Brevet FR2881578A1 — publié le 20060804

Dispositif de pile à combustible. La présente invention concerne- un dispositif de pile à combustible, utilisé notamment pour la traction électrique d'un véhicule automobile, et utilisant de l'oxygène comme comburant et de l'hydrogène comme carburant pour produire en sortie de l'énergie électrique. La pile à combustible est un générateur électrochimique permettant d'alimenter une chaîne de traction d'un véhicule électrique. Potentiellement, ce système offre l'avantage d'avoir une autonomie du véhicule proportionnelle à la quantité de carburant embarquée, un niveau d'émission de polluants nul, un rendement élevé et la possibilité d'utiliser un carburant alternatif aux carburants actuels. Son principe de fonctionnement est simple: il s'agit d'une combustion électrochimique et contrôlée d'hydrogène et d'oxygène avec production simultanée d'électricité, d'eau et de chaleur, selon la réaction chimique: H2+1/2 O2 > H2O. Cette réaction s'opère au sein d'une structure essentiellement composée de deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte: c'est la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau. Le combustible alimentant l'anode pour la réaction électrochimique étant l'hydrogène, deux solutions s'offrent à l'utilisateur. Une première solution est de stocker l'hydrogène près de la pile et de le consommer au fur et à mesure. Mais cela pose aujourd'hui de nombreux problèmes, comme le mode de fabrication de l'hydrogène, son coût économique et environnemental, son mode de stockage, ou encore sa sécurité d'utilisation. Une deuxième solution consiste à produire de l'hydrogène à partir d'un carburant hydrogéné, comme un alcool ou un hydrocarbure. Le système permettant la transformation du carburant en hydrogène est appelé processeur d'hydrogène. Il utilise traditionnellement plusieurs étapes de procédé pouvant être chimique ou physique. Le processeur est principalement constitué d'un premier étage de reformage, qui assure la conversion du carburant en un mélange H2, CO2, CO, N2, H2O. Cette étape est directement suivie par une étape de purification destinée à réduire le taux de monoxyde de carbone en raison de son caractère hautement toxique pour l'homme et pour la pile à combustible. Toutefois, de tels processeurs d'hydrogène sont à l'heure actuelle encombrants et onéreux. Par ailleurs, pour l'alimentation de la pile à combustible en oxydant, on prévoit généralement un groupe de compression disposé en amont de la pile à combustible pour comprimer de l'air. Le rendement d'une pile à combustible dépend, entre autres facteurs, de la concentration en réactifs. Du côté de la cathode, qui reçoit de l'air ambiant, il est intéressant de disposer d'un air enrichi en oxygène, par exemple au moyen d'une unité d'adsorption modulée en pression. Le document WO 02/067 353 décrit une pile à combustible pourvue d'une unité d'adsorption modulée en pression pour l'enrichissement de l'oxydant. Le flux d'oxydant est comprimé en deux étages, avec un compresseur en amont de l'unité d'adsorption modulée en pression et un compresseur disposé en aval. Pour améliorer le rendement, une partie de l'oxydant comprimée par le premier étage peut court-circuiter l'unité d'adsorption modulée en pression et être combinée avec l'oxydant enrichi en aval du deuxième étage de compression. Un troisième compresseur peut être utilisé pour désorber l'unité d'adsorption modulée en pression sous vide. Un dispositif de récupération d'énergie peut être employé dans la ligne de sortie de l'oxydant pour récupérer de l'énergie avec un arbre commun entre compresseur et turbine. La présente invention vise à proposer une pile à combustible améliorée, particulièrement compacte et économique. Le dispositif de pile à combustible est équipé d'une pile à combustible comprenant une cathode et une anode, et d'un élément d'enrichissement en oxygène à adsorption à modulation de pression. L'élément d'enrichissement est disposé sur une ligne de sortie de la cathode. Il en résulte une construction relativement simple et une gestion thermique plus aisée avec une température des gaz de sortie élevée et une excellente récupération d'énergie. Dans un mode de réalisation, une ligne de sortie de l'élément d'enrichissement débouche dans une ligne d'entrée de la cathode, notamment pour lui fournir un flux de gaz enrichi en oxygène. Dans un mode de réalisation, une ligne d'entrée d'air débouche dans une ligne de sortie de l'élément d'enrichissement. On peut ainsi mélanger de l'air et le flux de sortie en oxygène de l'élément d'enrichissement. Dans un mode de réalisation, un condenseur est disposé sur la ligne de sortie de la cathode en amont de l'élément d'enrichissement. Dans un mode de réalisation, une ligne d'entrée d'air comprend un compresseur d'air, par exemple un turbocompresseur. Le compresseur d'air peut comprendre une pompe à air. La ligne d'entrée d'air peut comprendre au moins un élément de refroidissement d'air, par exemple un échangeur thermique disposé entre deux étages de compression. Dans un mode de réalisation, un échangeur thermique est disposé en amont de la cathode. Avantageusement, l'élément d'enrichissement est rotatif. L'élément d'enrichissement peut être entraîné par un moteur. On dispose ainsi d'une pile à combustible à rendement amélioré et à gestion thermique particulièrement performante, d'où une compacité accrue, une masse réduite et un coût plus faible. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure annexée. Le dispositif de pile à combustible référencé 1 dans son ensemble comprend une pile à combustible 2 pourvue d'une cathode 3 et d'une anode 4, un élément d'enrichissement en oxygène à adsorption à variation de pression 5 entraîné en rotation par un moteur 6, et un reformeur 7 associé à un brûleur 8 et à un échangeur 9. Le reformeur 7 et le brûleur 8 sont alimentés en carburant à partir d'un réservoir 10 contenant par exemple un hydrocarbure. Le reformeur 7 est alimenté en eau à partir d'un réservoir 11. La sortie du reformeur 7 est reliée à l'entrée de l'anode 4 par l'intermédiaire d'un condenseur 12 permettant de déshumidifier les gaz de sortie du reformeur, l'eau issue du condenseur 12 pouvant être envoyée au réservoir d'eau 11 par une conduite non représentée pour la clarté du dessin. La sortie de l'anode 4 est reliée à l'entrée du brûleur 8 par l'intermédiaire d'un condenseur 13, qui permet également la déshumidification des gaz de sortie de l'anode 4 et l'envoi de l'eau ainsi récupérée au réservoir d'eau 11 par une conduite non représentée. L'alimentation en comburant est assurée comme suit. Un compresseur 14, entraîné par un moteur 15, forme un premier étage de compression de l'air ambiant dont la sortie est reliée à un compresseur haute pression 16 par l'intermédiaire d'un échangeur thermique 17. La sortie du compresseur haute pression 16 est reliée, d'une part, à une entrée du reformeur 7 et du brûleur 8, et, d'autre part, à l'entrée de la cathode 3 par l'intermédiaire d'un échangeur thermique 18. La sortie de la cathode 3 est reliée à l'entrée de l'élément d'enrichissement en oxygène 5 par l'intermédiaire d'un condenseur 19 dont la sortie peut être reliée au réservoir d'eau 11. L'élément d'enrichissement en oxygène 5, de type rotatif, possède une sortie de gaz appauvri en oxygène 5a et une sortie de gaz enrichi en oxygène 5b. La sortie 5b rejoint la sortie du compresseur haute pression 16, d'où un mélange du flux de gaz enrichi en oxygène provenant de l'élément d'enrichissement en oxygène 5 et de l'air comprimé provenant du compresseur haute pression 16. La sortie 5a débouche à l'extérieur pour évacuer hors du système le gaz appauvri en oxygène. L'élément d'enrichissement en oxygène 5 comprend un bâti rotatif 5c supportant une pluralité de cellules d'absorption 5d, chaque cellule suit à son tour un cycle d'absorption et de désorption d'azote par un tamis, par exemple à base de zéolithes dérivant de silicates d'aluminium cristallin et de lithium. L'élément d'enrichissement en oxygène 5 fonctionne préférentiellement à température faible avec des gaz secs sous pression supérieure à la pression atmosphérique. Dans le mode de réalisation représenté, l'élément d'enrichissement en oxygène 5 comprend six cellules d'absorption 5d. A titre d'option, une pompe à vide, non représentée peut être ajoutée pour la désorption, d'où un débit d'oxygène plus élevée et un rendement amélioré. La sortie de l'échangeur 9 associé au reformeur 7 est reliée à une turbine 20 de récupération d'énergie, entraînant le compresseur haute pression 16 par l'intermédiaire d'un arbre commun 21 qui solidarise en rotation le compresseur haute pression 16 et la turbine 20. A titre de variante, on peut prévoir que la sortie de l'un des condenseurs, 12, 13 ou 19 soit reliée à l'entrée du compresseur haute pression 16 afin de participer à son refroidissement. La présence du condenseur 19 en aval de la cathode 3 est particulièrement avantageuse, en ce sens que ledit condenseur 19 provoque un refroidissement des gaz qui le traversent, d'où une diminution de la température des gaz en aval de l'élément d'enrichissement en oxygène 5 qui s'écoule ensuite au moins en partie dans l'échangeur 18, d'où une diminution de la quantité de chaleur à évacuer dans l'échangeur 18 et la possibilité d'un dimensionnement plus faible dudit échangeur 18. La température des gaz en sortie de l'échangeur 9 est au contraire particulièrement élevée, d'où un excellent fonctionnement de la turbine 20 de récupération d'énergie, et ce grâce à l'enrichissement en oxygène du comburant envoyé dans le brûleur 8. Le pourcentage d'hydrogène dans le reformat en sortie du reformeur 7 est également augmenté par la fourniture du comburant enrichi en oxygène, d'où un meilleur rendement de la pile à combustible 2. Par ailleurs, l'augmentation de la température des gaz de sortie du brûleur 8 permet de diminuer le temps de démarrage du reformeur 7 grâce à une montée en température plus rapide. La consommation énergétique de compression est diminuée, car l'augmentation de la quantité d'oxygène dans le comburant et la diminution corrélative de la proportion d'azote permettent de diminuer les débits gazeux en entrée, débits gazeux qui doivent être comprimés, et ce tout en conservant le nombre de moles nécessaires au brûleur 8, au reformeur 7 et à la pile à combustible 2. REVENDICATIONS 1-Dispositif de pile à combustible (1) équipé d'une pile à combustible (2) comprenant une cathode (3) et une anode (4), et d'un élément d'enrichissement en oxygène (5) à adsorption à variation de pression, caractérisé par le fait que l'élément d'enrichissement (5) est disposé sur une ligne de sortie de la cathode (3). 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une ligne de sortie de l'élément: d'enrichissement (5) débouche dans une ligne d'entrée de la cathode (3). 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'une ligne d'entrée d'air débouche dans une ligne de sortie de l'élément d'enrichissement (5). 4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un condenseur (19) est disposé sur la ligne de sortie de la cathode en amont de l'élément d'enrichissement (5). 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une ligne d'entrée d'air comprend un compresseur d'air (14). 6-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le compresseur d'air comprend un turbocompresseur (16). 7-Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que le compresseur d'air comprend une pompe à air. 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait qu'une ligne d'entrée d'air comprend au moins un élément de refroidissement d'air (17). 9-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément d'enrichissement (5) est rotatif. 2881578 s 10-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément d'enrichissement (5) est entraîné par un moteur (6).