Brevet FR2888461A1 — publié le 20070112

Dispositif de production d'un plasma pour un reformeur multi-carburant La présente invention concerne un dispositif de production d'un plasma pour un reformeur multi-carburant servant à alimenter en hydrogène une pile à combustible, notamment pour la traction ou la source auxiliaire de puissance d'un véhicule automobile. L'invention vise plus particulièrement un dispositif de production d'un plasma 10, du type représenté figure 1 et 2, comprenant: - une enceinte tubulaire 12 d'axe Z, réalisée dans un io matériau isolant électrique, dans laquelle circule axialement un flux gazeux F à ioniser constitué par un carburant et de l'air; - au moins une électrode centrale a+ agencée sur un support 14 à l'intérieur de l'enceinte; - au moins une électrode périphérique a-disposée sur la is paroi interne 13 de l'enceinte tubulaire 12 et formant avec l'électrode centrale au moins une paire d'électrodes a±a- ; - une source électrique 20 alimentant la paire d'électrodes a±apour produire un arc 22 qui se forme entre les deux électrodes; - et des moyens pour créer un mouvement relatif de rotation, autour de l'axe de circulation du flux gazeux, entre le plasma et l'arc Dans un tel reformeur, l'arc électrique 22 qui se forme entre les deux électrodes permet d'ioniser le carburant sous forme gazeuse. Ceci permet de transformer les hydrocarbures en gaz de synthèse, notamment du dihydrogène H2 servant généralement à alimenter une pile à combustible. Le taux de conversion des hydrocarbures, et donc le rendement du reformeur, peuvent être améliorés par une meilleure ionisation des hydrocarbures circulant dans l'enceinte. Une solution, pour homogénéiser l'ionisation, a déjà été proposée dans le document US-A-5.039.312. Dans ce document, un dispositif soumettant l'enceinte du réacteur à un champ magnétique tournant permet de mettre les particules de gaz en rotation autour de l'axe de circulation du flux, en forçant les particules du gaz à parcourir une distance plus grande dans l'enceinte et permet ainsi d'augmenter le nombre de particules ionisées dans la zone où est créé l'arc électrique. Cependant, un tel dispositif de mise en rotation du mélange gazeux par rapport à l'enceinte nécessite des moyens auxiliaires, importants et coûteux, pour créer le champ magnétique (bobinage, alimentation électrique auxiliaire, etc.). io Ces moyens encombrants entraînent une consommation d'énergie supplémentaire, s'ajoutant à celles des moyens de formation de l'arc électrique. L'invention a pour but de proposer une solution permettant d'obtenir une homogénéisation de l'arc électrique afin is d'augmenter le volume de gaz traité par ionisation, sans pour autant exiger des moyens auxiliaires encombrants et coûteux. Dans ce but, l'invention propose des moyens pour créer un mouvement relatif de rotation, autour de l'axe de circulation du flux gazeux, entre le plasma et l'arc caractérisé en ce que lesdits moyens permettent à l'arc d'occuper des positions angulaires successives par rapport à l'enceinte et donc par rapport au plasma. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'électrode centrale comporte une tige conductrice agencée dans un plan radial de l'enceinte; l'électrode centrale est montée tournante par rapport à l'enceinte tubulaire; - le dispositif comporte au moins deux électrodes périphériques qui sont agencées pour constituer au moins deux paires d'électrodes dans des positions angulaires distinctes et des moyens pour provoquer un mouvement relatif de rotation par rapport auxdites électrodes périphériques pour permettre à l'arc de se former entre les électrodes de chaque paire d'électrodes; - les deux électrodes d'une paire d'électrodes sont agencées sensiblement dans un même plan radial; - le dispositif comporte au moins deux électrodes périphériques qui sont agencées pour constituer au moins deux paires d'électrodes dans des positions angulaires distinctes, et chacune des électrodes périphériques est connectée temporairement et successivement à la source électrique de manière que l'arc se forme dans des positions angulaires successives par rapport à l'enceinte; io - le