Brevet FR2884356A1 — publié le 20061013

Dispositif de gestion des gaz d'un système pile à combustible L'invention concerne les piles à combustible et plus particulièrement un dispositif de gestion des gaz d'un système pile à combustible. Les piles à combustible 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 et utilise un carburant classique du type essence, qui est facilement stockable dans le véhicule et largement disponible grâce au réseau de distribution existant. L'unité auxiliaire de puissance, souvent appelée APU ( Auxiliary Power Unit ), est une application de la pile à combustible destinée à générer de la puissance électrique pour les équipements électriques d'un véhicule conventionnel. L'unité auxiliaire de puissance peut soit remplacer l'alternateur, soit être exclusivement destinée à de nouveaux équipements électriques comme par exemple une climatisation électrique en remplacement d'une climatisation mécanique. Dans un véhicule classique utilisant un moteur à combustion interne pour générer la puissance mécanique nécessaire à l'avancement du véhicule, il est intéressant d'ajouter un système pile à combustible de type unité auxiliaire de puissance qui génère une puissance électrique importante, de l'ordre de quelques kilowatts, utile pour répondre aux besoins de puissance électrique toujours croissants dans les véhicules. Le système pile à combustible avec reformage est destiné à 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 à partir de l'hydrogène fourni par le reformeur à l'anode et de l'oxygène de l'air à la cathode; - un système reformeur composé d'une ligne de reformage permettant de générer un gaz riche en hydrogène pour alimenter l'anode de la pile à partir d'un carburant, par exemple de l'essence, du méthanol ou tout carburant équivalent, et un brûleur permettant de récupérer l'énergie de l'hydrogène non io consommé par la pile dans une combustion en présence d'air; - un système d'alimentation du système reformeur et de la pile en air comprimé incluant la fonction compression et sa motorisation, par exemple un moteur électrique, une turbine ou tout système motorisé équivalent; et - un ensemble de récupération d'eau en sortie cathodique de la pile. Un tel système de reformage de carburant nécessite au moins un récupérateur d'eau sous forme liquide pour fonctionner. Afin de faciliter la récupération de l'eau liquide sans que l'utilisateur ne remplisse un réservoir d'eau dédié embarqué dans le véhicule, le reformeur a besoin d'une pression de fonctionnement plus élevée. C'est pourquoi le dispositif de pile à combustible fonctionne à une pression élevée grâce à un moyen de compression des gaz destiné à alimenter les différents composants. Or, les gaz issus de ce moyen de compression d'air sont trop chauds pour être directement introduits dans la pile à combustible dont la température de fonctionnement est plus faible. II est donc nécessaire de disposer d'une architecture de gestion des gaz qui rend la température du flux des gaz issus du moyen de compression compatible avec celle du flux entrant dans la pile à combustible. Le document FR-0450601 présente une architecture de système pile à combustible intégrant un compresseur et une turbine formant un turbocompresseur. Le compresseur fournit l'air comprimé au système et est entraîné par la turbine dans laquelle se détendent les gaz d'échappement anodique. Un échangeur thermique permet de diminuer la température du flux issu du moyen de compression en échangeant avec le flux des gaz issu de la pile avant d'être envoyés vers la turbine. Un des inconvénients de ce type d'architecture est que le circuit de refroidissement est amené à évacuer plus d'énergie thermique étant donné le faible écart de température entre les io fluides qui traversent l'échangeur. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de gestion des gaz d'un système pile à combustible amélioré. La présente invention fournit un dispositif de gestion des gaz d'un système pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un carburant, d'une pile à combustible constituée d'une anode et d'une cathode, qui fournit de l'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant audit véhicule, d'un moyen de récupération d'eau situé en aval de la cathode de la pile, d'un moyen de compression d'air nécessaire aux différents composants du système, et un réservoir d'eau alimenté par le moyen de récupération d'eau, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en plus un échangeur destiné à diminuer la température du flux gazeux issu du moyen de compression d'air alimentant la cathode de la pile, ledit flux gazeux étant refroidi dans l'échangeur par le flux d'eau issu du moyen de récupération de l'eau. Un des avantages de la présente invention est de minimiser la consommation en proposant une architecture de système de compression optimisée qui permet d'obtenir une faible consommation d'énergie électrique de la partie compression. Ce dispositif permet en outre de minimiser l'évacuation de la puissance thermique, en proposant un couplage entre le moyen de récupération d'eau et le moyen de compression d'air. L'écart de température entre les flux issus respectivement de ces deux moyens permet de réduire la température du flux issu du compresseur. De préférence, le dispositif de gestion des gaz d'un système pile à combustible selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes: - le moyen de compression d'air nécessaire aux différents io composants du système est constitué d'un compresseur entraîné par un moteur, - un système de commande du système de compression pour réguler la distribution et la pression de l'air comprimé pour chaque composant dudit dispositif, La présente invention s'applique en outre à un véhicule comprenant un tel dispositif de gestion des gaz d'un système pile à combustible. Cette architecture à plusieurs avantages comparée aux architectures de système d'air actuelles. D'une part, le dispositif selon l'invention permet de diminuer la température du flux cathodique en supprimant le besoin d'un échangeur thermique avec le circuit de refroidissement. Le refroidissement du flux entrant dans la pile à combustible se fait de façon autonome en diminuant la charge du circuit de