Brevet FR2891434A1 — publié le 20070330

Générateur de plasma et dispositif de reformage d'hydrocarbures pourvu d'un tel générateur de plasma. L'invention concerne la génération de plasmas pour applications embarquées à bord de véhicules automobiles, en particulier de véhicules automobiles pourvus d'un système de pile à combustible. En effet, les piles à combustible comportent classiquement une anode alimentée en combustible, en l'espèce de l'hydrogène, et une cathode alimentée en oxygène. Les réactions d'oxydo-réduction au sein de la pile permettent la génération d'électricité. L'hydrogène est généralement produit au sein du système de pile à combustible par des réactions de reformage permettant de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un composé hydrocarboné ou d'un mélange de composés hydrocarbonés et d'eau. C'est ainsi que les véhicules automobiles pourvus d'un système de pile à combustible peuvent être pourvus d'un générateur de plasma apte à amorcer et entretenir une décharge au sein de gaz réactifs, permettant de mettre en oeuvre les réactions de reformage destinées à produire l'hydrogène nécessaire à l'alimentation de la pile à combustible du système de traction ou d'une unité auxiliaire de puissance (APU), dans de cadre d'un véhicule automobile hybride. Les plasmas utilisés pour la génération d'hydrogène dans des systèmes de pile à combustible embarqués à bord de véhicules automobiles sont généralement constitués par des plasmas de type arc glissant, également connus sous les appellations rotarc glidarc . Ce type de plasma est, de manière conventionnelle, généré entre deux électrodes entre lesquelles est créée une très haute tension ou (THT) afin de former un arc dans un flux de gaz réactifs incident. L'arc est ensuite mis en mouvement sous l'action du flux de gaz envoyé entre les électrodes afin qu'il occupe tout le volume dans lequel les réactifs seront ionisés puis transformés en gaz de synthèse. On pourra, à cet égard, se référer à la demande de brevet internationale WO 98/30524, qui décrit l'architecture générale d'un réacteur à plasma de type arc glissant , ou à la demande de brevet internationale WO 02/43438, qui décrit un autre type de réacteur à plasma de type arc glissant dans lequel des électrodes additionnelles sont disposées entre des électrodes primaires, afin de créer et entretenir des décharges partielles. Dans les plasmas de type arc glissant, en particulier tels que décrits dans la demande de brevet internationale WO 98/30524, des arcs sont créés dans une zone dans laquelle la distance inter-électrodes est relativement faible, puis se propagent longitudinalement dans le réacteur, dans une zone dans laquelle la distance inter-électrodes croît régulièrement. En effet, lorsque les électrodes sont alimentées sous une tension AV, le champ électrique inter-électrodes E est donné par la relation E=4V/e. dans laquelle e désigne la distance inter-électrodes, variable longitudinalement dans le réacteur. Ainsi, le champ électrique est le plus important dans la zone du réacteur dans laquelle la distance inter-électrodes est la plus faible. Si ce champ dépasse une valeur minimale Emin, un arc se crée. Comme on le conçoit, cette valeur U,n;n dépend des conditions du milieu réactif (température, pression, nature des gaz, ...) La distance inter-électrodes e détermine alors la différence de potentiel AVm;n de claquage nécessaire à l'amorçage de l'arc. Cet arc est ensuite déplacé sous l'action des gaz injectés dans le réacteur en étant déplacé dans la zone du réacteur dans laquelle la distance inter- électrodes augmente jusqu'à ce que l'arc atteigne sa longueur maximale et disparaisse. Un autre arc se crée au niveau de l'extrémité proximale des électrodes, dans laquelle la distance inter-électrodes est plus faible. La longueur maximale de l'arc, ainsi que la fréquence d'apparition et de disparition des arcs, dépendent entre autres de la nature des mélanges réactionnels et de la distance inter-électrodes e. Ainsi, lorsque les conditions changent, par exemple au démarrage du système, ou lors de changements de régime de fonctionnement du moteur, ou de manière générale, sous l'effet de toutes perturbations souhaitées ou non, il est possible que la valeur minimale du champ électrique interélectrodes Emin change, faisant également varier la tension de claquage AVm;n. La longueur de l'arc peut alors être modifiée ainsi que la fréquence d'apparition ou de disparition des arcs. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de fournir un générateur de plasma, en particulier d'un plasma de type arc glissant, permettant de contrôler le fonctionnement du plasma afin de s'affranchir de variations de paramètres de fonctionnement du réacteur, telles que la température, la pression régnant dans le réacteur ou voire, un changement de composition des gaz réactifs. L'invention a donc pour objet un générateur de plasma, en particulier d'un plasma de type arc glissant, comprenant un réacteur délimitant intérieurement une enceinte close alimentée en au moins un gaz réactif et au moins deux électrodes raccordées à une source de tension pour amorcer et entretenir une décharge dans le gaz réactif, caractérisé en ce que les électrodes sont montées axialement déplaçables l'une par rapport à l'autre de manière à faire varier la distance entre les électrodes. II est ainsi possible de faire varier la distance inter-électrodes en fonction des conditions de fonctionnement du générateur. On notera cependant que dans le cadre de la présente description, par au moins un gaz réactif, on entend un gaz ou un mélange gazeux dans lequel une décharge peut être créée sous l'effet d'un champs électrique appliqué entre deux électrodes entre lesquelles circule le gaz. Selon une autre caractéristique de l'invention, la paroi du réacteur constitue l'une des électrodes, l'autre électrode étant agencée sous la forme d'une électrode centrale en pointe axialement déplaçable dans le réacteur. Avantageusement, au voisinage de l'extrémité libre de l'électrode en pointe, le réacteur comporte un rétrécissement de section localisé apte à réduire la distance inter-électrodes. En d'autres termes, la distance inter-électrodes est constituée par la distance entre l'extrémité libre de l'électrode centrale et la paroi du réacteur, au niveau du rétrécissement de section, où les arcs sont créés, de sorte qu'en déplaçant axialement l'électrode centrale, la distance inter-électrodes peut être modifiée. Pour déplacer l'électrode centrale dans le réacteur, celle-ci peut être montée sur un support raccordé à la paroi du réacteur par un système de liaison mécanique de type vis sans fin. En variante, l'électrode peut être montée sur un support raccordé à la paroi du réacteur par un système de liaison mécanique coulissant. Selon une autre caractéristique de l'invention, de part et d'autre du rétrécissement de section, le réacteur comporte des zones de sections variables régulièrement. L'invention a également un dispositif de reformage d'un hydrocarbure ou d'un mélange d'hydrocarbures pour la production d'hydrogène pour un système de piles à combustible pour véhicules automobiles, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de plasma tel que défini ci-dessus, pour le reformage de l'hydrocarbure ou du mélange d'hydrocarbures. Selon encore un autre aspect, l'invention a également pour objet un dispositif de dépollution embarqué à bord d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de plasma tel que défini ci-dessus. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 est un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un générateur de plasma conforme à l'invention; -la figure 2 montre une courbe illustrant l'évolution en fonction du temps du courant aux bornes d'un arc créé entre les électrodes du générateur de la figure 1; - la figure 3 montre une courbe illustrant l'évolution en fonction du temps de la tension aux bornes d'un arc créé au moyen du dispositif de la figure 1; et - la figure 4 illustre le générateur de plasma de la figure 1, dans une autre position longitudinale de l'électrode centrale. Tel que représenté à la figure 1, le générateur de plasma selon l'invention comporte un réacteur 10 qui délimite, intérieurement, une enceinte 12 alimentée en gaz réactifs par l'intermédiaire d'orifices d'admission 14 et 16 ménagés dans la paroi 18 du réacteur 10. Dans l'application envisagée, le réacteur 10 est destiné à être embarqué à bord d'un véhicule automobile et fait partie d'un dispositif de reformage embarqué destiné à l'alimentation en hydrogène d'un système de pile à combustible d'un système de traction du véhicule ou d'une unité auxiliaire