Brevet FR2881882A1 — publié le 20060811

"Installation de production d'énergie électrique comportant une pile à combustible et un brûleur alimenté avec du comburant usagé" L'invention concerne une installation de production d'énergie électrique, notamment à bord d'un véhicule automobile, comportant une pile à combustible. L'invention concerne plus particulièrement une installation de production d'énergie électrique, notamment à bord d'un véhicule automobile, comportant: to - une pile à combustible dont la cathode est alimentée en continu avec un comburant riche en oxygène; - une conduite d'évacuation cathodique qui évacue le comburant usagé appauvri en oxygène; - un brûleur qui est alimenté en comburant usagé par la conduite d'évacuation cathodique et qui est destiné à produire de la chaleur en brûlant un mélange de carburant et de comburant usagé, les gaz d'échappement produits par le brûleur étant rejetés dans une conduite aval d'échappement. Une pile à combustible comporte en général un électrolyte 20 séparant 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 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 combustible et de comburant respectivement. Le combustible et le comburant ne sont pas forcément purs, ils peuvent ainsi être dilués dans d'autres éléments gazeux compatibles avec la pile à combustible. Une pile de ce type peut utiliser comme comburant l'oxygène (02) de l'air ambiant. Le comburant usagé appauvri en oxygène est ensuite rejeté vers l'atmosphère par l'intermédiaire d'une conduite d'évacuation cathodique. Le comburant est généralement comprimé de manière à améliorer le rendement de la pile à combustible. Par ailleurs, dans l'état actuel de la technique, le stockage io 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. II est donc connu de produire de l'hydrogène (H2) directement à bord du véhicule à partir d'hydrocarbures, notamment à partir de carburants conventionnels, tels que l'essence ou le gaz naturel, pour lesquels le réseau de distribution est largement développé. L'hydrogène (H2) est extrait des hydrocarbures lors d'une opération dite de reformage qui nécessite un dispositif de reformage. Les hydrocarbures sont injectés dans le dispositif de reformage avec de l'eau et/ou 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 (CO2), d'oxygène (02) et d'azote (N2). Le reformât brut est ensuite purifié de manière à produire un reformât purifié constitué d'hydrogène de manière à être compatible avec la pile à combustible. Pour que l'opération de reformage soit amorcée, le 30 reformeur doit être chauffé au-delà d'une température de fonctionnement. De plus, la réaction de reformage est susceptible d'être endothermique. La température du reformeur doit donc être maintenue au-delà de la température de fonctionnement. Afin de maintenir le reformeur au-delà de sa température de fonctionnement, un brûleur est agencé à proximité du reformeur pour lui fournir la chaleur adéquate. Le brûleur est alimenté avec un carburant qui est brûlé 5 avec un comburant tel que de l'air. Le brûleur est aussi avantageusement utilisé pour brûler le combustible résiduel rejeté par l'anode de la pile à combustible. Le combustible résiduel fait alors office de carburant Il est connu d'agencer le brûleur dans la conduite lo d'évacuation cathodique de la pile à combustible afin d'alimenter le brûleur avec l'air appauvri en oxygène rejeté par la cathode. Les gaz de combustion chauds produits par le brûleur sont ensuite rejetés dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'une turbine qui permet de convertir l'énergie contenue dans les gaz d'échappement chauds et comprimés en travail mécanique. Cependant, cette installation ne permet pas de réguler la quantité de chaleur que fournit le brûleur. De plus, si la proportion d'air qui alimente le brûleur n'est pas en rapport adéquat avec la quantité de carburant qui alimente le brûleur, la combustion du mélange de carburant et de comburant produit des substances polluantes. Pour remédier à ces problèmes, l'invention propose une installation de production d'énergie électrique perfectionnée qui est caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite de contournement du brûleur qui raccorde la conduite d'évacuation cathodique à la conduite d'échappement. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le comburant usagé dérivé dans la conduite de contournement du brûleur est chauffé par la chaleur produite par 30 le brûleur; - l'installation comporte des moyens de régulation du débit de comburant usagé dévié dans la conduite de contournement; - la conduite d'échappement comporte des moyens de détente du comburant usagé et des gaz d'échappement produits par le brûleur; - la conduite d'échappement comporte une turbine; - le comburant est de l'air atmosphérique; - le carburant qui alimente le brûleur contient un combustible comportant de l'hydrogène qui est rejeté par l'anode de la pile à combustible; - le carburant qui alimente le brûleur contient un io hydrocarbure qui est fourni par un réservoir d'hydrocarbures. