Brevet FR2883102A1 — publié le 20060915

Dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible incluant un reformeur de carburant ç L'invention concerne les piles à combustible et plus particulièrement un dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile a combustible incluant un reformeur de carburant. Los piles à combustible sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles ou comme source auxiliaire de puissance (APU Auxillary power Unit ). En fonction des applications, la pile à combustible est alors embarquée à bord d'un véhicule ou peut rester en stationnaire pour fournir une puissance électrique à une installation. 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, eu carburant, qui alimente l'anode en continu; et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la 25 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 pire a combustible offre notamment n l'avantage de rejeter principalement de l'eau qui est produite par la réaction de réduction â 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 brOlé avant d'être rejeté dans l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau, L'unité auxiliaire de puissance 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, sait 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 w 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. Une autre application de la pile peut étre destinée à la traction d'un véhicule. Le système pile à combustible avec reformage de carburant génère la puissance électrique pour alimenter le moteur de traction du 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 30 l'anode et de l'oxygène de l'air à ia 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 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 - un ensemble d'équipements auxiliaires tels que, par exemple, un piège à eau et un circuit de refroidissement. La pipe à combustible est le seul générateur d'électricité Io du système. Cependant la totalité de cette énergie produite n'est pas utilisée par les applications, telles que la traction ou les unités auxiliaires de puissance, pour lesquelles de l'énergie électrique est produite. En effet, un certain nombre d'équipements auxiliaires prélève une partie de cette puissance 13 pour son fonctionnement. L'un des plus gros consommateurs d'énergie électrique du système est, par exemple, le système d'alimentation en air. Par conséquent, afin de rie pas détériorer le rendement du système, il est indispensable de trouver une architecture de groupe de compression d'air qui minimise cette 2i) consommation électrique tout en fournissant au système pile à combustible de l'air comprimé à la pression de fonctionnement et ceci sur la plus grande plage de débit possible. Le document JP-11067240 propose une architecture d'alimentation en air d'un système pile à combustible intégrant un système de compression d'air iii deux étages de compression positionnés en série. Cette invention vise à réduire la consommation électrique du système de compression, mais ne permet pas d'optimiser des plages de fonctionnement de chaque étage de compression. o Le document FFl-0314127 présente une architecture de système pile à combustible intégrant deux étages de compression d'air distincts et dédiés chacun à des organes de la pile. Chaque étage reçoit de l'air qui est déjà comprimé par une unité de compression autonome située erg amont des deux étages. Le problème de ces architectures réside dans la consommation importante d'énergie électrique et dans la détérioration du rendement, De plus, de telles architectures ne présentent pas de système de régulation permettant d'optimiser le fonctionnement du système, L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de gestion des alimentations en air d'un système pile à combustible amélioré. to La présent invention fournit un dispositif de production d'électricité embarqué à bord d'un véhicule automobile comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant, une pile r combustible constituée d'une anode et d'une cathode; la dite pile générant une puissance électrique audit véhicule à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ledit dispositif comportant un système de compression d'air constitué d'un premier étage de compression et un second étage de compression, ledit système de compression d'air étant piloté par un organe de commande gérant l'alimentation en air de la pipe, za caractérisée en ce que le premier étage de compression et le second étage de compression sont des étages autonomes utilisés sur des plages de fonctionnement réduites, Un des avantages de la présente invention est de minimiser la consommation électrique du dispositif en proposant 7_5 une architecture de système de compression optimisée qui permet d'obtenir une faible consommation de la partie compression. Une telle architecture permet de maîtriser les plages de fonctionnement des étages de compression tout en réduisant l'encombrement et les coûts de production. 