refroidissement du véhicule. D'autre part, l'écart de température entre le flux d'eau et le flux d'air comprimé permet de réduire la puissance thermique à évacuer par le circuit de refroidissement autonome du dispositif à pile à combustible. La présente invention sera mieux comprise à travers l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une vue schématique du dispositif selon l'invention comprenant un échangeur alimenté par le flux d'air comprimé par le compresseur et le flux d'eau issu du moyen de récupération d'eau. Bien que pouvant s'appliquer de façon générale à tous types de dispositifs à piles à combustible, l'invention sera plus particulièrement illustrée à titre d'exemple dans le cadre d'un véhicule automobile fonctionnant avec un système de traction à pile à combustible. Tel qu'il est représenté sur la figure 1, le dispositif de gestion des gaz d'un système pile à combustible 1 comporte un io calculateur, non représenté, destiné par exemple à régler le débit et la pression des fluides pour l'ensemble du système 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 reformât riche en hydrogène pour alimenter l'anode 4 d'une pile à combustible 3 qui transforme l'hydrogène avec de l'air en une puissance électrique. Le présent dispositif comprend en outre un brûleur, non représenté, en sortie de pile à combustible 3 destiné à 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 du dispositif. Un circuit d'eau incluant un réservoir d'eau liquide 9 alimente les composants de l'installation, par exemple le reformeur 2, qui fonctionne en autonomie d'eau. Un système d'air 10 comprime l'air nécessaire pour le fonctionnement du dispositif. Ce système d'air 10 comprend un moteur 12 qui entraîne un compresseur 11 au moyen d'une liaison mécanique. Le flux d'air comprimé sortant du compresseur 11 alimente le reformeur ou la cathode de la pile à combustible en fonction des consignes reçues depuis la calculateur. Dans ce type d'architecture, le flux des issus de la cathode 5 traversent un récupérateur d'eau liquide 6 qui est destiné à condenser la vapeur d'eau contenu dans ce flux de façon à ce que le système pile à combustible soit autonome en eau. L'eau liquide récupérée est envoyée en direction d'un échangeur 8 qui permet d'échanger de l'énergie thermique avec le flux d'air comprimé issu du compresseur 11. Après avoir traversé l'échangeur 8, l'eau est stockée dans un réservoir d'eau liquide 9 qui est destiné à approvisionner le reformeur 2 en fonction de ses besoins. io L'insertion d'un condenseur d'eau liquide 6 dans ce type d'installation est indispensable dans le cas d'une architecture avec reformeur. En effet, le besoin en eau liquide du reformeur 2 implique une récupération de l'eau produite en sortie de pile à combustible 3 pour que l'installation soit autonome en eau. Le flux cathodique sortant du issu de la cathode 5 de la pile à combustible 3 passe par le récupérateur d'eau liquide 6 et sa température doit être suffisamment faible pour assurer une récupération efficace. La température du flux cathodique doit être de l'ordre de 60 C pour permettre une bonne récupération de l'eau. En revanche, le flux d'air comprimé issu du compresseur 11 est à une température plus élevée, de l'ordre de 160 C, suite au travail de compression. Cette température est trop élevée et n'est pas compatible avec la température de fonctionnement de la pile à combustible 3. L'échangeur thermique 8 combine ces deux flux en profitant de cet écart de température, une différence de l'ordre 100 C qui est utilisée de diminuer les quantités d'énergie thermique à évacuer et faire baisser la température du flux entrant dans la pile 3 en provenance du compresseur 11. Pour réduire la température d'un flux d'air de 50g/s de 160 C à 90 C, la puissance à évacuer est de l'ordre de 3500 W. Cette puissance correspond à une élévation de température du débit d'eau à la sortie du récupérateur d'eau 6 de l'ordre de 30g/s de 30 C. Par conséquent, si la température de l'eau récupérée est de l'ordre de 60 C à la sortie du récupérateur 6, l'eau stockée dans le réservoir 9 en sortant de l'échangeur 8 sera à une température de l'ordre de 90 C, et donc compatible avec une utilisation dans le reformeur 2 du système pile à combustible 3. Cet échangeur 8 facilite l'échange d'énergie thermique entre un flux gazeux issu du compresseur 11 dont la température diminue, et un flux liquide issu du récupérateur d'eau 6 dont la io température augmente. Le dispositif selon l'invention rend autonome l'ensemble de la pile à combustible sur la plan du refroidissement puisque l'échangeur 8 est utilisé pour le système pile à combustible se dissocie du circuit de refroidissement principal du véhicule, qui subit déjà une charge importante. REVENDICATIONS 1. Dispositif de gestion des gaz (1) d'un système pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, comprenant un moyen de génération d'hydrogène (2) à partir d'un carburant, d'une pile à combustible (3) constituée d'une to anode (4) et d'une cathode (5), qui fournit de l'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant audit véhicule, d'un moyen de récupération d'eau (6) situé en aval de la cathode (5) de la pile (3), d'un moyen de compression d'air (10) nécessaire aux différents composants du système, et un réservoir d'eau (9) alimenté par le moyen de récupération d'eau (6), caractérisé en ce que ledit dispositif (1) comporte en plus un échangeur (8) destiné à diminuer la température du flux gazeux issu du moyen de compression d'air (10) alimentant la cathode (5) de la pile (3), ledit flux gazeux étant refroidi dans l'échangeur (8) par le flux d'eau issu du moyen de récupération de l'eau (6). 2. Dispositif de gestion des gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de compression d'air (10) 25 nécessaire aux différents composants du système est constitué d'un compresseur (11) entraîné par un moteur (12). 3. Dispositif de gestion des gaz (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en plus un système de commande du système de compression pour réguler la distribution et la pression de l'air comprimé pour chaque composant dudit dispositif. 4. Véhicule comprenant un dispositif de gestion des gaz selon l'une des revendications 1 à 3.