Brevet FR2887371A1 — publié le 20061222

Système de production d'énergie électrique à l'aide d'une pile à combustible et procédé de mise en oeuvre La présente invention est relative à la production d'énergie électrique au moyen d'un dispositif de pile à combustible pouvant être utilisé notamment pour la propulsion d'un véhicule automobile utilisant un ou plusieurs moteurs électriques. Les dispositifs de pile à combustible qui peuvent être de différents types permettent la production d'énergie électrique par exemple à partir de la consommation d'hydrogène ou d'un gaz riche en hydrogène et d'oxygène ou d'air. L'hydrogène peut par exemple être stocké à bord du véhicule. En variante, l'hydrogène peut être produit dans le véhicule lui- même à l'aide d'un dispositif reformeur alimenté en carburant hydrogéné tel que de l'essence, du gasoil, de l'éthanol, etc. Une telle pile à combustible utilise généralement à titre de gaz riche en oxygène, l'air extérieur qui contient, comme on le sait, 21 % d'oxygène. Cet air peut alors alimenter la partie cathodique de la pile à combustible et servir également, s'il y a lieu, aux différentes réactions de reformage pour la production d'hydrogène. Une pile à combustible est généralement constituée d'une pluralité de cellules unitaires électrochimiques montées en série. Les difficultés rencontrées lors de la mise en oeuvre de tels dispositifs résident dans les dimensions de l'assemblage de ces cellules. En effet, pour obtenir l'énergie électrique souhaitée, le volume et la masse de l'assemblage des cellules de la pile à combustible ainsi que le coût en résultant, sont parfois prohibitifs. Pour améliorer le rendement d'ensemble d'un système de production d'énergie électrique comprenant une pile à combustible, on prévoit généralement un turbocompresseur capable d'élever la pression de l'air à l'entrée du reformeur et de la pile à combustible. Une turbine montée sur le même arbre que le compresseur peut recevoir les gaz imbrûlés ou inutilisés provenant d'un brûleur associé au reformeur ou du 2887371 2 compartiment cathodique de la pile à combustible. Ces gaz, en se détendant dans la turbine, permettent l'entraînement du compresseur. La présente invention a pour objet d'améliorer encore le rendement d'un tel système. L'invention a également pour objet de faciliter l'évacuation de la chaleur produite dans la pile à combustible. L'invention a encore pour objet de permettre la réalisation d'un assemblage de cellules individuelles pour pile à combustible qui soit particulièrement compact et donc d'un coût réduit tout en maintenant un niveau de rendement acceptable. L'invention a encore pour objet de réduire la durée de la période de démarrage du système par augmentation de la température des gaz en sortie du brûleur associé à un dispositif reformeur. Dans un mode de réalisation, le système de production d'énergie électrique, notamment pour véhicule automobile, comprend un dispositif de pile à combustible alimenté par un flux d'air comprimé et par un flux d'hydrogène ou d'un gaz riche en hydrogène. Le système comprend un dispositif monté dans la conduite d'alimentation en air comprimé, pour l'enrichissement en oxygène de l'air d'alimentation. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif d'enrichissement en oxygène comprend un dispositif à membrane sélective et un moyen pour l'établissement d'un gradient de pression, tel que par exemple une pompe à vide montée en aval du dispositif d'enrichissement. Le rendement de la pile à combustible peut ainsi être amélioré ou les dimensions de la pile réduites pour un même rendement. Avantageusement, le système comprend un dispositif de compresseur pour élever la pression de l'air alimentant les différents organes. Dans ce cas, la pompe à vide et le dispositif d'enrichissement sont montés en amont du compresseur. Le système peut utiliser de l'hydrogène contenu dans un réservoir embarqué sur le véhicule. Toutefois, le système comprend de préférence un dispositif reformeur pour la production d'un gaz riche en hydrogène à partir d'un carburant hydrocarboné. 2887371 3 Un brûleur peut alors être associé au dispositif reformeur. Dans un mode de réalisation avantageux, une partie des gaz non utilisés dans la pile à combustible est amenée à une turbine de détente couplée mécaniquement au dispositif de compresseur. Le dispositif d'enrichissement peut par exemple comprendre un corps creux séparé par la membrane sélective entre une zone de perméat enrichi en oxygène et une zone de rétentat appauvri en oxygène. Dans un mode de réalisation, le dispositif d'enrichissement comprend une pluralité de fibres microporeuses sélectivement perméables à travers lesquelles l'air comprimé à enrichir est amené à circuler. La ou les membranes sélectives peuvent être choisies de façon appropriée. Elles peuvent par exemple comprendre un copolymère de perfluoro-2,2diméthyle-1,3-dioxole et de tétrafluoroéthylène. Selon un aspect plus général, l'invention est relative à un procédé de production d'énergie électrique au moyen d'un dispositif de pile à combustible alimenté par un flux d'air comprimé et par un flux d'un gaz permettant la production d'électricité, tel que de l'hydrogène ou un gaz riche en hydrogène, notamment pour véhicule automobile, comprenant une étape préliminaire d'enrichissement en oxygène de l'air alimentant la pile à combustible. L'enrichissement en oxygène est de préférence réalisé en forçant un flux d'air à travers une ou plusieurs membranes perméables sélectives. