alors que les récupérateurs d'eau liquide nécessitent de passer d'une phase gazeuse à une phase liquide puis à une phase de vaporisation en amont du reformeur. Cette architecture permet en outre de diminuer la contrainte de bilan d'eau de la de l'installation. L'alimentation en eau du reformeur 2 se fait en diminuant l'évacuation de puissance thermique et en diminuant la pression de fonctionnement du système pile à combustible puisque les besoins de récupération d'eau sous forme liquide diminuent. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité (1) à bord d'un véhicule automobile, comprenant un reformeur (2), une pile à combustible (3) constituée d'une anode (4) et d'une cathode (5), ladite pile (3) comportant au moins un orifice d'évacuation des io gaz résiduels cathodiques (6) qui sont constitués notamment d'air et de vapeur d'eau, et qui sont rejetés dans une conduite d'évacuation cathodique (7), et au moins un orifice d'évacuation des gaz résiduels anodiques (8), qui sont rejetés dans une conduite d'évacuation anodique (9) vers un brûleur (10), ladite installation comportant de plus un moyen d'humidification des gaz (11), caractérisée en ce que ledit moyen d'humidification (11) réalise un transfert de vapeur d'eau entre un flux issu de la pile à combustible (3) et un flux alimentant le reformeur (2) sans changer de phase. 2. Installation de production d'électricité (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le moyen d'humidification des gaz (11) est une membrane d'humidification permettant de diminuer la pression de fonctionnement de l'installation (1) . 3. Installation de production d'électricité (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte 30 un moyen de compression des gaz (12) qui alimente d'une part la cathode (5) et d'autre part le reformeur (2) via le moyen d'humidification (11). 4. Installation de production d'électricité (1) selon l'une des revendication précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'humidification (11) est intercalé dans la conduite d'évacuation cathodique (7). 5. Installation de production d'électricité (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moyen d'humidification (11) échange de la vapeur d'eau entre le flux issu de l'orifice d'évacuation des gaz résiduels cathodiques (6) et le flux d'air alimentant le reformeur (2), qui est issu du moyen de compression (12). 6. Installation de production d'électricité (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le moyen d'humidification (11) est intercalé dans la conduite d'évacuation anodique (9). 7. Installation de production d'électricité (1) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le moyen d'humidification (11) échange de la vapeur d'eau entre le flux issu de l'orifice d'évacuation des gaz résiduels anodiques (6) et le flux d'air alimentant le reformeur (2), qui est issu du moyen de compression (12).