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin en annexe qui comporte une figure unique représentant schématiquement une installation de production d'énergie électrique qui est réalisée conformément aux enseignements de l'invention. Dans la suite de la description, des éléments similaires, identiques ou analogues seront désignés par des mêmes numéros de référence. On a représenté à la figure unique une installation 10 de production d'énergie électrique qui est embarquée à bord d'un véhicule automobile. L'installation 10 comporte une pile à combustible 12 qui comporte une anode 14 et une cathode 16. L'anode 14 est alimentée en continu avec un combustible qui est ici de l'hydrogène H2 par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation anodique 18. Lors du passage du combustible dans l'anode 14, une partie du combustible est consommée par la pile à combustible 12, puis le combustible excédentaire ou résiduel qui est appauvri en hydrogène est rejeté dans une conduite d'évacuation anodique 20. De même, la cathode 18 est alimentée en continu avec un comburant, qui est ici de l'air atmosphérique, par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation cathodique 22. Lors du passage du comburant dans la cathode 16, une partie de l'oxygène 02 contenu dans l'air est consommé par pile à combustible 12, puis le comburant excédentaire ou résiduel, qui est appauvri en oxygène, est évacué dans une conduite d'évacuation cathodique 24. L'hydrogène servant de combustible est ici produit à bord lo du véhicule à partir d'hydrocarbures tel que de l'essence par un dispositif de reformage 26 lors d'une opération dite de reformage. Le dispositif de reformage 26 comporte un reformeur 28 qui est alimenté en hydrocarbures par un réservoir d'hydrocarbures 30. Le reformeur 28 est aussi alimenté en air par une conduite de ponction 32 qui est raccordée à la conduite d'alimentation cathodique 22. Le reformeur 28 est aussi alimenté en eau par une conduite qui n'est pas représentée à la figure. A partir de l'air, de l'eau et des hydrocarbures, le reformeur 28 produit un reformât brut qui comporte de l'hydrogène ainsi que des impuretés. Le reformât brut n'est donc pas compatible avec la pile à combustible. Le reformât brut est ensuite purifié par un dispositif de purification 34 qui est destiné à éliminer les impuretés contenues dans le reformât brut. Le reformât ainsi purifié constitue le combustible, ici de l'hydrogène H2 pur ou dilué dans d'autres gaz, qui est conduit jusqu'à l'anode 14 par la conduite d'alimentation anodique 18. Pour être opérationnel, c'est-à-dire pour produire du reformât, le reformeur 28 doit être chauffé et maintenu au-delà 30 d'une température de fonctionnement "T". A cet effet, l'installation 10 comporte un brûleur 36 qui est apte à produire une quantité de chaleur suffisante pour chauffer le reformeur 28 au-delà de sa température de fonctionnement "T". La chaleur est par exemple transmise depuis le brûleur 36 jusqu'au reformeur 28 par un dispositif d'échange de chaleur qui n'est pas représenté ici pour des raisons de clarté de la figure unique. Le brûleur 36 produit de la chaleur en brûlant un mélange de comburant usagé et de carburant. Avantageusement, le combustible usagé appauvri en hydrogène est utilisé en tant que carburant pour le brûleur 36. Ainsi, l'hydrogène résiduel contenu dans le combustible usagé est io brûlé avant d'être rejeté dans l'atmosphère. A cet effet, la conduite d'évacuation anodique 20 est raccordée au brûleur 36. Selon une variante de l'invention, le reformeur 28 n'a pas besoin d'être chauffé constamment, mais le brûleur 36 fonctionne tout de même de manière à brûler l'hydrogène résiduel sortant de l'anode de la pile à combustible. Il est aussi prévu une conduite secondaire 38 d'alimentation du brûleur 36 qui raccorde le réservoir d'hydrocarbures 30 au brûleur 36. Ainsi, en fonction du contexte, le carburant qui est susceptible d'alimenter le brûleur 36 est ici du combustible usagé et/ou des hydrocarbures. Par exemple, la pile à combustible 12 ne peut être alimentée en combustible usagé que lorsque le reformeur 28 est opérationnel. Or le reformeur 28 n'est opérationnel que lorsque le brûleur 36 lui fournit suffisamment de chaleur pour maintenir sa température au-delà de la température de fonctionnement "T". Lorsque le reformeur 28 n'est pas opérationnel, le brûleur 36 n'est donc pas alimenté en combustible 'usagé. Ainsi, au démarrage de l'installation 10, il est préférable que le brûleur 36 soit alimenté par un carburant autre que le combustible usagé. Cet autre carburant est avantageusement constitué par les hydrocarbures contenus dans le réservoir 30 qui sont conduits jusqu'au brûleur 36 par l'intermédiaire de la conduite secondaire d'alimentation 38. Par ailleurs, le brûleur 36 est alimenté en comburant usagé, c'est-à-dire en air appauvri en oxygène, par la conduite 5 d'évacuation cathodique 24. Le fait d'alimenter le brûleur 36 avec de l'air appauvri en oxygène permet avantageusement d'abaisser la température de combustion et ainsi de limiter la production de substances polluante tels que des oxydes d'azote NOx lors de la combustion du carburant. Les gaz d'échappement produits par le brûleur 36 sont ensuite évacués vers l'atmosphère par une conduite commune d'échappement 40. Par ailleurs, l'installation 10 comporte un dispositif 42 de compression de l'air d'alimentation qui est ici un compresseur 42. Le compresseur 42 est agencé dans la conduite d'alimentation cathodique 22, en amont du raccordement de la conduite de ponction 32. Le compresseur 42 est destiné à comprimer l'air servant de comburant qui est admis dans la conduite