3o Selon d'autre caractéristiques du dispositif de production d'électricité - le deuxième étage de compression est positionné en parallèle du premier étage de compression sur une canalisation, le premier étage de compression comporte un compresseur entraîné par un moteur, et une turbine, - le compresseur alimente en air comprimé le système reformeur et la cathode de la pile par une canalisation, - la turbine est entraînée par les gaz d'échappement de la cathode par une canalisation, le second étage de compression comporte un compresseur entraîné par un moteur, et une turbine, - le compresseur alimente en air comprimé le système reformeur et la cathode de la pile par une canalisation reliée à la canalisation, - la turbine est entraînée par les gaz d'échappement de fa Cathode par une canalisation, de préférence régulée par une vanne pilotée, et - l'organe de commande du système de compression d'air pilote les deux étages de compression, et la vanne pour réguler la distribution et la pression de l'air comprimé, La présente invention concerne en outre un procédé de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, le y procédé opérant en envoyant la consigne de niveau d'air comprimé à l'organe de commande, en fermant la vanne si la puissance demandée au système de compression d'air est comprise entre 0% et 50% de la puissance maximale, en ouvrant la vanne si la puissance demandée au système de compression d'air est comprise entre 51% et 10O% de la puissance maximale. Le même procédé opérant en entraînant respectivement chacun des compresseurs par des moteurs autonomes, distincts et pilotés par l'organe de commande, lorsque l'énergie fournie par les turbines n'est pas suffisante pour entraîner lesdites 3(1 moteurs. La présente invention s'applique en outre à un véhicule comprenant une telle installation de production d'électricité ou utilisant un tel procédé. Cette architecture de distribution d'air comprimé permet de diminuer la consommation électrique nécessaire à la compression de l'air en optimisant la récupération d'énergie sur les turbines qui sont dimensionnées sur des plages de fonctionnement en débit et en température d'entrée plus étroites. De plus, la présente invention s'affranchit de la différence de temps de réponse des circuits fluides anodique et cathodique. En effet, dans le cas d'une alimentation et dune récupération d'air unique de système reformeur et de la pile, il peut y avoir une différence de temps de réponse de ces deux composants, ce w qui se répercute sur la turbine. 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 les dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue schématique du dispositif de production d'électricité où les gaz issus des circuits anodique et cathodique en sortie de pile sont mélangés et ensuite redistribué en fonction des besoins sur les deux turbines. La figure 1 présente une installation de production d'électricité 1 comprenant: - un dispositif de reformage de carburant 2, appelé reformeur, permettant de transformer le carburant liquide en un reformât riche en hydrogbne pour alimenter une pile à combustible 3, une pile à combustible 3 constituée d'une anode 4 et 25 dune cathode 5, - un organe de commande 9 destiné à réguler et piloter la gestion de l'alimentation en air de l'installation 1; un brOleur 20 en sortie de pire brnlant les gaz anodiques; 3a - un circuit de refroidissement, non représenté, qui permet d'évacuer la puissance thermique issue de la condensation; - un circuit d'eau, non représenté, incluant un réservoir d'eau liquide; - un système de compression d'air 6 permettant de comprimer l'air nécessaire pour le fonctionnement du système et de valoriser l'énergie des gaz d'échappement. Le système de compression d'air 6 comprend deux étages de compression_ Le premier étage de compression 7 comprend s un compresseur 9 associé â un moteur électrique 10, lequel est relié à une turbine 11. Le compresseur 9 alimente en air comprimé le reformeur 2 et la cathode 5 de la pile 3 par urge canalisation 1 2. La turbine 1 1 est entraînée par les gaz issus des circuits anodique et cathodique au travers d'une canalisation 13. In Le circuit anodique comprend un brûleur 20 positionné à la sortie anodique et destiné à brûler l'hydrogène non