de puissance APU , dans le cas d'un véhicule de type hybride. C'est ainsi que, dans cette application, le réacteur 10 est destiné à engendrer un plasma de type arc glissant dans les gaz réactifs, de manière à entretenir des réactions de reformage dans ces gaz aptes à produire de l'hydrogène. De même, dans l'application envisagée, pour la production d'hydrogène, les réactifs sont constitués par de l'air, éventuellement de la vapeur d'eau, et un composé hydrocarboné, tel qu'un carburant (essence, Diesel, éthanol, GPL, ...) ou un mélange de tels composés hydrocarbonés. Ces réactifs sont introduits dans l'enceinte 12 du réacteur par l'intermédiaire des orifices d'admission 14 et 16. Après réaction, les produits sont fournis, en sortie, selon la flèche F. Le réacteur 10 a une forme globalement cylindrique. Il est par exemple réalisé en matériau électriquement conducteur approprié pour l'utilisation envisagée, par exemple un acier. Le réacteur 10 est pourvu de deux électrodes raccordées à une source de très haute tension (THT), désignée par la référence numérique générale 19. Dans l'exemple de réalisation représenté, les électrodes sont constituées, d'une part, par la paroi 10 du réacteur et, d'autre part, par une électrode tubulaire 20, de type électrode en pointe, disposée axialement dans le réacteur 10. Comme on le voit sur la figure 1, au voisinage de l'extrémité libre 22 de l'électrode en pointe 20, le réacteur 10 comporte une zone à section rétrécie 24 délimitée, de part et d'autre, par des secteurs 26 et 28 dans lesquels le diamètre utile du réacteur décroît et croît régulièrement, respectivement, en considérant le sens de circulation des réactifs désigné par la flèche F. Le champ électrique E entre l'électrode centrale 20 et la paroi du réacteur est donné par la relation suivante: E=AV/e e désignant la distance inter-électrodes. Par conséquent, au niveau de la zone 24 de section rétrécie, le champ électrique E est le plus important. La distance inter-électrodes e détermine la tension de claquage minimale nécessaire à l'amorçage de l'arc. En se référant aux figures 2 et 3, qui représentent l'évolution de l'intensité I et de la tension V en fonction du temps t aux bornes de l'arc ainsi créé, lorsque l'arc se crée, la tension chute, l'arc constituant un court-circuit entre l'électrode et la paroi constitutive du réacteur. Sous l'action du flux des gaz réactifs injectés dans le réacteur, l'arc se propage à l'intérieur du plasma pour occuper, successivement, l'ensemble du volume dans lequel les réactifs sont ionisés puis transformés en gaz de synthèse, en l'espèce un gaz riche en hydrogène. Lorsqu'il a atteint sa longueur maximale, l'arc disparaît puis un nouvel arc se crée au niveau de la zone de section rétrécie. A cet instant précis, l'arc A présente une tension et une intensité maximales. Comme indiqué précédemment, les caractéristiques de l'arc A dépendent des paramètres de fonctionnement du réacteur 10. Ces paramètres peuvent tendre à modifier la valeur du champ électrique E à partir duquel l'arc se crée, ainsi que la tension de claquage AVmin.É En se référant à la figure 4, conformément à une caractéristique de l'invention, l'électrode centrale 20 est montée sur un support S déplaçable par rapport à la paroi du réacteur. Par exemple, l'électrode en pointe 20 peut être fixée de manière étanche sur un support 20 réalisé sous la forme d'un manchon coulissant par rapport au fond F' du réacteur au niveau duquel les réactifs sont injectés dans l'enceinte 12. De préférence, le support S constitue un mécanisme de fixation de type vis sans fin afin de permettre un réglage précis de la position longitudinale de l'extrémité libre 22 de l'électrode en pointe 20, tout en procurant une étanchéité de bonne qualité. Toutefois, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque l'électrode est montée dans le réacteur par d'autres moyens autorisant un déplacement de l'électrode apte à faire varier la distance inter- électrodes. Par exemple, le support S est réalisé sous la forme d'un manchon présentant extérieurement un filetage coopérant avec un filetage pratiqué dans un orifice ménagé dans le fond F' du réacteur. Bien entendu, le déplacement longitudinal de l'électrode en pointe 20 est piloté par des moyens de commande (non représentés) afin de faire varier la distance