Brevet FR2880993A1 — publié le 20060721

"Installation de production d'électricité comportant une pile à combustible dont l'anode est alimentée successivement par deux sources de carburant" L'invention concerne une installation de production d'électricité, notamment à bord d'un véhicule automobile, comportant une première source de carburant et une pile à combustible dont l'anode est apte à être alimentée avec du carburant. Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour o 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 comporte en général un électrolyte qui est pris en sandwich entre une anode et une cathode. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydoréduction 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 comportent généralement un électrolyte solide, notamment une membrane en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) en guise de carburant et de comburant respectivement. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent une quantité non négligeable de substances polluantes avec les gaz 3o d'échappement, 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. De plus, une pile du type décrit précédemment peut utiliser comme comburant l'oxygène (02) de l'air ambiant. Selon un mode de fonctionnement traditionnel, la cathode est alimentée en comburant, et notamment en air par un orifice d'alimentation cathodique. Le comburant comporte donc, en plus de l'oxygène, des substances non consommables par la pile. Il est s alors nécessaire d'évacuer le comburant non consommé par un orifice d'évacuation cathodique. La pile à combustible fonctionne ici selon un mode dit "impasse" à l'anode, c'est-à-dire que l'anode comporte un orifice d'alimentation anodique par lequel le carburant alimente l'anode io mais elle ne comporte pas d'orifice d'évacuation du carburant. Avantageusement par rapport à un mode de fonctionnement traditionnel à l'anode, le mode de fonctionnement "impasse" à l'anode permet de consommer sensiblement la totalité du carburant. Ainsi, il n'est pas nécessaire de prévoir un ts traitement du carburant non consommé qui, en mode traditionnel, s'avère nocif pour l'environnement. Cependant, l'invention s'applique aussi à des piles fonctionnant en mode traditionnel. Pour le mode de fonctionnement en "impasse", le carburant 20 doit être de l'hydrogène globalement pur. II est connu de stocker l''hydrogène dans un réservoir d'hydrogène qui est embarqué à bord du véhicule. Cependant, dans l'état actuel de la technique, le stockage d'hydrogène pur (H2) à bord du véhicule nécessite un volume trop important pour obtenir une autonomie confortable. De plus, la logistique de distribution de l'hydrogène (H2) n'est pas encore répandue géographiquement. Il est aussi connu de produire de l'hydrogène (H2) directement à bord du véhicule à partir d'hydrocarbures, notamment de combustibles conventionnels, tels que l'essence ou le gaz naturel, pour lesquels le réseau de distribution est largement développé. L'hydrogène (H2) est extrait de l'essence lors d'une opération dite de reformage qui nécessite un dispositif de reformage. L'essence est injectée dans le dispositif de reformage avec de l'eau et de l'air. Le produit du reformage est un gaz appelé reformât brut qui est principalement composé d'hydrogène (H2), de monoxyde de carbone (CO), de dioxyde de carbone s (CO2), d'oxygène (02) et d'azote (N2). Le reformât brut est ensuite purifié de manière à produire un reformât purifié constitué d'hydrogène. Cependant, la réaction de reformage nécessite de l'eau. Afin de faciliter la récupération d'eau liquide à la sortie de la cathode, l'air alimentant la cathode est comprimé par un compresseur. Or le compresseur consomme de l'énergie, diminuant ainsi le rendement global de l'installation de production d'électricité. De plus, le temps de réponse du reformeur entre l'instant 1s auquel une variation de débit de carburant est requise pour faire varier la production de courant de la pile à combustible, et l'instant auquel le débit de carburant varie effectivement est de l'ordre de plusieurs secondes. Ainsi, lorsque le moteur électrique requiert une plus grande puissance électrique, la pile rie peut fournir la puissance électrique requise qu'après un temps de réponse de plusieurs secondes, le temps pour le reformeur de produire le débit de reformât adéquat. De même, lorsque le moteur requiert moins d'électricité, le reformeur continue pendant quelques secondes à produire un débit de reformât superflu qui n'est pas consommé par la pile à combustible. Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention propose une installation de production d'électricité du type décrit précédemment, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une deuxième source de carburant et en ce que l'anode est alimentée successivement par chaque source de carburant. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le carburant est de l'hydrogène, et en ce que la première source d'hydrogène est un réservoir d'hydrogène; - la deuxième source d'hydrogène est un dispositif de reformage d'hydrocarbures qui est apte à produire un reformat 5 purifié constitué uniquement d'hydrogène; - le dispositif de reformage comporte une membrane comportant un catalyseur, notamment du palladium, qui est agencée de manière que le reformat traverse la membrane avant d'alimenter l'anode; - la cathode de la pile à combustible est alimentée en comburant par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation cathodique, le comburant usagé étant évacué de la cathode par un conduit d'évacuation cathodique, un compresseur secondaire étant agencé en dérivation à la conduite d'alimentation 1s cathodique de manière que, lorsque l'anode est alimentée en reformat par le dispositif de reformage, le comburant alimentant la cathode soit comprimé par le compresseur secondaire; - la conduite d'alimentation cathodique comporte un compresseur primaire de manière que, lorsque l'anode est alimentée en hydrogène issu du réservoir de stockage, le comburant alimentant la cathode soit comprimé par le compresseur primaire; - le compresseur primaire et le compresseur secondaire sont agencés de manière que, lorsque l'anode est alimentée en reformat issu du dispositif de reformage, le comburant soit comprimé successivement par chaque compresseur primaire et secondaire; - une turbine primaire est agencée dans le conduit d'évacuation cathodique, et en ce que la turbine primaire est 30 associée au compresseur primaire; - une turbine secondaire est agencée dans le conduit d'évacuation cathodique, et en ce que la turbine secondaire est associée au compresseur secondaire; - une turbine secondaire est agencée en dérivation par rapport au conduit d'évacuation de manière que, lorsque l'anode est alimentée en reformat, le comburant usagé soit dévié vers le compresseur secondaire, et en ce que la turbine secondaire est associée au compresseur secondaire; - l'installation comporte un dispositif de récupération de l'eau liquide mélangée au comburant usagé ; - le dispositif de récupération d'eau est interposé dans le conduit d'évacuation cathodique; - le dispositif de récupération d'eau est raccordé en dérivation au conduit d'évacuation cathodique de manière que, lorsque l'anode est alimentée en reformat, le comburant usagé soit dévié vers le dispositif de récupération d'eau. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au ts cours de la lecture de la description détaillé qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera à l'unique figure annexée qui représente schématiquement une installation de production d'électricité réalisée conformément aux enseignements de l'invention. Pour la suite de la description, on adoptera une orientation d'amont vers l'aval conforme au sens d'écoulement des fluides qui est indiquée par les flèches de la figure. Dans la suite de la description, des éléments similaires, analogues ou identiques seront indiqués par des mêmes numéros 25 de référence. On a représenté sur la figure une installation 10 de production d'électricité qui est embarquée à bord d'un véhicule automobile (non représenté). L'installation de production d'électricité 10 comporte une 30 pile à combustible 12 qui comporte une anode 14 et une cathode 16. L'anode est alimentée en carburant, qui est de l'hydrogène H2, par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation anodique 18, et la cathode est alimentée en comburant, qui est ici de l'air atmosphérique, par l'intermédiaire d'une conduite 20 d'alimentation cathodique. Le comburant résiduel est évacué de la cathode 16 vers l'air atmosphérique 24 par l'intermédiaire d'un conduit d'évacuation cathodique 22. Dans le mode de réalisation représenté à la figure, la pile à combustible fonctionne en mode "impasse". L'installation 10 ne comporte donc pas de conduit d'évacuation du carburant usagé. Cependant, l'invention s'applique aussi à des installations o dans lesquelles le carburant usagé est évacué de l'anode 14 par l'intermédiaire d'un conduit d'évacuation anodique. Conformément aux enseignements de l'invention, l'installation