Brevet FR2875951A1 — publié le 20060331

Dispositif de pile à combustible autonome en eau La présente invention concerne un module de puissance pour véhicule automobile comprenant un dispositif de pile à combustible et un procédé de gestion de l'eau circulant dans un tel module de puissance. La pile à combustible apparaît de plus en plus comme le convertisseur d'énergie le plus propre et le plus efficace pour convertir l'énergie chimique en une énergie directement utilisable sous forme électrique et thermique. 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 02 > 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. Cependant, un inconvénient des piles à combustible réside dans la gestion de l'eau. En effet, dans un système de pile à combustible, il existe deux consommateurs d'eau pure: la pile et le reformeur, et un seul producteur d'eau: la pile. Dans le cas d'une architecture de système de traction de véhicule automobile à pile à combustible, fonctionnant par exemple avec de l'essence, le reformeur est un grand consommateur d'eau. Il convient donc de récupérer suffisamment d'eau liquide à la sortie de la pile, afin que le véhicule soit autonome en eau. 2875951 2 La seule source d'eau est donc constituée par la pile qui, de par son fonctionnement, transforme en particulier l'hydrogène et l'oxygène en eau pure. Cette eau produite se trouve sous forme de deux phases, une phase liquide et une phase vapeur. Afin de pouvoir récupérer suffisamment d'eau pour les besoins de la pile, comme par exemple pour l'humidification des gaz en entrée de la pile, et, pour le fonctionnement du reformeur, les solutions suivantes ont été proposées. L'eau peut être condensée grâce à l'utilisation d'une source froide, de l'ordre de 30 C par exemple. Toutefois, un véhicule doit pouvoir fonctionner sur une plage de température large, par exemple entre -20 C à +45 C. Il est donc difficile de conserver au sein d'un véhicule une source froide de l'ordre de 30 C, sauf si un système de climatisation est utilisé. Une autre solution consiste en une augmentation de la pression du système jusqu'à 4 bars par exemple, afin de faciliter la récupération d'eau liquide en diminuant la quantité d'eau présente sous forme vapeur. Une autre solution est décrite dans la demande de brevet WO 00 42671, et consiste en un contrôle de la température de l'empilement des cellules de la pile à combustible par la boucle de refroidissement du moteur. Cela nécessite un circuit du type climatisation permettant une chute de température importante pour la condensation des gaz de la pile et la récupération de l'eau nécessaire au fonctionnement du système. Ces solutions connues sont toutefois très consommatrices d'énergies, à cause de la source froide de type circuit de climatisation, nécessitant de l'énergie ou à cause de l'augmentation de la pression des réactifs de la pile et donc de la pression de fonctionnement du 2875951 3 système, ce qui nécessite également de l'énergie pour le groupe de compression. Dans tous les cas, le rendement du système diminue à cause de la consommation d'énergie nécessaire pour obtenir une pile à combustible autonome en eau pure. Il est donc intéressant de disposer de moyens permettant d'obtenir un module de puissance constitué d'un reformeur, d'une pile à combustible et de différents auxiliaires, permettant de récupérer l'eau produite par la pile pour alimenter le reformeur et cette même pile. L'invention propose un module de puissance pour véhicule automobile assurant une gestion de l'eau autonome, c'est-à-dire dont la production d'eau est supérieure ou égale à la consommation d'eau sur une large gamme de puissance et de températures extérieures afin d'obtenir un véhicule automobile autonome dans son besoin en eau pure. L'invention a pour objet un module de puissance pour véhicule automobile comprenant un dispositif de pile à combustible alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif reformeur de carburant hydrocarboné autonome en eau, limitant ainsi les pertes de rendement, ainsi qu'un procédé de gestion de l'eau circulant au sein de ce module de puissance. Le module de puissance pour véhicule automobile selon l'invention comprend un dispositif de pile à combustible munie d'une anode et d'une cathode, comprenant un condenseur en sortie d'anode et un condenseur en sortie de cathode, le dispositif étant alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif reformeur de carburant hydrocarboné. Ce module comprend un réservoir de stockage d'eau alimenté en eau par l'un au moins des condenseurs en sortie d'anode et 2875951 4 en sortie de cathode, et destiné à alimenter en eau le dispositif reformeur, l'alimentation en eau du dispositif reformeur étant réalisée par une pompe placée dans le dispositif