Brevet FR2896624A1 — publié le 20070727

Système de pile à combustible avec récupération de l'énergie des gaz issus de la pile à combustible. La présente invention est relative aux systèmes de pile à combustible constituant un moyen de génération d'électricité pour alimenter un certain nombre d'équipements, par exemple dans un véhicule automobile. Un tel système de pile à combustible comprend généralement une pile à combustible constituée par un empilement ce cellules individuelles, un moyen de stockage ou de production d'un gaz riche en hydrogène, un moyen de compression d'air capable d' alimen :er la pile à combustible en air comprimé et un brûleur alimenté par de l'air et par du gaz contenant l'hydrogène en excès en provenance du compartiment anodique de la pile à combustible. Le système de production de gaz riche en hydrogène peut, si besoin, réaliser une purification de ce mélange gazeux riche en hydrogène obtenu par reformage d'un carburant hydrocarboné. La pile à combustible est alimentée par de l'air ambiant comprimé et par un flux de gaz riche en hydrogène introduits respectivement à la cathode et à l'anode de chacune des cellules, les deux électrodes de chaque cellule étant séparées par un électrolyte. La réaction électrochimique qui se produit dans les différentes cellules de l'empilement entre l'hydrogène et l'oxygène génère une énergie électrique, de la chaleur et de l'eau. Le brûleur est alimenté par les gaz issus du compartiment anodique de la pile à combustible, ces gaz contenant de l'hydrogène en excès qui n'a pas été entièrement consommé par la pile à combustible. Le brûleur est également alimenté par de l'air comprimé, et éventuellement par une autre source de combustible. Pour obtenir un rendement convenable de l'ensemble du système, et pour des questions d'humidification de la pile à combustible et de récupération d'eau liquide, l'air alimentant la pile à combustible doit être à une pression élevée. On utilise donc un moyen de compression d'air qui doit être capable d'alimenter à la fois la pile à combustible, éventuellement le système de production d'hydrogène et de purification ainsi que le brûleur. Le moyen de compression doit être capable de travailler sur une large plage de débit et de générer un taux de compression relativement important. Le moyen de compression est généralement entraîné par un moteur électrique, ce qui diminue fortement le rendement global du système de pile à combustible. Généralement, le moyen de compression est: constitué de deux compresseurs entraînés par une turbine et/ou par un moteur électrique, lui-même alimenté en électricité par la pile à combustible. La turbine valorise les gaz issus de la pile à combustible et clu brûleur. On peut ainsi réaliser un moyen de compression à deux étages de compression. La turbine entraînant les compresseurs est cependant peu acaptée à un système de pile à combustible, en raison notamment des faib''es niveaux de température des gaz amenés sur la turbine. La demande de brevet US 2003/0170 517 décrit un système de pile à combustible dans lequel le moyen de compression ccmprend un montage en série d'un compresseur motorisé entraîné par un moteur électrique et d'une machine rotative à compression par ondes de pression (en anglais, Pressure Wave Supercharger ou PWS). Dans ce document antérieur, la machine rotative à compression (PWS) reçoit uniquement les gaz issus du compartiment cathodique de la pile à combustible et constitue un premier étage de compression. Le compresseur motorisé placé en aval réalise un deuxième étage de compression. La présente invention a pour objet d'améliorer la valorisation de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement d'un système de pile à combustible. L'invention a également pour objet de diminuer la consommation électrique d'un compresseur motorisé faisant partie des moyens de compression d'un système de pile à combustible, de façon à augmenter le rendement de l'ensemble. Dans un mode de réalisation, le système de pile à combustible comprend une pile à combustible, un moyen de stockage ou de production d'un gaz riche en hydrogène, un moyen de compression d'air capable d'alimenter la pile à combustible en air comprimé et un brûleur alimenté par de l'air et par du gaz contenant l'hydrogène en excès en provenance du compartiment anodique de la pile à combustible. Le moyen de compression d'air comprend une machine rotative à compression par ondes de pression (PWS) alimentée par un mélange de gaz provenant à la fois du brûleur et du compartiment catholique de la pile à combustible. De cette manière, le rendement du système de pile à combustible est augmenté par une valorisation optimale des gaz issus de la pile à combustible dont la température est plus élevée grâce au mélange avec les gaz chauds issus du brûleur. Dans un mode réalisation préféré, le moyen de compression d'air comprend également un compresseur motorisé entraîné en rotation par un moteur électrique. La récupération de l'énergie des gaz par la machine rotative à compression par ondes de pression (PWS) permet d'abaisser la consommation du moteur électrique d'entraînement du compresseur motorisé. Dans un mode réalisation avantageux, le moyen de compression d'air comprend également une turbomachine dont la turbine est alimentée par le mélange de gaz provenant à la fois du brûleur et du compartiment cathodique de la pile à combustible. La mi;e en série d'une machine rotative à compression par ondes de pression (PWS) avec une turbomachine, permet d'obtenir une meilleure valorisation de l'énergie contenue dans les gaz issus de la pile à combustible et du brûleur. Les différents organes du