consommé par la pile 8. De même, le second étage de compression 8 comprend un compresseur 14 associé à un moteur électrique 15, lequel est relié à une turbine 16. Le compresseur 14 alimente en air comprimé le reformeur 2 et la cathode 5 de la pilet 3 par une canalisation 17, laquelle est reliée à la canalisation 12, Ainsi, les flux d'air comprimés issus des deux étages de compression 7 et 8 sont mélangés avant d'être envoyés vers le dispositif de eu production d'électricité 1. La turbine 11 est entraînée par les gaz issus des circuits anodique et cathodique, par une canalisation 18. La canalisation 18 est pourvue d'une vanne pilotée 19 permettant de réguler les débits dans cette ligne fluide ou de la by-passer en fonctions des conditions de fonctionnement. L'organe de commande 9 est relié respectivement aux moteurs 10 et 15 des deux étages de compression 7 et g, et à la vanne pilotée 19. Ce moyen permet de contrôler l'alimentation en air comprimé du dispositif de production d'électricité 1 en fonction des phases de fonctionnement du système. Dans l'architecture du système, le système de compression d'air 8 alimente en air comprimé le système reformeur 2 comprenant le brûleur et la ligne de reformage (par exemple, le réacteur principal de type oxydation sélective ou auto thermal et les étapes de purification de type oxydation s préférentielle), et la cathode de la pile 3. Cette architecture comprend deux étages de compression 7 et 8 constitués chacun d'un compresseur, d'un moteur pour fournir la puissance de compression assisté par une turbine de récupération d'énergie. Chacun des compresseurs 9 et 14 est capable de fournir au maximum ta quantité d'air pour un fonctionnement ii 50% de la pleine charge. Ces deux compresseurs 9 et 14 sont positionnés en parallèle, ce qui permet de répondre aux besoins de l'alimentation en air sur toute iu la plage de fonctionnement du système de production d'électricité 1 entre 0 et 100%. En effet: le rendement d'un compresseur sur une large plage de fonctionnement n'est pas constant et varie sur l'ensemble de Cette plage. Sur une telle amplitude de fonctionnement, le compresseur ne peut pas être optimisé mais doit pouvoir être capable de fonctionner avec un rendement convenable. Plus la plage de fonctionnement demandée au compresseur sera étendue, plus le rendement moyen de ['étage de compression est difficile à optimiser, Pour accroître le tee rendement moyen d'un compresseur, la présente invention propose de réduire la plage de fonctionnement sur laquelle il doit travailler afin de l'optimiser sur cette plage réduite et de ne le faire travailler que sur les points de meilleur rendement_ La présence de deux étages de compression 7 et 8 ?5 permet, lorsque la puissance demandée au système se situe entre g et 50% de la puissance maximum, de n'utiliser qu'un seul étage de compression. Dans ce mode de fonctionnement, l'organe de commande 9 connaît la puissance demandée par te dispositif 1 et ferme la vanne 19, ce qui a pour but de by-passer le second étage de compression B. De Cette façon, toute l'énergie des gaz d'échappement est récupérée sur l'unique turbine 11 et seul le compresseur 9 fonctionne sur cette plage qui est réduite de moitié par rapport à une plage habituelle comprise entre 0 et 100%. Dans ce cas te fonctionnement du compresseur 9 est optimisé sur une plage de fonctionnement réduite et le compresseur 16 ne fonctionne pas. Dans le cas où la puissance demandée au système de Compression 6 se situe entre 51% et 100%, l'organe de commande 9 est informé de ce besoin et ouvre la vanne 19, ce qui permet d'alimenter les deux turbines 11 et 1 en gaz d'échappement respectivement par les canalisations 13 et 18. Dans ce deuxième mode de fonctionnement, les deux compresseurs 9 et 14 travaillent toujours dans une plage de fonctionnement réduite comprise entre 0 et 50% de la charge maximale pour chacun d'entre eux. Le système de compression d'air 6 est donc capable de fournir la quantité d'air comprimé nécessaire lorsque le dispositif de production d'électricité 1 fonctionne jusqu'à 100% de sa charge, grâce ' l'addition des deux débits des étages de compression. Dans un autre mode de fonctionnement du dispositif, la vanne 19 est fermée lorsque la plage de fonctionnement du dispositif 1 est comprise entre 4 et 50%. Seul la turbine 11 est alimentée et seul le compresseur 9 fonctionne. Dans la plage de fonctionnement comprise entre 50% et 100%, la vanne 19 est ouverte par l'organe de commande 19 et fa compresseur 16 fonctionne sur un point fixe égal à 50% de la charge. Le reste de l'alimentation en air comprimé est fourni par le compresseur 9 qui travaille sur une plage de fonctionnement étendue comprise entre 1% et 50% de la charge maximale du système. Dans ce deuxième mode de fonctionnement, le compresseur 9 travaille sur une plage de fonctionnement réduite et peut donc être optimisé, Le compresseur 16 travaille sue un point unique sur lequel son rendement est fortement optimisé. Dans ces deux modes de fonctionnement possibles, l'optimisation des rendements des compresseurs 9 et 16 visant à réduire leurs plages de fonctionnement, permet de diminuer leur consommation électrique et d'améliorer le rendement du dispositif 1. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'électricité (1) embarqué i bord d'un véhicule automobile comprenant un moyen de génération d'hydrogène (2) à partir d'un autre carburant, une pile à combustible (3) constituée d'une anode (4) et d'une cathode ira (5), la dite pile (2) générant une puissance électrique audit véhicule à partir dudit hydrogène et d'un comburant, ledit dispositif (1) comportant un système de compression d'air (6) constitué d'un premier 'étage de compression (7) et un second étage de compression (8), ledit système de compression d'air () étant piloté par un organe de commande (9) gérant l'alimentation en air de la hile (3), caractérisée en ce que le premier étage de compression (7) et le second étage de compression (8) sont ries étages autonomes utilisés sur des plages de fonctionnement réduites. 2, Dispositif de production d'électricité (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le deuxième étage de compression (8) est positionné en parallèle du premier étage de compression (7) sur une canalisation (18). 3. Dispositif de production d'électricité (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le premier étage de compression (7 comporte un compresseur (9) entrainé par un moteur (10), et une turbine (1 1)_ 3n 4. Dispositif de production d'électricité (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que le compresseur (9) tf alimente en air comprimé le système reformeur (2) et la cathode (5) de la pile (3) par une canalisation (12). 5. Dispositif de production d'électricité (1) selon l'une des s revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la turbine (11) est entraînée par les gaz d'échappement de la cathode (5) par une canalisation (13). 6- Dispositif de production d'électricité (1) selon l'une des revendications 1 ou 2. caractérisée en ce que le second étage de Compression (8) comporte un compresseur (14) entraîné par un moteur (15), et une turbine (16). 7. Dispositif de production d'électricité (1) selon la is revendication 6, caractérisée en ce que le compresseur (14) alimente en air comprimé le système reformeur (2) et la cathode (5) de la pile (3) par une canalisation (17) reliée à fa canalisation (12). 8. Dispositif de production d'électricité {1) selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que la turbine (16) est entraînée par les gaz d'échappement de la cathode (5) par une canalisation (18), de préférence régulée par une vanne pilotée (19). 9. Dispositif de production d'électricité (1) selon l'une des revendications précédentes; caractérisée en ce que l'organe de commande (9) du système de compression d'air (6) pilote les cieux étages de compression (7) et (8), et la vanne (19) pour réguler la distribution et la pression de C'air comprimé. 1 G. Procédé de production d'électricité à bord d'un véhicule automobile, Ce procédé opérant - en envoyant une consigne de niveau d'air comprimé un organe de commande {9), - en fermant une vanne {19) si la puissance demandée à un système de compression d'air (6) est comprise entre 0% et 50% de la puissance maximale, - en ouvrant la vanne (19) si la puissance demandée au système de compression d'air {61 est comprise entre 51% et 100% de la puissance maximale. 11. Procédé de production d'électricité selon la revendication 10, le procédé opérant en entraînant respectivement chacun des deux compresseurs (9, 14) par des moteurs (10, 15) autonomes, distincts et pilotés par l'organe de Commande (9), lorsque l'énergie fournie par les turbines (11: 16) n'est pas suffisante pour entraîner lesdites moteurs (10, 15). 12. Procédé de production d'électricité selon l'une des revendications 10 ou 11, le procédé opérant en entraînant chacune des turbines (11, 16) par un circuit d'échappement commun, par exemple l'échappement du bruleur (20) et du circuit cathodique. 13. Véhicule Comprenant une installation de production d'électricité selon l'une des revendications 1 é 9 Ou utilisant le 25 procédé selon rune des revendications 10 à 12.