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation faite à titre d'exemple et illustré par le dessin annexé qui montre schématiquement l'architecture générale d'un système de production électrique selon l'invention. Tel qu'il est illustré sur la figure, le système de production d'énergie électrique comprend un dispositif de pile à combustible 1, constitué par un empilement de cellules individuelles montées en série et non illustrées précisément sur la figure. Le système comprend en outre un dispositif reformeur 2 associé à un brûleur 3. Enfin, le 2887371 4 système comprend également un dispositif 4 pour l'enrichissement en oxygène de l'air d'alimentation. Dans l'exemple illustré, l'ensemble du système de production d'énergie électrique est monté dans un véhicule automobile. Un réservoir de carburant 5, par exemple de l'essence ou du gasoil, permet l'alimentation en carburant hydrogéné du reformeur 2 par une conduite 6 et du brûleur 3 par une conduite 7. Un réservoir d'eau 8 permet l'alimentation en eau du reformeur 2 par la conduite 9. De l'air comprimé enrichi en oxygène est amené sur le reformeur 2 par la conduite 10 et sur le brûleur 3 par la conduite 11. A cet effet, un flux d'air extérieur schématisé par la flèche 12, est amené sur le dispositif d'enrichissement en oxygène référencé 4 dans son ensemble. On connaît, d'une manière générale, des dispositifs d'enrichissement de l'air en oxygène développés pour des applications médicales tels que décrits par exemple dans le brevet US 6 126 721. De tels dispositifs d'aide à la respiration peuvent par exemple comprendre des systèmes de membrane sélectivement perméable. De tels systèmes de membrane peuvent par exemple comprendre une pluralité de fibres creuses revêtues d'un substrat approprié qui permet d'obtenir le caractère de perméabilité sélective recherché. Comme décrit par exemple dans le brevet US 6 126 721 auquel on pourra se reporter, on peut utiliser un corps tubulaire présentant une pluralité de fibres creuses en communication avec un plénum d'entrée pour l'air extérieur et un plénum de sortie pour de l'air appauvri en oxygène. On récupère alors, sur un orifice de sortie, l'air enrichi en oxygène constituant le perméat, qui a traversé la paroi des différentes fibres creuses. Le système de production d'énergie électrique illustré sur la figure annexée repose sur le même principe. Une chambre 13 comportant une ou plusieurs membranes sélectivement perméables notées globalement 14 est montée dans la conduite d'alimentation en air. La chambre 13 reçoit l'air extérieur 12 tandis qu'à la sortie 15 le perméat est de l'air enrichi en oxygène. Le rétentat est constitué par 2887371 5 de l'air enrichi en azote et appauvri en oxygène et est rejeté par la conduite 16. Pour améliorer les performances de fonctionnement de la chambre à membrane 13, une pompe à vide 17 est montée en aval de la chambre à membrane 13. La pompe à vide est entraînée par un moteur électrique 18 et crée une dépression sur la sortie 15 de la chambre à membrane 13. Il est ainsi possible d'obtenir un air enrichi en oxygène jusqu'à environ 31 % d'oxygène. L'établissement d'un gradient de pression de part et d'autre de la chambre 13 peut également être réalisé par d'autres moyens que la pompe à vide 17, par exemple en disposant une soufflante ou tout autre dispositif de compression, en amont de la chambre 13. La nature des membranes sélectives et des revêtements qu'elles comportent, généralement constitués de matériaux polymères qui équipent ces membranes, est classique dans le domaine des membranes sélectivement perméables. D'excellents résultats peuvent être par exemple obtenus en utilisant un copolymère de perfluoro 2,2-diméthyle 1,3-dioxole et de tétrafluoroéthylène. D'autres exemples sont mentionnés notamment dans le brevet US 6 126 721. L'air enrichi en oxygène ainsi produit est ensuite amené sur un premier étage de compression comprenant un compresseur 19 entraîné par un moteur électrique 20. En sortie du compresseur 19, l'air comprimé enrichi en oxygène traverse un échangeur de chaleur 21 où il subit une diminution de température avant d'être amené à l'entrée d'un turbocompresseur comprenant un compresseur 22 monté sur le même arbre mécanique 23 qu'une turbine 24. L'air enrichi en oxygène ayant ainsi subi une deuxième compression est amené, comme il a été dit précédemment, par la conduite 10 à l'entrée du reformeur 2 et par la conduite 11 à l'entrée du brûleur 3. De plus, cet air enrichi en oxygène alimente le compartiment cathodique 25 de la pile à combustible 1 par la conduite 26 après avoir subi un refroidissement dans un échangeur de chaleur 27. Le compartiment anodique 28 de la pile à combustible 1 reçoit quant à lui par la