dispositif comporte au moins deux électrodes périphériques et au moins deux électrodes centrales qui sont agencées pour constituer au moins deux paires d'électrodes distinctes et chaque paire d'électrodes est connectée temporairement et successivement à la source électrique pour is permettre à l'arc de se former dans des positions angulaires successives par rapport à l'enceinte; - l'électrode périphérique est en forme d'hélice de manière que l'arc électrique occupe des positions successives le long de ladite électrode selon le mouvement couplé axial et radial de l'hélice; - les électrodes périphériques sont réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe de circulation du flux gazeux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins en annexe dans lesquels: - les figures 1 et 2 représentent le réacteur à plasma selon l'art antérieur; - les figures 3 à 5 sont des vues en coupe transversale du réacteur selon différents modes de réalisation de l'invention pour la mise en rotation de l'arc électrique; - la figure 6 est une vue en coupe axiale d'un autre mode de réalisation de l'invention par pilotage électrique; - la figure 7 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de l'invention comportant une électrode de forme hélicoïdale. Dans la description qui va suivre des éléments identiques, analogues ou similaires seront désignés par les mêmes chiffres ou lettres de référence. Dans la description et dans les revendications, on adoptera à titre non limitatif la terminologie axiale, et radiale ou transversale en référence à l'axe et au rayon de l'enceinte io tubulaire 12 des figures et l'orientation d'amont à aval selon le sens d'écoulement du flux gazeux c'est à dire de gauche à droite à la figure 1. Un premier mode de réalisation de l'invention est présenté à la figure 3. L'électrode centrale a+ comporte une tige is conductrice 15 dirigée vers la paroi interne 13 de l'enceinte 12 et qui s'étend sensiblement dans un plan radial. L'électrode centrale a+ est connectée à un pôle positif d'une source électrique 20 fournissant une tension continue. L'électrode ou anode a+ est fixée sur un support 14 qui est monté tournant autour de l'axe de circulation du flux gazeux grâce à des moyens pilotés d'entraînement (non représentés). L'enceinte 12 est isolante de l'électricité, mais des éléments conducteurs régulièrement répartis sur la paroi interne 13 de l'enceinte 12 dans un même plan radial forment plusieurs électrodes périphériques ou cathodes a-. Ces électrodes périphériques a- sont connectées au pôle négatif de la source électrique 20. Lorsque, en tournant, l'électrode centrale a+ approche d'une électrode périphérique a- à une distance au moins égale à une distance minimale dite "distance d'amorçage", un arc électrique 22 se forme entre la paire d'électrodes a±a-. L'électrode centrale a+ continue de tourner autour de l'axe Z et s'éloigne de l'électrode périphérique a- alors l'arc 22 s'interrompt. Un arc se forme à nouveau entre la paire d'électrodes formée par l'électrode centrale a+ et l'électrode périphérique immédiatement consécutive, et ainsi de suite. En choisissant une vitesse de rotation du support 14 de l'électrode centrale a+ suffisamment importante par rapport à la vitesse d'écoulement du flux gazeux F, le flux gazeux F traverse un "écran" d'arcs électriques répartis angulairement, ce qui provoque une homogénéisation de l'ionisation et donc un taux de conversion du carburant plus important. On obtient un effet de rotation relative de l'arc par rapport io au flux gazeux dans la "tranche axiale" dans laquelle sont situées les électrodes périphériques a-. Le deuxième mode de réalisation de l'invention, représenté à la figure 4, prévoit un "pilotage électrique" de la rotation de l'arc 22. Dans ce cas, aucune pièce n'est en mouvement. La distance is entre l'électrode centrale a+, et les électrodes périphériques a-, doit être inférieure à la "distance d'amorçage". Pour ce mode de réalisation, un des pôles de la source électrique 20 est relié à un commutateur 26 pouvant être connecté temporairement et dans un ordre donné à chacune des électrodes périphériques (a-). L'ensemble