Brevet FR2887077A1 — publié le 20061215

"Installation de production d'énergie comportant une pile à combustible et comportant un échangeur de chaleur" 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: - une pile à combustible qui comporte une cathode io alimentée en continu avec un comburant et qui comporte une anode alimentée en continu avec un carburant; - une conduite d'évacuation cathodique qui évacue le comburant usagé froid; - une conduite d'évacuation anodique qui évacue le is carburant usagé froid; - un brûleur qui est alimenté en carburant usagé anodique par la conduite d'évacuation anodique et qui est destiné à produire de la chaleur en brûlant un mélange du carburant usagé anodique et d'air, les gaz d'échappement chauds produits par le brûleur étant rejetés dans une conduite aval d'échappement; - une turbine qui est interposée dans la conduite d'échappement; et du type dans lequel la conduite d'évacuation cathodique est raccordée à la conduite de gaz d'échappement en amont de la turbine de manière que la turbine soit entraînée par un mélange tiède de comburant usagé cathodique froid et de gaz d'échappement chauds. Une pile à combustible comporte en général un électrolyte 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 carburant 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 carburant et de comburant respectivement. Le carburant et le comburant ne sont pas forcément purs, ils peuvent aussi être dilués dans d'autres io 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 et le carburant sont généralement comprimés de manière à améliorer le rendement de la pile à combustible. Par ailleurs, dans l'état actuel de la technique, le stockage 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. Il est donc connu de produire au moins une partie de l'hydrogène (H2) directement à bord du véhicule à partir d'hydrocarbures, tels que l'essence, l'éthanol 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 reformât ainsi obtenu est éventuellement purifié avant d'alimenter l'anode. Pour que l'opération de reformage soit amorcée, le 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 avec un comburant tel que de l'air. Le brûleur est aussi avantageusement utilisé pour brûler le io carburant usagé anodique rejeté par l'anode de la pile à combustible. Il est en effet potentiellement dangereux de rejeter du carburant non consommé, tel que de l'hydrogène, dans l'atmosphère. Les gaz de combustion chauds produits par le brûleur sont is 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. La turbine est avantageusement utilisée pour entraîner un compresseur qui comprime l'air qui alimente la cathode. Le rendement global de l'installation est ainsi amélioré. Cependant, les gaz d'échappement sortant de la turbine comportent encore de l'énergie calorifique qui n'est pas exploitée. Pour remédier à ce problème, l'invention propose une installation de production d'énergie électrique perfectionnée qui est caractérisée en ce qu'elle comporte un échangeur de chaleur qui est agencé de manière à transmettre une partie de la chaleur du mélange tiède au comburant usagé cathodique froid et/ou au carburant usagé anodique froid. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - l'échangeur de chaleur est agencé de manière à prélever la chaleur du mélange tiède circulant dans la conduite d'échappement en aval de la turbine; -l'échangeur de chaleur est agencé de manière à transmettre la chaleur du mélange tiède au comburant usagé froid, et l'installation comporte une conduite de dérivation qui raccorde la conduite d'évacuation cathodique au brûleur de manière à alimenter le brûleur avec au moins une partie du comburant usagé ; - l'échangeur de chaleur est agencé de manière à transmettre de la chaleur au comburant usagé froid circulant dans la conduite d'évacuation cathodique en amont du point de raccordement de la conduite de dérivation; - l'échangeur de chaleur est agencé de manière à io transmettre de la chaleur au comburant usagé froid circulant dans la conduite d'évacuation cathodique en aval du point de raccordement avec la conduite de dérivation; - l'échangeur de chaleur est agencé de manière à transmettre de la chaleur au comburant usagé froid circulant dans is la conduite de dérivation; - l'échangeur de chaleur est agencé de manière à transmettre de la chaleur au carburant usagé froid circulant dans la conduite d'évacuation anodique. 