moyen de compression d'air peuvent être disposés en série dans un ordre quelconque, en fonction des besoins. Dans une première variante, le premier étage de compression comprend la turbomachine, le deuxième étage de compression comprend la machine rotative à compression par ondes de pression et le troisième étage de compression comprend le compresseur motorisé. Dans une deuxième variante, le premier étage de compression comprend la machine rotative à compression par ondes de pression, le deuxième étage de compression comprend la turbomachine et le troisième étage de compression comprend le compresseur motorisé. Dans une troisième variante enfin, le premier étage de compression comprend la machine rotative à compression par ondes de pression, le deuxième étage de compression comprend le compresseur motorisé et le troisième étage de compression comprend la turbomachine. Dans tous les cas, le brûleur peut être alimenté par de l'air provenant du moyen de compression d'air et/ou par l' oxygèr. e en excès provenant du compartiment cathodique de la pile à combustible. La présente invention sera mieux comprise à l'étude (le quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 illustre schématiquement les principaux organes d'un système de pile à combustible conforme à l'invention ; -la figure 2 illustre schématiquement la structure d'une machine rotative à compression par ondes de pression (PWS) ; et -la figure 3 illustre les principaux organes d'un système de pile à combustible selon un autre mode de réalisation de l'invention. Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le système de pile à combustible comprend une pile à combustible 1, un moyen de production d'un gaz riche en hydrogène référencé 2, qui peut être remplacé par un réservoir de stockage d'hydrogène référencé 3. Le système comprend également un brûleur 4 et un moyen de compression d'air référencé 5 dans son ensemble. La pile à combustible 1 comprend un empilement d'u le pluralité de cellules individuelles, l'ensemble définissant un compartiment anodique 6 et un compartiment cathodique 7. Le moyen de compression 5 comprend un compresseur 8 entraîné en rotation par un moteur électrique 8a, dont l'alimentation en courant électrique est assurée par l'énergie électrique produite par la pile à combustible 1. Le compresseur motorisé 8 constitue le deuxième étage de compression du moyen de compression 5. Le premier étage de compression est constitué par une machine rotative à compression par ondes de pression référencée 9 (également appelée PWS dans la technique). Cette machine rotative 9, dont la structure est visible plus en détail sur la figure 2, comprend un bâti cylindrique 10 à l'intérieur duquel est monté un rotor comportant une pluralité de pales radiales 11. Le rotor avec ses pales radiales 11, est entraîné en rotation par un axe 12 à l'intérieur du bâti cylindrique 10. Les différentes pales radiales 11 forment des canaux axiaux. Pour améliorer le rendement, il est également possible de concevoir plusieurs couches de canaux axiaux séparées par une paroi cylindrique solidaire du rotor. Le bâti cylindrique 10 présente des conduites d'admission 13 et d'échappement 14 situées sur l'une des faces frontales 10a du bâti cylindrique 10. Sur l'autre face frontale 10b, sont disposées des conduites d'admission 15 et d'échappement 16. Le rotor comportant les pales radiales 11 est entraîné en rotation par un moteur électrique, non représenté sur les figures lui-même alimenté en énergie électrique par l'électricité produite par la pile à combustible 1. La vitesse de rotation est commandée par des moyens de commande, non représentés. L'air ambiant à la pression atmosphérique pénètre dans la machine rotative (PWS) 9 par la conduite d'admission 13. Cet air s'écoule à l'intérieur de certains canaux axiaux délimités par les pales radiales 11, lorsque lesdits canaux axiaux se trouvent en face de la conduite d'admission 13. L'air est transporté vers le haut par rapport à la figure 2, compte tenu de la rotation de l'arbre 12, jusqu'à ce que les canaux axiaux en question atteignent une position où ils se trouvent en face de la conduite d'admission 15 par laquelle pénètrent les gaz d'échappement du système. En l'occurrence, il s'agit d'un mélange de gaz provenant à la fois du brûleur 4 par la conduite 17 et du compartiment cathodique 7 de la pile à combustible 1 par la cDnduite 18. Grâce à l'existence des gaz issus du brûleur 4 dans ce mélange, on comprend que la température des gaz issus du compartiment cathodique 7 se trouve augmentée. Etant donné que la pression de ces gaz, admis par la conduite d'admission 15, est supérieure à la pression atmosphérique, il en résulte une onde de pression qui se déplace axialement dans les différents canaux axiaux du rotor, tels qu'ils sont définis par les pales radiales 11. Les lignes 19 indiquées sur les figures indiquent schématic uement les ondes de pression et leur propagation dans les canaux axiaux. Ces ondes de pression augmentent la pression de l'air admis par la conduite d'admission 13, de sorte que cet air se trouve à une pression plus élevée lorsqu'il s'échappe par la conduite d'échappement 14 de la machine rotative 9. Les gaz d'échappement alimentés par conduite d'alimentation 15 s'échappent quant à eux par la conduite d'échappement 16 à une pression inférieure, et sont alors rejetés dans l'atmosphère. L'air comprimé issu de la machine rotative (PWS) 9 est amené par la conduite 14 à l'entrée du compresseur motorisé 8, qui constitue le deuxième étage de compression et qui peut alors finaliser la montée en pression de l'air d'admission. L'air comprimé est ensuite réparti vers la