forme un dispositif électrique 30, qui est connecté d'une part à l'électrode centrale a+ et, d'autre part, à chacune des électrodes périphériques a-, par l'intermédiaire du commutateur 26. Grâce au dispositif électrique 30, les électrodes périphériques a- sont mises sous tension temporairement et successivement, en créant ainsi un arc 22 entre l'électrode a+ et l'électrode périphérique a- connectée temporairement. Le dispositif électrique 30 permet d'alimenter toutes les paires présentes dans un ordre donné. En choisissant une fréquence de commutation suffisamment importante par rapport à la vitesse axiale du flux gazeux F, le flux F traverse ainsi à nouveau un "écran" d'arcs électriques, en augmentant ainsi le taux de conversion du reformeur. Un troisième mode de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre un pilotage "électrique" de la rotation de l'arc 22, et présenté à la figure 5, nécessite plusieurs paires d'électrodes distinctes. Le dispositif 10 est ici constitué de plusieurs électrodes centrales a+, qui sont des tiges radiales conductrices distinctes 15 et régulièrement réparties angulairement autour du support 14 et agencées dans un même plan radial. Les électrodes périphériques a- sont disposées de la même manière que dans les réalisations io précédentes de manière à former plusieurs paires d'électrodes distinctes a±a-. De la même manière que pour le deuxième mode de réalisation, la source électrique 20 est reliée à un commutateur 26 permettant d'obtenir autant de sorties que de paires d'électrodes, l'ensemble constituant le dispositif électrique 30. Chaque sortie est composée d'un fil 34 connecté à une électrode centrale a+ et d'un fil 36 connecté à une électrode périphérique a-. Grâce à ce dispositif 30, chaque paire a±a- est mise sous tension temporairement et successivement. L'arc 22 se forme alors entre la paire d'électrodes sous tension. Si l'on choisit une fréquence de commutation adaptée par rapport à la vitesse axiale du flux F, le flux gazeux traverse un "écran" d'arcs électriques. Pour ces trois modes de réalisations, on peut également prévoir que les électrodes périphériques a- ne sont plus disposées dans un plan radial commun, comme précédemment, mais selon la trajectoire d'une ou plusieurs hélices d'axe Z régulièrement espacées. On peut envisager de mettre en rotation l'arc 22 grâce à une des réalisations de l'invention décrite précédemment. L'arc 22 se forme alors dans des positions angulaires et axiales successives, ce qui permet d'ioniser plus efficacement le flux gazeux et d'augmenter le rendement de reformeur. Selon le quatrième mode de réalisation, illustré figure 6, plusieurs électrodes centrales a+ sont régulièrement disposées le long d'un support 16 qui traverse axialement l'enceinte 12. Les électrodes périphériques asont fixées et réparties régulièrement sur la paroi interne 13 de l'enceinte 12, selon la trajectoire d'une ou plusieurs hélices d'axe Z. Chaque électrode centrale a+ est dans le même plan radial qu'une électrode périphérique a- de manière à créer plusieurs paires d'électrodes a±asituées dans des plans radiaux distincts et décalées axialement. Grâce à un dispositif électrique analogue au dispositif 30 (non représenté sur la figure 6), l'arc 22 se forme, entre les électrodes de la paire io sous tension, dans des positions angulaires et axiales successives. En choisissant une fréquence de commutation assez élevée par rapport à la vitesse du flux F, le gaz traverse une multitude d'arcs et le taux de conversion du reformeur est considérablement augmenté. is Selon une autre réalisation de l'invention, présentée figure 7, l'électrode périphérique a-, agencée sur la paroi interne 13 de l'enceinte 12 est une électrode "continue" en forme d'hélice d'axe Z et l'électrode centrale a+ est une électrode en forme de pointe agencée sur le support 14 à l'entrée de l'enceinte 12 en considérant le sens d'écoulement du flux gazeux. La distance entre la pointe de l'électrode centrale a+ et l'extrémité aval de l'électrode a- en hélice est inférieure à la distance d'amorçage. Les électrodes sont ici alimentées en continu par la source électrique 20 (non