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 parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique qui représente une installation de production d'électricité connue qui comporte une pile à combustible; - la figure 2 est une vue schématique qui représente une installation de production d'électricité qui est réalisée selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2 qui représente une installation de production d'électricité qui est réalisée selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 2 qui représente une installation de production d'électricité qui est réalisée selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Dans la suite de la description, des éléments analogues, similaires ou identiques seront désignés par des mêmes numéros de référence. On adoptera par la suite une direction d'écoulement des s fluides qui est orientée de l'amont vers l'aval, comme indiqué par les flèches des figures. On a représenté à la figure 1 une installation 10 de production d'électricité de l'état de la technique. Cette installation 10 est ici embarquée à bord d'un véhicule automobile. io 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 carburant qui est ici de l'hydrogène H2 par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation anodique 18. Lors du passage du carburant dans l'anode 14, une partie du carburant est consommée par la pile à combustible 12, puis le carburant usagé anodique qui est appauvri en hydrogène est rejeté dans une conduite d'évacuation anodique 20. De même, la cathode 16 est alimentée en continu avec un comburant, qui est ici de l'air atmosphérique, par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation cathodique 22. La conduite d'alimentation cathodique 22 est représentée en traits interrompus aux figures. Par la suite, les conduites dans lesquelles circule 25 uniquement du comburant seront représentées en traits interrompus aux figures. Lors du passage du comburant dans la cathode 16, une partie de l'oxygène 02 contenu dans l'air est consommée par la pile à combustible 12, puis le comburant usagé cathodique qui est appauvri en oxygène, est évacué dans une conduite d'évacuation cathodique 24. Au moins une partie de l'hydrogène servant de carburant est ici produit à bord du véhicule à partir d'hydrocarbures tel que de l'essence par un reformeur 26 lors d'une opération dite de reformage. Le reformeur 26 est alimenté en hydrocarbures par un réservoir d'hydrocarbures (non représenté). Le reformeur 26 est aussi alimenté en air par une conduite de ponction 28 qui est raccordée à la conduite d'alimentation cathodique 22. Le reformeur 26 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 io reformeur 26 produit un reformât qui constitue le carburant, 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. Selon une variante non représentée de l'invention, l'installation 10 comporte aussi un dispositif de purification du is reformât qui est apte à éliminer certains composants chimiques nuisibles pour la pile à combustible 12 avant que le reformât n'alimente l'anode 14. Pour être opérationnel, c'est-à-dire pour produire du reformât, le reformeur 26 doit être chauffé et maintenu au-delà 20 d'une température de fonctionnement "T". A cet effet, l'installation 10 comporte un brûleur 30 qui est apte à produire une quantité de chaleur suffisante pour chauffer le reformeur 26 au-delà de sa température de fonctionnement "T". La chaleur est par exemple transmise depuis le brûleur 30 jusqu'au reformeur 26 par un dispositif d'échange de chaleur qui n'est pas représenté ici pour des raisons de clarté des figures. Le brûleur 30 produit de la chaleur en brûlant un mélange de carburant usagé anodique et d'air. Ainsi, l'hydrogène résiduel contenu dans le carburant usagé anodique est brûlé avant d'être rejeté dans l'atmosphère. A cet effet, la conduite d'évacuation anodique 20 est raccordée au brûleur 30, et le brûleur 30 est alimenté en air comprimé par l'intermédiaire d'une conduite d'admission d'air 31 qui est raccordée en dérivation à la conduite d'alimentation cathodique 22. Comme représenté à la figure 1, l'anode 14 peut aussi être alimentée en carburant par un réservoir de stockage de carburant s 32 qui est raccordé à la conduite d'alimentation anodique 18 par l'intermédiaire d'une conduite 34. Lorsque l'anode 14 est alimentée uniquement par le réservoir de stockage 32, le reformeur 26 n'a pas besoin d'être chauffé, mais le brûleur 30 fonctionne tout de même de manière à io brûler l'hydrogène résiduel contenu dans le carburant usagé anodique sortant de l'anode 14 de la pile à combustible 12. Les gaz d'échappement chauds produits par le brûleur 30 sont ensuite évacués vers l'atmosphère par une conduite d'échappement 36. Par ailleurs, l'installation 10 comporte un dispositif 38 de compression de