reformeur et pilotée par un dispositif de commande recevant des signaux de commande en provenance d'un capteur de la température extérieure et d'un moyen de mesure de la puissance électrique demandée. Dans un mode de réalisation, le module de puissance comporte en outre un condenseur positionné entre le dispositif reformeur et l'entrée de l'anode de la pile à combustible. Ainsi, le réservoir de stockage d'eau peut également être alimenté en eau par le condenseur positionné entre le dispositif reformeur et l'entrée de l'anode de la pile à combustible. Dans un mode de réalisation préféré, le réservoir de stockage d'eau est alimenté en eau par le condenseur positionné entre le dispositif reformeur et l'entrée de l'anode de la pile à combustible, par le condenseur en sortie d'anode et par le condenseur en sortie de cathode. Dans un autre mode de réalisation, l'air entrant à la cathode est humidifié par l'eau provenant du réservoir de stockage d'eau à l'aide d'une pompe, placée entre le réservoir de stockage d'eau et la conduite d'alimentation en air de la cathode, et pilotée par le dispositif de commande. Dans un autre mode de réalisation, l'hydrogène entrant à l'anode est humidifié par l'eau provenant du réservoir de stockage d'eau à l'aide d'une pompe, placée entre le réservoir de stockage d'eau et la conduite d'alimentation en hydrogène de l'anode, et pilotée par le dispositif de commande. Le procédé de l'invention de gestion de l'eau circulant dans un module de puissance comprenant un dispositif de pile à combustible 2875951 5 munie d'une anode et d'une cathode, comprenant un condenseur en sortie d'anode et un condenseur en sortie de cathode, le dispositif étant alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif reformeur de carburant hydrocarboné, consiste à stocker l'eau issue de l'un au moins des condenseurs en sortie d'anode et en sortie de cathode dans un réservoir de stockage d'eau, puis à acheminer l'eau stockée dans le réservoir vers le dispositif reformeur, l'alimentation en eau du dispositif reformeur étant réalisée en fonction de la température extérieure et de la puissance électrique requise par le véhicule, de façon à maintenir un bilan de consommation d'eau positif ou nul dans le module de puissance. Avantageusement, lorsque la température extérieure et/ou la puissance électrique requise par le véhicule est supérieure à une valeur seuil, le système de commande est apte à commander la pompe du dispositif reformeur, afin d'alimenter en eau le dispositif reformeur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de trois modes de mise en oeuvre nullement limitatifs et illustrés par les figures 1 à 3 sur lesquelles: la figure 1 illustre schématiquement un module de puissance selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement un module de puissance selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 illustre schématiquement un module de puissance selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, est représenté un compresseur 1 alimenté en air par une arrivée d'air 14, et relié à un refroidisseur d'air 2 via une conduite 15. L'air issu du compresseur 1 est également acheminé vers un dispositif reformeur 6 via une conduite 17, tandis que l'air issu du 2875951 6 refroidisseur d'air 2 est acheminé via une conduite 16 vers la cathode 4 d'une pile à combustible 3 munie de la cathode 4 et d'une anode 5. Le dispositif reformeur 6 est alimenté en carburant par une arrivée de carburant 22, et produit à sa sortie un mélange gazeux riche en hydrogène qui est acheminé vers l'anode 5 via une conduite 18. Un condenseur 7 positionné entre le dispositif reformeur 6 et l'anode 5 transforme en eau une partie des gaz issus du dispositif reformeur 6. Un condenseur 8 situé en sortie de cathode 4 et un condenseur 9 situé en sortie d'anode 5 assurent la condensation des gaz cathodiques et anodiques. L'eau issue des condenseurs 7, 8, et 9 est stockée dans un réservoir de stockage d'eau 10 via des conduites respectives 21, 19 et 20. Les condenseurs 7, 8, et 9 sont de préférence des condenseurs/séparateurs, c'est-à-dire qu'ils assurent également la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse. Dans ce cas, il n'y a que de l'eau liquide qui est acheminée vers le réservoir de stockage d'eau 10, ce qui évite de devoir purger de l'hydrogène dans le réservoir de stockage d'eau 10, et rend le dispositif plus sûr. On peut également envisager qu'un séparateur soit positionné à la sortie des condenseurs 7,8,9. L'alimentation en eau du dispositif reformeur 6 est réalisée via une conduite 23 grâce à une pompe non représentée placée dans le dispositif reformeur 6 et pilotée par un dispositif de commande 11 recevant des signaux de commande en provenance d'un capteur de la