Brevet FR2883667A1 — publié le 20060929

Installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile 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. lo L'invention concerne plus particulièrement une installation de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible comportant au moins un orifice d'évacuation de gaz résiduels qui sont constitués notamment d'air et de vapeur d'eau, et qui sont rejetés dans une conduite d'évacuation dans laquelle est agencé un premier récupérateur d'eau, le même flux de gaz résiduels traversant successivement une turbine et un second récupérateur d'eau, l'eau liquide étant dérivée depuis la conduite d'évacuation vers un circuit d'eau liquide. 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, 30 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 les gaz d'échappement une quantité non négligeable de substances polluantes, la pile à combustible offre notamment io 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 20 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 généralement récupérée en sortie de pile, et plus particulièrement dans les gaz d'évacuation cathodique qui 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, on peut 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, l'utilisation d'un seul condenseur io peut induire une contrainte trop forte sur la boucle de refroidissement. En effet, dans cette configuration d'architecture, la quantité d'énergie thermique à évacuer par la boucle de refroidissement est trop importante pour le circuit de refroidissement. Cette solution n'est pas applicable car ce système est mal dimensionné entraînant une dégradation du rendement. D'autre part la température du flux gazeux à atteindre pour récupérer suffisamment d'eau liquide est trop faible: dans le cas où la température du liquide de refroidissement est plus élevée que celle du flux à refroidir, le système ne peux pas récupérer d'eau en quantités suffisantes. 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 la turbine est intercalée dans la conduite d'évacuation des gaz résiduels entre les deux récupérateurs d'eau. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - la turbine entraîne un compresseur intercalé dans une conduite d'alimentation en gaz en amont de ladite pile à combustible, par une liaison mécanique, - les récupérateurs d'eau sont des condenseurs qui liquéfient la vapeur d'eau du flux de gaz résiduels, - le flux de gaz résiduels issu du circuit anodique et celui issu du circuit cathodique se détendent dans la turbine respectivement via les conduites d'évacuation, - l'installation comporte un compresseur supplémentaire qui est intercalé dans la conduite d'alimentation de la pile en amont du premier compresseur (9) de façon à pré comprimer les gaz, - la turbine et le compresseur forment un turbocompresseur, et io - ladite installation comprend un reformeur qui alimente la pile à combustible en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pression qui sont injectés dans la turbine. La présente invention s'applique en outre à un véhicule automobile comportant une telle installation de production d'électricité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique annexée qui est une représentation schématique de l'installation de production d'électricité réalisée selon les enseignements de l'invention. 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 2 dont l'électrolyte est ici une membrane de polymère 16. La pile à combustible 2 comporte une anode 17 et une cathode 18. La cathode 18 est alimentée en continu par un comburant qui est ici de l'air. L'anode 17 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 automobile. Le circuit cathodique comporte notamment une conduite d'alimentation cathodique 23 qui est raccordée à un orifice d'alimentation cathodique 26 afin d'alimenter la cathode 18 en air. La cathode 18 comporte un orifice d'évacuation cathodique 28 par lequel les gaz d'évacuation cathodique, ou gaz résiduels, c'est-à-dire n'ayant pas été consommés par la cathode, sont évacués dans une conduite d'évacuation cathodique 15. Cette même conduite d'évacuation 15 est reliée à une conduite d'évacuation 4 des gaz d'évacuation anodiques. to La conduite d'évacuation cathodique 15 est raccordée à un condenseur 5. Le flux de gaz traversant le condenseur 5 est ensuite dirigé vers une turbine 6 via une conduite 19. Cette turbine 6 entraîne mécaniquement un compresseur 9. La turbine 6 est destinée à récupérer l'énergie des gaz d'évacuation cathodique et anodique qui sont ensuite guidés par une conduite de récupération d'eau 20 jusqu'à un condenseur 7. La turbine 6 et le compresseur 9 sont reliés par une liaison mécanique 10 et forment ici un turbocompresseur 13. Les condenseurs 5 et 7 sont destinés à recueillir l'eau liquide contenue dans les gaz d'évacuation cathodique et anodique comprimés. Après passage dans le condenseur 7, les gaz d'évacuation cathodique et anodique sont ensuite expulsés dans l'atmosphère. Le circuit anodique comporte notamment un réservoir 14 contenant un carburant usuel qui est ici de l'essence et qui est situé en amont de l'anode 17. L'essence est guidée par une tubulure d'acheminement de l'essence 11 depuis le réservoir 14 jusqu'à un reformeur 12 qui est destiné à extraire l'hydrogène (H2) de l'essence. Le reformeur 12 rejette un reformât contenant de l'hydrogène (H2) dans une tubulure d'alimentation anodique 21 qui est raccordée à un orifice d'alimentation anodique 22 qui débouche à l'anode 17 de la pile à combustible 2. Après consommation d'une partie de l'hydrogène (H2), le carburant résiduel est ici injecté via une tubulure d'évacuation anodique 24 dans un brûleur 25 intégré au reformeur 12 afin d'y être brûlé. Les gaz d'échappement résultants de cette opération sont ensuite évacués par un orifice d'échappement 27 du brûleur 25 dans la tubulure d'échappement 4 du brûleur 25 qui est raccordée à la conduite d'expulsion 15 en amont du condenseur io 5. Après leur passage dans le condenseur 5, les gaz d'échappement se détendent dans la turbine 6 et sont ainsi rejetés dans