cathode 7 par la conduite 20, vers le système 2 de production et de purification d'hydrogène par la conduite 21 et vers le brûleur 4 par la conduite 22. Le brûleur 4 reçoit en outre par la conduite 23 l'excès d'hydrogène qui n'a pas réagi, en provenance du compartiment cathodique 6 de la pile à combustible 1, ainsi que l'excès d'air n'ayant pas réagi provenant du compartiment cathodique 7 par la conduite 24. Le brûleur 4 peut également, bien que cela ne soit pas indispensable, recevoir du carburant supplémentaire par la conduite 25 en provenance d'un réservoir 26. Il est également possible d'alimenter le brûleur 4 uniquement par de l'air provenant du compartiment cathodique 7 ou encore par une partie seulement de cet air. L'utilisation de la machine rotative 9 à compression par ondes de pression (PWS) est particulièrement intéressante, son fonctionnement étant adapté au niveau des températures des gaz d'échappement du système de pile à combustible qui sont généralement comprises entre 300 C et 600 C. On notera qu'une certaine quantité des gaz d'échappement se trouve mélangée dans l'air comprimé issu de la machine rotative 9, ce qui peut éventuellement dirzinuer les performances de la pile à combustible 1, l'alimentation de la cathode se faisant alors avec de l'air moins riche en oxygène. On sait cependant dimensionner et concevoir une telle machine rotative à compression, de façon à réduire au maximum la proportion des gaz d'échappement se retrouvant à la sortie de l'air comprimé. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation, dan;> lequel les organes identiques à ceux figurant sur la figure 1 portent les mêmes références. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le moyen de compression 5 présente trois étages de compression au lieu de deux. Un premier étage est constitué par une turbomachine 27 comprenant un compresseur 28 et une turbine 29 montés sur un arbre mécanique commun 30. Le deuxième étage de compression est constitué par une machine rotative à compression (PWS) référencée 9 et le troisième étage est constitué par un compresseur motorisé 8. L'air à la pression atmosphérique subit une première compression dans le compresseur 28 avant d'être amené à l'entrée de la machine rotative (PWS) 9 par la conduite d'admission 13. Le compresseur 28 est entraîné en rotation par la turbine 29, qui reçoit les gaz provenant de la conduite d'échappement 16 à la sortie de la machine rotative 9. Dans ce mode de réalisation, le moyen de compression 5 comporte donc trois étages de compression, ce qui améliore encore le rendement de l'ensemble. L'association de la turbomachine 27 et de la machine rotative à compression par ondes de pression 9, ?ermet une meilleure valorisation des gaz d'échappement du système de pile à combustible et d'abaisser encore la consommation électrique du compresseur motorisé 8. Dans un tel mode de réalisation, il est possible de modifier la disposition des différents organes de compression. On peut ainsi inverser la position de la turbomachine 27 et celle de a machine rotative 9. Le moyen de compression 5 présente alors un premier étage de compression constitué par la machine rotative à compression par ondes de pression 9, un deuxième étage constitué par la turbomachine 27 et un troisième étage constitué par le compresseur motorisé 8. Il est également possible de placer le compresseur motorisé entre la turbomachine 27 et la machine rotative 9, de façon que le compresseur motorisé 8 constitue le deuxième étage de compression. REVENDICATIONS 1-Système de pile à combustible comprenant une pile à combustible (1), un moyen (2, 3) de stockage ou de production de gaz riche en hydrogène, un moyen (5) de compression d'air capable d'alimenter la pile à combustible en air comprimé et un brûleur (4) alimenté par de l'air et par du gaz contenant l'hydrogène en excès en provenance du compartiment anodique de la pile à combustible, caractérisé par le fait que le moyen de compression d'air comprend une machine rotative à compression par ondes de pression (9) alimentée par un mélange de gaz provenant à la fois du brûleur (4) et du compartiment cathodique (7) de la pile à combustible (1). 2-Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen de compression d'air comprend également un compresseur motorisé (8) entraîné en rotation par un moteur électrique (9). 3-Système selon les revendications 1 ou 2, dans lequel le moyen de compression d'air comprend également une turbomachine (27) dont la turbine est alimentée par le mélange de gaz provenant à la fois du brûleur et du compartiment cathodique de la pile à combustible. 4-Système selon la revendication 3, dans lequel le premier étage de compression comprend la turbomachine, le deuxième étage de compression comprend la machine rotative à compression par ondes de pression et le troisième étage de compression comprend le compresseur motorisé. 5-Système selon la revendication 3, dans lequel le premier étage de compression comprend la machine rotative à compression par ondes de pression, le deuxième étage de compression comprend la turbomachine et le troisième étage de compression comprend le compresseur motorisé. 6-Système selon la revendication 3, dans lequel le premier étage de compression comprend la machine rotative à compression par ondes de pression, le deuxième étage de compression comprend le compresseur motorisé et le troisième étage de compression comprend la turbomachine. 7-Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le brûleur est alimenté par de l'air provenant du moyen de compression d'air et/ou par l'oxygène en excès provenant du compartiment cathodique de la pile à combustible.