conduite 29, le gaz riche en hydrogène qui a été 2887371 6 produit dans le reformeur 2. Un condenseur 30 élimine la vapeur d'eau subsistant dans le gaz riche en hydrogène produit par le reformeur 2. L'hydrogène non-consommé dans la pile à combustible 1 et issu du compartiment anodique 28 par la conduite de sortie 31 traverse un condenseur 32 avant d'être ramené par la conduite 33 sur le brûleur 3 où il participe à la génération d'énergie thermique. L'air comprimé qui n'a pas été utilisé dans la pile à combustible 1 sort par la conduite 34, traverse un condenseur 35 avant d'être amené par la conduite 36 à l'entrée de la turbine 24, ce qui permet l'entraînement du compresseur 22. L'air détendu s'échappe ensuite par la conduite d'échappement 37. Un échangeur de chaleur 38 permet la récupération d'une partie de l'énergie thermique générée par le brûleur 3 et assure le maintien en température du reformeur 2. Les gaz issus du brûleur 3 traversent l'échangeur 38 et sont ensuite amenés par la conduite 39 à l'entrée de la turbine 24. Grâce à l'enrichissement en oxygène de l'air comprimé alimentant la pile à combustible, il est possible d'obtenir une augmentation sensible du rendement global du système de production d'énergie électrique. Alternativement, si l'on maintient le rendement de la pile à combustible constant, il est possible de diminuer le volume et la masse de l'empilement d'unités de la pile à combustible réduisant ainsi l'encombrement et le coût de l'ensemble du système de production d'énergie. L'augmentation de la richesse en oxygène du gaz alimentant la pile à combustible permet d'atteindre plus rapidement la température nécessaire pour la récupération de l'eau liquide ans les condenseurs montés en aval de la pile à combustible. Cette température de fin de condensation est en effet plus élevée à stoechiométrie égale étant donné la réduction de la quantité de gaz inerte à refroidir. Il en résulte une meilleure gestion thermique du système. Par ailleurs, l'augmentation de la richesse en oxygène du gaz alimentant le brûleur permet une augmentation de la température des gaz en sortie du brûleur 3, entraînant une plus grande quantité 2887371 7 d'énergie récupérée sur la turbine 24 et une réduction de la durée de la phase de démarrage du brûleur, ce qui permet d'obtenir plus rapidement la production souhaitée d'énergie électrique par l'ensemble du système. 8 REVENDICATIONS 1. Système de production d'énergie électrique du type comprenant un dispositif de pile à combustible (1) alimenté par un flux d'air comprimé et par un flux d'un gaz tel que l'hydrogène ou un gaz riche en hydrogène, notamment pour véhicule automobile, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif (4) d'enrichissement en oxygène de l'air d'alimentation, monté dans la conduite d'alimentation en air comprimé. 2. Système de production d'énergie électrique selon la revendication 1, dans lequel le dispositif d'enrichissement en oxygène comprend une membrane (14) à perméabilité sélective, et un moyen pour établir un gradient de pression, tel qu'une pompe à vide (17) étant montée en aval du dispositif d'enrichissement. 3. Système de revendication 2, dans d'enrichissement (13) compresseur (19, 22). 4. Système de revendication 3, production d'énergie électrique selon la lequel la pompe à vide (17) et le dispositif sont montés en amont d'un dispositif de production d'énergie électrique selon la la comprenant un dispositif reformeur (2) pour production du gaz riche en hydrogène à partir d'un carburant hydrocarboné. 5. Système de production d'énergie électrique selon la revendication 4, comprenant un brûleur (3) associé au dispositif reformeur (2). 6. Système de production d'énergie électrique selon les revendications 4 ou 5, dans lequel une partie des gaz non utilisés dans la pile à combustible est amenée à une turbine de détente (24) couplée mécaniquement au dispositif de compresseur (22). 7. Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel le dispositif d'enrichissement comprend un corps creux séparé par la membrane sélective entre une zone de perméat enrichi en oxygène et une zone de rétentat appauvri en oxygène. 2887371 9 8. Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel le dispositif d'enrichissement comprend une pluralité de fibres microporeuses sélectivement perméables à travers lesquelles l'air comprimé à enrichir est amené à circuler. 9. Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 8, dans lequel la ou les membranes sélectives comprennent un copolymère de perfluoro-2,2-diméthyle-1,3-dioxole et de tétrafluoroéthylène. 10. Procédé de production d'énergie électrique au moyen d'un dispositif de pile à combustible alimenté par un flux d'air comprimé et par un flux d'hydrogène ou d'un gaz riche en hydrogène, notamment pour véhicule automobile, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape préliminaire d'enrichissement en oxygène de l'air alimentant la pile à combustible. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'enrichissement en oxygène est réalisé en forçant un flux d'air à travers une ou plusieurs membranes poreuses sélectives.