l'atmosphère via le deuxième condenseur 7 avec les gaz d'évacuation cathodique. L'installation 1 comporte aussi un circuit de distribution is d'eau qui est représenté en trait pointillé sur la figure 1. Le circuit de distribution d'eau comporte un réservoir d'eau 8. Le réservoir d'eau 8 est alimenté en eau par les deux condenseurs 5 et 7 respectivement par des conduits d'écoulement d'eau 29 et 30. L'eau récupérée par les condenseurs 5 et 7 est ensuite distribuée par un réseau de distribution d'eau au reformeur 12 ainsi qu'à un dispositif d'humidification 31 du carburant et du comburant qui est agencé dans la conduite d'alimentation cathodique 23 et dans la tubulure d'alimentation anodique 21. La distribution de l'eau est ici réalisée grâce à une pompe à eau non représentée. Nous allons maintenant décrire le fonctionnement d'une telle installation 1, et notamment le fonctionnement du dispositif de récupération d'eau. Dans le circuit anodique, l'essence est conduite dans le reformeur 12 par la tubulure d'acheminement de l'essence 11. Le produit de l'opération de reformage est appelé reformât . Le reformât est constitué principalement d'hydrogène (H2), 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 22 par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation anodique 21. Il est ici injecté à l'anode 17 sous une pression d'environ 1 bar après passage dans le dispositif d'humidification 31. Dans le circuit cathodique, l'air atmosphérique est admis dans le compresseur 9 et est comprimé en direction de la io cathode 18 via la conduite d'alimentation cathodique 23. L'air comprimé est ensuite introduit à la cathode 18 par l'orifice d'alimentation cathodique 26 après passage dans le dispositif d'humidification 31. Un compresseur supplémentaire peut être ajouté en amont du compresseur 9 pour le compléter lorsque is l'énergie récupérée par la turbine n'est pas suffisante pour entraîner le compresseur 9. La pile à combustible 2 est ainsi alimentée en combustible et en comburant. Des réactions d'oxydation à l'anode 17 et de réduction à la cathode 18 permettent alors la production d'énergie électrique. Lorsque le combustible est en contact avec l'anode 17, 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 25 par l'intermédiaire de la tubulure d'évacuation anodique 24. Lors du contact de l'air avec la cathode 18, 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 15 jusqu'au condenseur 5. 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. Les gaz d'évacuation cathodique et anodique comportent alors de l'eau sous forme de liquide et de vapeur. Après leur passage dans le condenseur 5, une partie de la vapeur d'eau contenu dans ce flux est transformée en eau et recueilli dans le réservoir d'eau 8 par le conduit d'écoulement d'eau 29. Les gaz d'évacuation cathodique et anodique sont ensuite dirigés vers la turbine 6 où ils se détendent. La température du flux gazeux diminue ce qui permet de liquéfier une partie de l'eau et de la récupérer dans le condenseur 7 situé io en aval de la turbine 6. L'eau est ensuite dérivée jusqu'au réservoir d'eau 8 par le conduit d'écoulement d'eau 30. Avantageusement, la turbine 6 est située à proximité du condenseur 5 de façon que les gaz d'évacuation cathodique qui arrivent à la turbine 6 subissent peu de pertes de charges. Les gaz d'évacuation cathodique sont ainsi susceptibles de fournir une partie non négligeable d'énergie pour entraîner le compresseur 9. Dans le cas où la boucle de refroidissement ne permet pas d'évacuer la puissance thermique du condenseur 5 situé en amont de la turbine 6 ou d'atteindre la température cible du condenseur 5, le condenseur 7 situé en aval de la turbine 6 est utilisé pour la récupération de l'eau en complément du condenseur 5 tout en soulageant la boucle de refroidissement du système. Une telle installation 1 permet d'utiliser la turbine 6 du système de compression d'air, dont la fonction principale est la récupération d'énergie dans les gaz d'échappement. L'utilisation de la détente des gaz d'échappement dans la turbine 6 permet de réduire fortement la température du flux gazeux et donc d'aider à la récupération d'eau liquide. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité (1) à bord d'un véhicule automobile, du type comprenant une pile à combustible (2) comportant au moins un orifice d'évacuation de gaz résiduels (3) qui sont constitués notamment d'air et de vapeur d'eau, et qui io sont rejetés dans une conduite d'évacuation (4, 15) dans laquelle est agencé un premier récupérateur d'eau (5), le même flux de gaz résiduels traversant successivement une turbine (6) et un second récupérateur d'eau (7), l'eau liquide étant dérivée par les conduites d'évacuation (29, 30) vers un réservoir d'eau liquide (8), caractérisée en ce que la turbine (6) est intercalée dans la conduite d'évacuation (4, 15) des gaz résiduels entre les deux récupérateurs d'eau (5, 7). 2. Installation (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite turbine (6) entraîne un compresseur (9) intercalé dans une conduite d'alimentation en gaz (23) en amont de ladite pile à combustible (2), par une liaison mécanique (10). 3. Installation (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les récupérateurs d'eau (5, 7) sont des condenseurs qui liquéfient la vapeur d'eau du flux de gaz résiduels. 4. Installation (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le flux de gaz résiduels issu du circuit anodique et celui issu du circuit cathodique se détendent dans la turbine (6) respectivement via les conduites d'évacuation (4, 15). 5. Installation (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la turbine (6) et le compresseur (9) forment un turbocompresseur (13). 6. Installation (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite installation (1) comprend un reformeur (12) qui alimente la pile à combustible (2) en carburant et qui rejette des gaz d'échappement sous pression qui sont injectés dans la turbine (6). 7. Véhicule automobile comportant une installation de 15 production d'électricité (1) selon l'une des revendications 1 à 6.