température extérieure 12 et d'un moyen de mesure de la puissance électrique demandée 13. La pompe peut également être positionnée entre le réservoir de stockage d'eau 10 et le dispositif reformeur 6. Dans certaines conditions de roulage, par exemple lorsque la température extérieure et/ou la puissance électrique requise par le 2875951 7 véhicule sont supérieures à une valeur seuil, il y a d'avantage d'eau consommée que récupérée, car il est plus difficile de condenser de l'eau à partir des gaz d'échappement. Il est donc nécessaire de pouvoir disposer d'eau supplémentaire dans ces conditions. Grâce au réservoir de stockage d'eau 10 utilisé selon l'invention, de l'eau est naturellement stockée dans ce réservoir 10 lorsque la température extérieure est basse, et/ou que la puissance électrique requise par le véhicule est faible, par exemple lors de démarrage à froid ou lors de vitesses peu élevées lors de la circulation en ville. Dans ces conditions, l'eau non consommée issue des condenseurs 7, 8 et 9 est stockée dans le réservoir de stockage d'eau 10. Lorsque les valeurs de température extérieure et/ou de puissance électrique requises sont supérieures à une valeur seuil, les valeurs étant mesurées par le capteur de la température extérieure 12 et le moyen de mesure de la puissance électrique demandée 13, le dispositif de commande 11 agit sur la pompe placée dans le dispositif reformeur 6, ce qui entraîne l'approvisionnement en eau du dispositif reformeur 5. Le réservoir de stockage d'eau 10 peut avoir un volume compris entre 5 et 20 litres, de préférence entre 2 et 5 litres. Il est connu d'augmenter la pression du système jusqu'à 4 bars par exemple, afin de faciliter la récupération d'eau liquide en diminuant la quantité d'eau présente sous forme vapeur. Toutefois, cette solution a pour inconvénient que le système de compression d'air consomme beaucoup d'énergie, ce qui peut représenter jusqu'à 20% environ de l'énergie de la pile, et diminue donc fortement le rendement du système. Le dispositif selon l'invention permet de travailler à des pressions plus faibles, notamment lorsque la puissance du véhicule et la température ambiante sont supérieures à certaines valeurs seuil, par exemple entre 3 et 4 bars, voire entre 2 et 3,5 bars et 2875951 8 encore de préférence entre 2 et 3 bars. Il est donc possible de n'utiliser qu'un seul compresseur d'air 1, contrairement aux dispositifs nécessitant une augmentation de pression qui comprennent généralement deux compresseurs d'air. La figure 2, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, montre un module de puissance selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le refroidisseur d'air 2 n'est plus présent et le réservoir de stockage d'eau 10 est relié à la conduite 16 d'alimentation en air de la pile à combustible 3, via une conduite 24. L'air issu du compresseur d'air 1 peut ainsi être refroidi et humidifié directement par l'eau issue du réservoir de stockage d'eau 10, avant d'entrer dans la cathode 4. L'alimentation en eau de la conduite 16 est réalisée à l'aide d'une pompe 25 pilotée par le dispositif de commande 11. On peut également ajouter une vanne entre le réservoir 10 et la conduite 16, la vanne étant pilotable par le dispositif de commande 11. Ce mode de réalisation est utile notamment lorsque la pile fonctionne à une température trop élevée ou pour certaines piles qui nécessitent une alimentation en air humide comme les piles à membrane fonctionnant à haute température, par exemple les piles de type PEM (Proton Exchange Membrane ou Polymer Electrolyte Membrane en langue anglaise). La figure 3, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, montre un module de puissance selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, utile lorsque l'hydrogène nécessite d'être humidifié avant l'entrée de la pile 3, le dispositif reformeur 6 est relié directement à l'anode 5 via la conduite 18. Le réservoir de stockage d'eau 10 est également relié à la conduite 18 2875951 9 d'alimentation en hydrogène de la pile à combustible 3, via une conduite 27. Il est ainsi possible d'injecter de l'eau dans l'hydrogène alimentant la pile à combustible, ce qui permet d'abaisser la température de l'hydrogène et d'augmenter le rendement de la pile à combustible 3. L'alimentation en eau de la conduite 18 est réalisée à l'aide d'une pompe 26 pilotée par le dispositif de commande 11. On peut également ajouter une vanne entre le réservoir 10 et la conduite 18, la vanne étant pilotable par le dispositif de commande 11. Dans ce mode de réalisation, le module de puissance ne comprend pas de condenseur 7 entre le dispositif reformeur 6 et l'anode 5, ce qui rend le dispositif plus compact et permet de gagner de la place. L'ajout dans le système de pile à