d'alimentation cathodique 22 et dans la conduite de ponction 32. Ainsi, tout au long de son circuit, c'est-à-dire dans la conduite d'alimentation cathodique 22, dans la conduite de ponction 32, dans la cathode 16, dans la conduite d'évacuation cathodique 24 et dans la conduite d'échappement 40, le comburant est sous pression. Le compresseur 42 est ici notamment entraîné par un moteur électrique 44. Cependant, le moteur 44 consomme une partie de l'énergie électrique produite par la pile à combustible 12. Afin d'améliorer le rendement global de l'installation 10, un système de valorisation des gaz d'échappement est agencé dans la conduite d'échappement 40. Le système de valorisation des gaz d'échappement comporte ici des moyens de détente des gaz, et notamment une turbine 46 qui est agencée dans la conduite d'échappement 40. La turbine 46 est entraînée en rotation par les gaz d'échappement chauds qui sont sous une pression voisine de la pression à laquelle le comburant a été comprimé par le compresseur 42 dans la conduite d'alimentation cathodique 22. La turbine 46 est ici reliée mécaniquement au compresseur 42 de manière à participer à l'entraînement du compresseur 42, diminuant ainsi la consommation d'électricité du moteur 44. io Selon les enseignements de l'invention, l'installation 10 comporte une conduite 48 de contournement du brûleur 36 dont l'extrémité amont est raccordée à la conduite d'évacuation cathodique 24, et dont l'extrémité aval est raccordée à la conduite d'échappement 40, en amont de la turbine 46. La conduite d'évacuation cathodique 48 comporte avantageusement une vanne 50 ou un clapet de régulation actif ou passif du débit d'air détourné. Comme représenté à la figure, le comburant usagé qui circule dans la conduite de contournement 48 est éventuellement chauffé par la chaleur produite par le brûleur 36, par exemple en agençant un tronçon de la conduite de contournement 48 à proximité du brûleur 36. Ainsi, lors du fonctionnement de la pile à combustible 12, le brûleur 36 est alimenté en carburant, c'est-à-dire en combustible usagé et/ou en hydrocarbures. Le brûleur 36 est aussi simultanément alimenté en comburant usagé par la conduite d'évacuation cathodique 24. Le mélange de comburant usagé et de carburant est brûlé dans le brûleur 36 en produisant de la chaleur. Afin d'éviter que la proportion de comburant ne soit trop élevée par rapport à la quantité de carburant, diluant ainsi la puissance thermique disponible et défavorisant les échanges thermiques, la vanne de régulation 50 est commandée afin de dévier une partie du comburant usagé vers la conduite de contournement 48 du brûleur 36. L'énergie contenue dans le combustible usagé sous pression qui a été dévié vers la conduite d'échappement 40 par la conduite de contournement 48 est exploitée en contribuant l'entraînement de la turbine 46. De plus, la chaleur véhiculée par le comburant usagé dérivé préalablement chauffé par le brûleur 36 dans la conduite de contournement 48 est exploitée en étant convertie en travail io mécanique par la turbine 46. Le rendement global de l'installation 10 est ainsi encore amélioré. Selon une variante non représentée de l'invention, la vanne de régulation du débit est agencée dans la conduite d'évacuation cathodique24, en aval du point de raccordement de la conduite de contournement 50. io REVENDICATIONS 1. Installation (10) de production d'énergie électrique, notamment à bord d'un véhicule automobile, comportant: - une pile à combustible (12) dont la cathode (16) est alimentée en continu avec un comburant riche en oxygène; - une conduite d'évacuation cathodique (24) qui évacue le comburant usagé appauvri en oxygène; - un brûleur (36) qui est alimenté en comburant usagé par la conduite d'évacuation cathodique (24) et qui est destiné à io produire de la chaleur en brûlant un mélange de carburant et de comburant usagé, les gaz d'échappement produits par le brûleur (36) étant rejetés dans une conduite aval d'échappement (40) ; caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite (48) de contournement du brûleur (36) qui raccorde la conduite is d'évacuation cathodique (24) à la conduite d'échappement (40). 2. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le comburant usagé dérivé dans la conduite de contournement du brûleur (48) est chauffé par la chaleur produite par le brûleur (36). 3. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (50) de régulation du débit de comburant usagé dévié dans la conduite de contournement (48). 4. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la conduite d'échappement (40) comporte des moyens (46) de détente du comburant usagé et des gaz d''échappement produits par le brûleur (36). 5. Installation (10) selon la revendication précédente, 30 caractérisé en ce que la conduite d'échappement (40) comporte une turbine (46). 6. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le comburant qui alimente la cathode (16) est de l'air atmosphérique. 2881882 Il 7. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carburant qui alimente le brûleur (36) contient un combustible comportant de l'hydrogène qui est rejeté par l'anode (16) de la pile à combustible (12). 8. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carburant qui alimente le brûleur contient un hydrocarbure qui est fourni par un réservoir d'hydrocarbures (30). io