de production d'électricité 10 comporte plusieurs sources d'hydrogène, qui sont ici au nombre de deux, et qui sont aptes à alimenter l'anode 14 de la pile à combustible 12. La première source d'hydrogène 26 et la deuxième source d'hydrogène 28 sont chacune raccordées à la conduite d'alimentation anodique 18 par l'intermédiaire d'une vanne commune 30 de sélection, dite vanne à trois voies, qui permet de sélectionner l'une ou l'autre des sources d'hydrogène 26, 28 pour alimenter l'anode 14. La première source d'hydrogène est ici un réservoir d'hydrogène 26. L'hydrogène H2 peut être stocké dans le réservoir 26 sous différentes formes, par exemple sous forme de gaz comprimé, sous forme liquide ou encore sous forme ionique par adsorption sur des substances de stockage qui sont contenues dans le réservoir 26. Le réservoir d'hydrogène 26 est raccordé à la vanne 30 par une conduite 31. La deuxième source d'hydrogène est un dispositif de reformage 28 qui comporte un réservoir d'hydrocarbures 32, un reformeur d'hydrocarbures 34 et des moyens 36 pour purifier le reformât brut produit par le reformeur 34. Le réservoir d'hydrocarbures 32 alimente le reformeur 34 en hydrocarbures. A partir des hydrocarbures, le reformeur 34 produit, lors d'une opération dite de "reformage", un reformât brut qui comporte notamment de l'hydrogène H2, qui est acheminé vers la vanne 30 par l'intermédiaire d'une conduite 38. Le reformât brut est purifié par les moyens de purification 36 de manière que le reformât purifié ne soit constitué que d'hydrogène H2. Les moyens de purification 36 comportent ici une membrane 36 qui est interposée dlans la conduite 38 qui conduit le reformât depuis le reformeur 34 jusqu'à la vanne de sélection 30. ro La membrane 36 est imprégnée avec un catalyseur qui est apte à purifier le reformât brut, tel que du palladium. Par ailleurs, la conduite d'alimentation cathodique 20 comporte ici un compresseur primaire 40 qui est destiné à comprimer l'air atmosphérique circulant dans la conduite d'alimentation cathodique 20 à une pression primaire P1. Le compresseur primaire 40 permet ainsi d'augmenter le débit d'air et, par conséquent, la quantité d'électricité produite par la pile à combustible 12. Le compresseur primaire 40 est relié mécaniquement à une turbine primaire 44 qui est agencée dans le conduit d'évacuation cathodique 22 de manière à optimiser le rendement de l'installation d'électricité 12. Une partie de l'air circulant dans la conduite d'alimentation cathodique 20 est détournée vers le reformeur 34 par une conduite de ponction 42 pour les besoins de l'opération de reformage. L'opération de reformage requiert aussi que le reformeur 34 soit alimenté en eau. Avantageusement, l'eau produite par la cathode 16 de la pile à combustible 12 lors de la réaction d'oxydo-réduction peut être récupérée dans le conduit d'évacuation cathodique 22 afin que le véhicule ne soit pas contraint à de fréquents approvisionnement en eau. A cette fin, un dispositif de récupération d'eau 46 est agencé dans un conduit de dérivation 48 qui est raccordé en parallèle au conduit d'évacuation cathodique 22. Le dispositif de récupération 46 alimente en eau le reformeur 34 par l'intermédiaire d'une tubulure 47. L'extrémité amont du conduit de dérivation 48 est s raccordée au conduit d'évacuation cathodique 22 par l'intermédiaire d'une vanne de dérivation 50 à trois voies. L'extrémité aval 52 est raccordée au conduit d'évacuation anodique 22 en aval de la vanne de dérivation 50. La vanne de dérivation 50 est susceptible d'être o commandée entre une position primaire dans laquelle le comburant usagé s'écoule dans le conduit d'évacuation cathodique 22 sans être dévié vers le conduit de dérivation 48, et une position secondaire dans laquelle la totalité du fluide s'écoulant dans le conduit d'évacuation cathodique 22 est déviée vers le conduit de dérivation 48. De manière à faciliter la récupération d'eau liquide par le dispositif de récupération 46, l'air circulant dans la conduite d'alimentation cathodique 20 est avantageusement comprimé au delà d'une pression de liquéfaction P2 qui est sensiblement supérieure à la pression P1 obtenue au moyen du compresseur primaire 40. L'installation 10 comporte donc un compresseur secondaire 54 qui est agencé dans une conduite de déviation 56 qui est raccordée en parallèle avec la conduite d'alimentation cathodique 20. L'extrémité amont de la conduite de déviation 56 est raccordée à la conduite d'alimentation cathodique 20 en aval du compresseur 40 par l'intermédiaire