inter-électrodes e en fonction des conditions de fonctionnement du réacteur. Sur la figure 4, après déplacement de l'électrode centrale, la distance inter-électrodes e2 a été rendue supérieure à la distance interélectrodes et conférée par la position initiale représentée sur la figure 1, afin d'augmenter le champ électrique En, n à partir duquel l'arc est créé. Grâce à cet agencement, il est possible de compenser une modification des paramètres de fonctionnement du réacteur. Par exemple, lorsqu'une augmentation de température apparaît, la conductivité du milieu réactif augmente. Le champ électrique Emin est alors rendu plus faible, ce qui facilite la création de l'arc électrique. Pour compenser ce phénomène, la distance inter-électrodes e est augmentée. De même, lorsqu'une augmentation de la pression apparaît, la conductivité du milieu diminue. Le champ Emin est alors plus important. Pour compenser ce phénomène, la distance inter-électrodes e est diminuée. I1 est également possible, de manière similaire, de compenser une modification de la composition des réactifs. Par exemple, une augmentation de la pression partielle en eau ou une augmentation du rapport H2O/C a tendance à faire augmenter la conductivité du milieu. Lorsque ce ratio augmente, la distance inter-électrodes e est augmentée. On notera enfin que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit. En effet, dans l'exemple de réalisation illustré aux figures 1 à 4, le réacteur comporte une électrode centrale, un arc électrique étant créé entre cette électrode centrale et la paroi du réacteur, alimentées par une source de très haute tension. L'invention s'applique également à des générateurs de plasma, dans lesquels un arc est créé entre deux électrodes internes. Dans ce cas, les électrodes sont montées axialement déplaçables l'une par rapport à l'autre de manière à faire varier la distance entre les extrémités libres des électrodes en regard. On notera enfin que l'invention ne se limite pas uniquement au reformage d'un hydrocarbure. L'invention peut également s'appliquer à la réalisation d'un générateur de plasma pour des applications de dépollution embarquées. Dans ce cas, le contrôle du fonctionnement du réacteur peut permettre de s'affranchir de variations de paramètres susceptibles d'influencer sur la formation des arcs, telles que le régime du moteur ou des changements de phase d'utilisation du système de dépollution. REVENDICATIONS 1-Générateur de plasma, en particulier d'un plasma de type arc glissant, comprenant un réacteur (10) délimitant intérieurement une enceinte (12) close alimentée en au moins un gaz réactif et au moins deux électrodes (20) raccordées à une source de tension pour amorcer et entretenir une décharge dans le gaz réactif, caractérisé en ce que les électrodes sont montées axialement déplaçables l'une par rapport à l'autre de manière à faire varier la distance entre les électrodes (20). 2-Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi du réacteur constitue l'une des électrodes, l'autre électrode (20) étant agencée sous la forme d'une électrode centrale en pointe axialement déplaçable dans le réacteur. 3-Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au voisinage de l'extrémité libre de l'électrode en pointe, le réacteur comporte un rétrécissement de section (24) localisé, apte à réduire localement la distance inter-électrodes (e). 4-Générateur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'électrode centrale (20) est montée sur un support S raccordé à la paroi du réacteur par un système de liaison mécanique de type vis sans fin. 5-Système selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'électrode (20) est montée sur un support S raccordé à la paroi du réacteur par un système de liaison mécanique coulissant. 6-Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que de part et d'autre du rétrécissement de section, le réacteur comporte des zones (26, 28) de sections variables régulièrement. 7-Dispositif de reformage d'un hydrocarbure ou d'un mélange d'hydrocarbures pour la production d'hydrogène pour un système de pile à combustible pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour le reformage de l'hydrocarbure ou du mélange d'hydrocarbures. 8-Dispositif de dépollution embarqué à bord d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.