l'air d'alimentation qui est ici un compresseur 38. Le compresseur 38 est agencé dans la conduite d'alimentation cathodique 22, en amont des points de raccordement de la conduite de ponction 28 et de la conduite d'admission d'air 31. Le compresseur 38 est destiné à comprimer l'air servant de comburant qui est admis dans la conduite d'alimentation cathodique 22, dans la conduite de ponction 28 et dans la conduite d'admission d'air 31. Ainsi, tout au long de son circuit, c'est-à-dire dans la conduite d'alimentation cathodique 22, dans la conduite de ponction 28, dans la conduite d'admission d'air 31, dans la cathode 16 et dans la conduite d'évacuation cathodique 24, le comburant est sous pression. Le compresseur 38 est ici notamment entraîné par un moteur électrique (non représenté). Cependant, le moteur électrique 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 36. Le système de valorisation des gaz d'échappement comporte ici des moyens de détente des gaz, et notamment une turbine 40 qui est agencée dans la conduite d'échappement 36. La turbine 40 est entraînée en rotation par les gaz d'échappement chauds qui sont comprimés sous une pression voisine de la pression à laquelle le comburant a été comprimé par le compresseur 38 dans la conduite d'alimentation cathodique 22. La turbine 40 est ici reliée mécaniquement au compresseur 38 de manière à participer à l'entraînement du compresseur 38, io pour améliorer le rendement global de la pile à combustible. De manière connue, la conduite d'évacuation cathodique 24 est raccordée à la conduite d'échappement 36 en aval du brûleur 30 et en amont de la turbine 40 de manière que le comburant usagé cathodique sous pression participe à is l'entraînement de la turbine 40. Ainsi, la turbine 40 est alimentée par un mélange de comburant usagé cathodique et de gaz d'échappement. Les gaz d'échappement et le comburant usagé cathodique ont une pression sensiblement identique. Cependant, la température des gaz d'échappement est sensiblement plus élevée que la température du comburant usagé cathodique. Par la suite, les gaz d'échappement seront donc qualifiés de "chauds" et le comburant usagé cathodique sera qualifié de "froid". Ainsi, lorsque le comburant usagé cathodique froid se mélange avec les gaz d'échappement chauds, la température du mélange est sensiblement inférieure à la température des gaz d'échappement chauds à la sortie du brûleur 30. Le mélange sera donc qualifié de "tiède" par la suite. Or, après son passage à travers la turbine 40, le mélange tiède est porteur d'énergie calorifique qui n'est pas exploitée dans l'installation 10 représentée à la figure 1. Selon un premier mode de réalisation de l'invention qui est représenté à la figure 2, l'installation 10 comporte un échangeur de chaleur 42 qui est agencé de manière à transmettre une partie de la chaleur du mélange tiède au comburant usagé froid. Un tronçon 44 de la conduite d'échappement 36 qui est situé en aval de la turbine 40, est ici agencé de manière adjacente à un tronçon 46 de la conduite d'évacuation cathodique 24. Ces deux tronçons adjacents 44, 46 sont agencés dans l'échangeur de chaleur 42. L'échangeur de chaleur 42 est en effet avantageusement agencé dans la conduite d'échappement 36 en aval de la turbine io 40 de manière à ne pas provoquer de pertes de charge dans la conduite d'échappement 36 avant que le mélange tiède ait traversé la turbine 40, ce qui diminuerait le rendement de la turbine 40. L'échangeur de chaleur 42 pompe ainsi la chaleur portée is par le mélange tiède en aval de la turbine 40 pour la transmettre au comburant usagé cathodique circulant dans la conduite d'évacuation cathodique 24. La température "Tc" du comburant usagé cathodique froid circulant dans la conduite d'évacuation cathodique 24 en aval de l'échangeur de chaleur 42 est ainsi sensiblement augmentée jusqu'à une température "Tc+ dTl". Cette augmentation de température du comburant usagé cathodique se répercute en une augmentation de la température "Tm" du mélange tiède dans la conduite d'échappement 36 jusqu'à une température "Tm+ÈT1". Ce mélange tiède de température "Tm+ÈT1" passe ensuite dans la turbine 40 qui convertie une partie de cette chaleur supplémentaire en travail mécanique. La température "Tm+ÈT2" du mélange tiède à la sortie de la turbine 40 est sensiblement supérieure à sa température initiale "Tm". L'échangeur de chaleur 42 peut donc transmettre une plus grande quantité de chaleur au comburant usagé cathodique froid dont la température augmente alors jusqu'à une température "Tc+dT2" qui est supérieure à la température "Tc+ dT1" du