combustible, comprenant la pile 3 et le reformeur 6 d'un réservoir de stockage d'eau 10 embarqué à bord du véhicule, permet d'assurer au véhicule une autonomie en eau, notamment dans des conditions critiques lorsque la puissance du véhicule et la température ambiante sont supérieures à certaines valeurs seuil. De plus, cet ajout permet de ne recourir ni à une augmentation de la pression de fonctionnement, ni à une source froide d'une température inférieure à la température extérieure. Le rendement du système pile à combustible est donc maximisé et n'est pas dégradé pour satisfaire le besoin d'eau pure du module de puissance. L'utilisation du réservoir de stockage d'eau 10 permet ainsi pour tous les couples: puissance demandée / température extérieure, l'obtention d'un bilan d'eau pure positif, afin d'assurer l'autonomie en eau du véhicule automobile. La pile à combustible présente donc un rendement maximisé. Ce dispositif fonctionne donc sur une large plage de température extérieure tout en utilisant un reformeur de carburant. De 2875951 10 même, le besoin d'une source froide de type climatisation afin de refroidir les flux gazeux pour condenser l'eau pure n'est plus nécessaire pour obtenir un bilan d'eau pure positif. 11 REVENDICATIONS 1. Module de puissance pour véhicule automobile comprenant un dispositif de pile à combustible (3) munie d'une anode (5) et d'une cathode (4), comprenant un condenseur (9) en sortie d'anode (5) et un condenseur (8) en sortie de cathode (4), le dispositif étant alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif reformeur (6) de carburant hydrocarboné, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir de stockage d'eau (10) alimenté en eau par l'un au moins des condenseurs (8,9) en sortie d'anode (5) et en sortie de cathode (4), et destiné à alimenter en eau le dispositif reformeur (6), l'alimentation en eau du dispositif reformeur (6) étant réalisée par une pompe placée dans le dispositif reformeur (6) et pilotée par un dispositif de commande (11) recevant des signaux de commande en provenance d'un capteur de la température extérieure (12) et d'un moyen de mesure de la puissance électrique demandée (13). 2. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un condenseur (7) positionné entre le dispositif reformeur (6) et l'entrée de l'anode (5) de la pile à combustible (4). 3. Module de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réservoir de stockage d'eau (10) est alimenté en eau par le condenseur (7) positionné entre le dispositif reformeur (6) et l'entrée de l'anode (5) de la pile à combustible (3). 4. Module de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réservoir de stockage d'eau (10) est alimenté en eau par le condenseur (7) positionné entre le dispositif reformeur (6) et l'entrée de l'anode (5) de la pile à combustible (3), par le condenseur (9) en sortie d'anode (5) et par le condenseur (8) en sortie de cathode (4). 5. Module de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air entrant à la 2875951 12 cathode (4) est humidifié par l'eau provenant du réservoir de stockage d'eau (10), à l'aide d'une pompe (25) placée entre le réservoir de stockage d'eau (10) et la conduite d'alimentation en air (16) de la cathode (4), et pilotée par le dispositif de commande (11). 6. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hydrogène entrant à l'anode (5) est humidifié par l'eau provenant du réservoir de stockage d'eau (10), à l'aide d'une pompe (26), placée entre le réservoir de stockage d'eau (10) et la conduite d'alimentation en hydrogène (18) de l'anode (5), et pilotée par le dispositif de commande (11). 7. Procédé de gestion de l'eau circulant dans un module de puissance comprenant un dispositif de pile à combustible (3) munie d'une anode (5) et d'une cathode (4), comprenant un condenseur (9) en sortie d'anode (5) et un condenseur (8) en sortie de cathode (4), le dispositif étant alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif reformeur (6) de carburant hydrocarboné, caractérisé en ce que l'eau issue de l'un au moins des condenseurs (8,9) en sortie d'anode (5) et en sortie de cathode (4) est stockée dans un réservoir de stockage d'eau (10), l'eau stockée dans le réservoir (10) étant ensuite acheminée vers le dispositif reformeur (6), l'alimentation en eau dispositif reformeur (6) étant réalisée en fonction de la température extérieure et de la puissance électrique requise par le véhicule, de façon à maintenir un bilan de consommation d'eau positif ou nul dans le module de puissance. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alimentation du dispositif reformeur (6) est réalisée lorsque la température extérieure et/ou la puissance électrique requise par le véhicule est supérieure à une valeur seuil.