représentée sur la figure 7). Lorsqu'on met la paire d'électrodes sous tension, un arc 22 se forme alors entre la pointe de l'électrode centrale a+ et un point aléatoire de l'électrode périphérique a-. L'arc ainsi formé se déplace alors de manière continue d'amont en aval, le long de l'électrode périphérique a- en suivant son profil en hélice, grâce au phénomène de "glissement de l'arc" provoqué par la circulation du flux gazeux F qui "pousse" l'arc d'amont en aval. L'arc 22 décrit alors une course axiale et tournante en hélice, à une vitesse qui dépend de la vitesse du flux gazeux F. Dans ce cas, l'enceinte 12 peut aussi être équipé d'un dispositif lui permettant d'avoir un mouvement de rotation autour son l'axe Z afin d'augmenter la vitesse relative de circulation de l'arc 22 dans le flux gazeux F et d'homogénéiser l'ionisation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'un plasma (10) comprenant: - une enceinte tubulaire (12), d'axe Z, en matériau isolant électrique dans laquelle circule axialement un flux gazeux à ioniser; - au moins une électrode centrale (a+) agencée sur un support (14) à l'intérieur de l'enceinte (12) ; - au moins une électrode périphérique (a-) disposée sur la paroi interne (13) de l'enceinte tubulaire (12) et formant avec io l'électrode centrale (a+) au moins une paire d'électrodes (a±a-) ; - une source électrique (20) alimentant la paire d'électrodes pour produire un arc (22) entre ces deux électrodes; - et des moyens pour créer un mouvement relatif de rotation, autour de l'axe de circulation du flux gazeux, entre le is plasma et l'arc caractérisé en ce que lesdits moyens permettent à l'arc d'occuper des positions angulaires successives par rapport à l'enceinte et donc par rapport au plasma. 2. Dispositif de production d'un plasma (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode centrale (a+) comporte une tige conductrice (15) agencée dans un plan radial de l'enceinte (12). 3. Dispositif de production d'un plasma (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'électrode centrale (a+) est montée tournante par rapport à l'axe l'enceinte tubulaire (12). 4. Dispositif de production d'un plasma (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes périphériques (a-), qui sont agencées pour constituer, avec l'électrode centrale (a+), au moins deux paires d'électrodes (a±a-) dans des positions angulaires distinctes permettant à l'arc (22) de se former entre les électrodes de chaque paire d'électrodes. 5. Dispositif de production d'un plasma (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux 2888461 l0 électrodes périphériques (a-) qui sont agencées pour constituer, avec l'électrode centrale (a+), au moins deux paires d'électrodes dans des positions angulaires distinctes, et en ce que chacune des électrodes périphériques (a-) est connectée temporairement et successivement dans un ordre à la source électrique de manière que l'arc se forme dans des positions angulaires successives par rapport à l'enceinte. 6. Dispositif de production d'un plasma (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux io électrodes périphériques (a-) et au moins deux électrodes centrales (a+) pour constituer au moins deux paires d'électrodes dans des positions angulaires distinctes et en ce que chaque paire d'électrodes est connectée temporairement et successive-ment à la source électrique pour permettre à l'arc de se former is dans des positions angulaires successives par rapport à l'enceinte. 7. Dispositif de production d'un plasma, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes périphériques (a-) sont réparties de manière régulière autour de l'axe Z de l'enceinte. 8. Dispositif de production d'un plasma (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux électrodes d'une paire d'électrodes (a±a-) sont agencées sensiblement dans un même plan radial. 9. Dispositif de production d'un plasma (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode périphérique (a-) continue est en forme d'hélice de manière que l'arc électrique occupe des positions successives le long de ladite électrode selon le mouvement combiné tournant et axial de l'hélice.