cycle précédent. i0 Cette boucle se poursuit de manière que la température "Tm" du mélange tiède augmente graduellement en tendant vers la température des gaz d'échappement. La température maximale "TmMax" que peut ainsi atteindre le mélange tiède dépend principalement de l'efficacité de l'échangeur de chaleur 42. Ce phénomène d'augmentation de la température du mélange tiède est ici favorisé par le fait que le débit de mélange tiède dans le tronçon 44 de la conduite d'échappement 36 est io supérieur au débit de comburant usagé froid dans le tronçon 46 de la conduite d'évacuation cathodique 24. De plus, la vitesse initiale d'augmentation de la température du mélange tiède est sensiblement proportionnelle à la différence de température initiale du mélange tiède et celle du is comburant usagé froid. La vitesse d'augmentation de la température décroît au fur et à mesure que la température du mélange tiède augmente. Une telle installation permet d'augmenter le travail mécanique fourni par la turbine 40 au compresseur 38. Ce travail est en effet non seulement proportionnel à la pression du mélange tiède qui l'alimente, mais il est aussi proportionnel à la température du mélange tiède. L'augmentation de la température du mélange tiède permet donc d'augmenter le rendement de la turbine 40. Selon un deuxième mode de réalisation qui est représenté à la figure 3, au lieu d'être alimenté en air par la conduite d'admission d'air 31, le brûleur 30 est alimenté par du comburant usagé cathodique par l'intermédiaire d'une conduite de dérivation cathodique 50. Une telle installation permet avantageusement de diminuer le travail à fournir par le compresseur 38 car le débit d'air est globalement diminué. Il n'est en effet plus nécessaire d'alimenter la conduite d'admission 31. 2887077 Il Ainsi, de manière connue, une extrémité amont de la conduite de dérivation cathodique 50 est raccordée en dérivation à la conduite d'évacuation cathodique 24 tandis que son extrémité aval est raccordée au brûleur 30. Selon les enseignements de l'invention, l'échangeur de chaleur 42 est agencé de manière à transmettre une partie de la chaleur du mélange tiède au comburant usagé froid en amont du point de raccordement de la conduite de dérivation cathodique 50 à la conduite d'évacuation cathodique 24. io Le tronçon 44 de la conduite d'échappement 36 qui est situé en aval de la turbine 40, est ici agencé de manière adjacente au tronçon 46 de la conduite de d'évacuation cathodique 24 qui est situé en amont de l'extrémité amont de la conduite de dérivation cathodique 50. Ces deux tronçons is adjacents 44, 46 sont agencés dans l'échangeur de chaleur 42. Le comburant usagé cathodique est ainsi réchauffé avant de se mélanger avec les gaz d'échappement chauds, ce qui procure les mêmes avantages que ceux décrits précédemment pour le premier mode de réalisation. De plus, le comburant usagé circulant dans la conduite de dérivation cathodique 50 vers le brûleur 30 est aussi réchauffé. Ceci a pour effet d'améliorer les performances du brûleur 30, et notamment d'augmenter la chaleur 30 dégagée par le brûleur 30. Le brûleur 30 fonctionnant de manière plus performante, la température des gaz d'échappement est avantageusement augmentée, ce qui permet d'augmenter la température du mélange tiède qui alimente la turbine 40. Selon une variante non représentée du deuxième mode de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur 42 est agencé de manière à transmettre une partie de la chaleur du mélange tiède au comburant usagé froid circulant dans la conduite d'évacuation cathodique 24 en aval de l'extrémité amont de la conduite du dérivation cathodique 50, tandis que le comburant usagé cathodique froid circulant dans la conduite de dérivation cathodique 50 n'est pas réchauffé. Le tronçon 44 de la conduite d'échappement 36 qui est situé en aval de la turbine 40, est ainsi agencé de manière adjacente à un tronçon de la conduite de d'évacuation cathodique 24 qui est situé en aval de l'extrémité amont de la conduite de dérivation cathodique 50. Ces deux tronçons adjacents sont agencés dans l'échangeur de chaleur 42. Selon une autre variante du deuxième mode de réalisation lo de l'invention, l'échangeur de chaleur 42 est agencé de manière à transmettre une partie de la chaleur du mélange tiède uniquement au comburant usagé froid circulant dans la conduite de dérivation cathodique 50. Le tronçon 44 de la conduite d'échappement 36 qui est 1s situé en aval de la turbine 40, est ainsi agencé de manière adjacente à un tronçon de la conduite de dérivation cathodique 50. Ces deux tronçons adjacents 44, 46 sont agencés dans l'échangeur de chaleur 42. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention qui est représenté à la figure 4, l'échangeur de chaleur 42 est agencé de manière à transmettre une partie de la chaleur du mélange tiède au carburant usagé anodique. Dans l'exemple représenté à la figure 4, la structure de l'installation 10 est similaire à la structure de l'installation 10 du premier mode de réalisation qui est représenté à la figure 2. Le brûleur 30 est notamment alimenté par la conduite d'admission d'air 31. Seule la disposition de l'échangeur de chaleur 42 change. Plus particulièrement, le tronçon 44 de la conduite d'échappement 36 qui est situé en aval de la turbine 40, est ici agencé de manière adjacente à un tronçon 48 de la conduite de d'évacuation anodique 20. Ces deux tronçons adjacents 44, 46 sont agencés dans l'échangeur de chaleur 42. Le carburant usagé anodique comporte de l'eau. Or, la température du carburant usagé anodique est suffisamment froide pour qu'au moins une partie de cette eau soit présente sous forme liquide dans la conduite d'évacuation anodique 20. Cette eau liquide risque de diminuer les performances du brûleur 30, voire d'empêcher la combustion du carburant usagé anodique. La chaleur apportée par le mélange tiède par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 42 permet d'augmenter la température du carburant usagé anodique suffisamment pour lo faire évaporer l'eau présente dans le carburant usagé anodique. Les performances du brûleur 30 sont ainsi préservées, ce qui permet notamment d'augmenter la température des gaz d'échappement. Cette augmentation de température se répercute en une augmentation de la température du mélange tiède qui peut être exploitée par la turbine 40. REVENDICATIONS 1. Installation (10) de production d'énergie électrique, notamment à bord d'un véhicule automobile, comportant: - une pile à combustible (12) qui comporte une cathode (16) alimentée en continu avec un comburant et qui comporte une anode (14) alimentée en continu avec un carburant; - une conduite d'évacuation cathodique (24) qui évacue le comburant usagé froid; - une conduite d'évacuation anodique (20) qui évacue le carburant usagé froid; - un brûleur (30) qui est alimenté en carburant usagé anodique par la conduite d'évacuation anodique (20) et qui est destiné à produire de la chaleur en brûlant un mélange du carburant usagé anodique et d'air, les gaz d'échappement chauds 1s produits par le brûleur (30) étant rejetés dans une conduite aval d'échappement (36) ; - une turbine (40) qui est interposée dans la conduite d'échappement (36) ; et du type dans lequel la conduite d'évacuation cathodique (24) est raccordée à la conduite de gaz d'échappement (36) en amont de la turbine (40) de manière que la turbine (40) soit entraînée par un mélange tiède de comburant usagé cathodique froid et de gaz d'échappement chauds, caractérisée en ce qu'elle comporte un échangeur de chaleur (42) qui est agencé de manière à transmettre une partie de la chaleur du mélange tiède au comburant usagé cathodique froid et/ou au carburant usagé anodique froid. 2. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (42) est agencé de manière à prélever la chaleur du mélange tiède circulant dans la conduite d'échappement (36) en aval de la turbine (40). 3. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (42) est agencé de manière à transmettre la chaleur du mélange tiède au comburant usagé froid, et en ce qu'elle comporte une conduite de dérivation (50) qui raccorde la conduite d'évacuation cathodique (24) au brûleur (30) de manière à alimenter le brûleur (30) avec au moins une partie du comburant usagé. 4. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (42) est agencé de manière à transmettre de la chaleur au comburant usagé froid circulant dans la conduite d'évacuation cathodique (24) en amont du point de raccordement de la conduite de dérivation (50). 5. Installation (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (42) est agencé de manière à transmettre de la chaleur au comburant usagé froid circulant dans la conduite d'évacuation cathodique (24) en aval du point de raccordement avec la conduite de dérivation (50). 6. Installation (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (42) est agencé de manière à transmettre de la chaleur au comburant usagé froid circulant dans la conduite de dérivation (50). 7. Installation (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (42) est agencé de manière à transmettre de la chaleur au carburant usagé froid circulant dans la conduite d'évacuation anodique (20).