d'une vanne de déviation 58 à trois voies. L'extrémité aval de la conduite de déviation 56 est raccordée à la conduite d'alimentation cathodique 20 en aval de la vanne de déviation 58 et en amont de la conduite de ponction 42. La vanne de déviation 58 est commandée entre une position primaire dans laquelle l'air circule uniquement dans la conduite d'alimentation cathodique 20 sans être dévié vers la conduite de déviation 56, et une position secondaire dans laquelle la totalité de l'air est déviée vers la conduite de déviation 56. De manière à optimiser le rendement de l'installation 10, le compresseur secondaire 54 est associé à une turbine secondaire 60 qui est agencée dans le conduit de dérivation 48 en aval du dispositif de récupération d'eau 46. io Lors du fonctionnement de l'installation de production d'électricité 10, la vanne de sélection 30 est commandée de manière à sélectionner la source de carburant 26, 28 qui alimente l'anode 14 de la pile à combustible 12. Lorsque l'anode 14 est alimentée par le réservoir 1s d'hydrogène 26, la vanne de déviation 58 et la vanne de dérivation 52 sont commandées chacune vers leur position primaire. Ainsi, l'air entrant dans la conduite d'alimentation cathodique 20 est comprimé par le compresseur primaire 40, puis l'air est directement conduit jusqu'à la cathode 16 par la conduite d'alimentation cathodique 20. L'air résiduel et l'eau produite par la réaction d'oxydoréduction sont ensuite évacués par le conduit d'évacuation cathodique 22 jusqu'à l'atmosphère 24 en passant par la turbine primaire 44. Lorsque la vanne de sélection 30 est commandée de manière à sélectionner le dispositif de reformage 28, l'anode 14 est alimentée en reformât purifié. Les vannes de déviation 58 et de dérivation 50 sont alors commandées chacune vers leur position secondaire. L'air entrant dans la conduite d'alimentation cathodique 20 est alors comprimé successivement par le compresseur primaire 40 jusqu'à la pression primaire P1, puis par le compresseur secondaire 54 jusqu'à la pression secondaire P2. Les lo compresseurs primaire 40 et secondaire 54 forment ainsi un dispositif de compression à deux étages. L'air ainsi comprimé à la pression secondaire P2 alimente la cathode 16. Un mélange d'air résiduel et d'eau est évacué de la cathode 16 dans le conduit d'évacuation cathodique 22 toujours sous une pression sensiblement égale à la pression secondaire P2. Le mélange est détourné par la vanne de dérivation 50 10 vers le dispositif de récupération d'eau 46 qui peut séparer l'eau liquide et l'air résiduel. L'eau liquide est conduite jusqu'au reformeur via la tubulure 47, tandis que l'air résiduel sous pression poursuit son cheminement dans le conduit de dérivation 48 jusqu'à la turbine secondaire 60. La turbine secondaire 60 est entraînée par la pression de l'air de manière à fournir une partie de l'énergie nécessaire à l'entraînement du compresseur secondaire 54. En sortant de la turbine secondaire, la pression de l'air résiduel a baissée. L'air résiduel rejoint ensuite de nouveau le conduit d'évacuation cathodique 52, puis il s'écoule vers la turbine primaire 44. La turbine 44 est entraînée en rotation par l'air résiduel de manière à fournir une partie de l'énergie nécessaire à 25 l'entraînement du compresseur primaire 40. Enfin, l'air résiduel est rejeté dans l'atmosphère 24. En fonction des conditions de roulage du véhicule, la vanne de sélection 30 peut être commandée vers l'une ou l'autre de ses positions pour sélectionner la source de carburant 26, 28 3o la mieux adaptée. Par exemple, l'anode 14 sera principalement alimentée par le dispositif de reformage 28 de manière qu'il ne soit pas nécessaire de réapprovisionner fréquemment le réservoir d'hydrogène 26. En revanche, dans certaines situations, par exemple au démarrage du véhicule ou lors d'accélérations brutales du véhicule, l'anode pourra être alimentée en hydrogène par le réservoir d'hydrogène 26 de manière à pallier au temps de réaction excessif du dispositif de reformage 28. Selon une variante non représentée de l'invention, les deux compresseurs primaire 40 et secondaire 54 sont agencés en série dans la conduite d'alimentation cathodique 20, et l'air est comprimé successivement par les deux compresseurs 40, 54 quelle que soit la source de carburant sélectionnée par la vanne de sélection 30. Selon une autre variante non représentée de l'invention qu'il est possible de combiner avec la variante précédente, les deux turbines primaire 44 et secondaire 60 sont agencées en série dans le conduit d'évacuation cathodique 22, et l'air usagé passe successivement par les deux turbines 44, 60 quelle que soit la source de carburant 26, 28 sélectionnée par la vanne de sélection 30. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'électricité (10), notamment à bord d'un véhicule automobile, comportant: - une première source de carburant (26) ; - une pile à combustible (12) dont l'anode (14) est apte à être alimentée avec du carburant; caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une deuxième source de carburant (28) et en ce que l'anode (14) est alimentée successivement par chaque source de carburant (26, 28). 2. Installation de production d'électricité (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le carburant est de l'hydrogène, et en ce que la première source d'hydrogène est un réservoir d'hydrogène (26). 3. Installation de production d'électricité (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la deuxième source d'hydrogène est un dispositif de reformage d'hydrocarbures (28) qui est apte à produire un reformat purifié constitué uniquement d'hydrogène. 4. Installation de production d'électricité (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le dispositif de reformage (28) comporte une membrane (36) comportant un catalyseur, notamment du palladium, qui est agencée de manière que le reformat traverse la membrane (36) avant d'alimenter l'anode (14). 5. Installation de production d'électricité (10) selon l'une quelconque des revendications 3 et 4 du type dans laquelle la cathode (16) de la pile à combustible (12) est alimentée en comburant par l'intermédiaire d'une conduite (20) d'alimentation cathodique, le comburant usagé étant évacué de la cathode (16) par un conduit d'évacuation cathodique (22), caractérisée en ce qu'un compresseur secondaire (54) est agencé en dérivation à la conduite d'alimentation cathodique (20) de manière que, lorsque l'anode (14) est alimentée en reformat par le dispositif de reformage (28), le comburant alimentant la cathode (16) soit comprimé par le compresseur secondaire (54). 6. Installation de production d'électricité (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la conduite d'alimentation cathodique (20) comporte un compresseur primaire (40) de manière que, lorsque l'anode (14) est alimentée en hydrogène issue du réservoir de stockage (26), le comburant alimentant la cathode (16) soit comprimé par le compresseur primaire (40). 7. Installation de production d'électricité (10) selon la revendication précédente, prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisée en ce que le compresseur primaire (40) et le compresseur secondaire (54) sont agencés de manière que, lorsque l'anode (16) est alimentée en reformat issu du dispositif de reformage (28), le comburant soit comprimé successivement par chaque compresseur primaire et secondaire (40, 54). 8. Installation de production d'électricité (10) selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'une turbine primaire (44) est agencée dans le conduit d'évacuation cathodique (22), et en ce que la turbine primaire (44) est associée au compresseur primaire (40). 9. Installation de production d'électricité (10) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce qu'une turbine secondaire (60) est agencée dans le conduit d'évacuation cathodique (22), et en ce que la turbine secondaire (60) est associée au compresseur secondaire (54) . 10. Installation de production d'électricité (10) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce qu'une turbine secondaire (60) est agencée en dérivation par rapport au conduit d'évacuation de manière que, lorsque l'anode (14) est alimentée en reformat, le comburant usagé soit dévié vers le compresseur secondaire (60), et en ce que la turbine secondaire (60) est associée au compresseur secondaire (54). 11. Installation de production d'électricité (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif (46) de récupération de l'eau liquide mélangée au comburant usagé. 12. Installation de production d'électricité (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le dispositif de récupération d'eau (46) est interposé dans le conduit d'évacuation cathodique (22). 13. Installation de production d'électricité (10) selon la 1 o revendication 1 1, caractérisée en ce que le dispositif de récupération d'eau (46) est raccordé en dérivation au conduit d'évacuation cathodique (22) de manière que, lorsque l'anode (14) est alimentée en reformat, le comburant usagé soit dévié vers le dispositif de récupération d'eau (46).