Brevet FR2886766A1 — publié le 20061208

Système de pile à combustible perfectionné et procédé de production d'eau associé. L'invention concerne les systèmes de pile à combustible, et concerne, en particulier, la récupération d'eau par condensation des gaz issus de la pile à combustible pour alimenter un reformeur. 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. La pile peut être alimentée en hydrogène à partir d'un réservoir, luimême alimenté en hydrogène produit en dehors du système, par vaporeformage, par oxydation partielle, par électrolyse, Elle peut également être alimentée en hydrogène produit au sein du système de pile à combustible par des réactions de reformage qui, à partir d'un composé hydrocarboné et d'eau, permettent de produire un gaz riche en hydrogène. L'utilisation d'un dispositif pour générer l'hydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible, et non d'un réservoir d'hydrogène, permet au conducteur d'un véhicule automobile d'utiliser le réseau existant de distribution d'hydrocarbure pour véhicule. En effet, aucun réseau de distribution d'hydrogène pour véhicule à réservoir d'hydrogène n'est actuellement assez développé pour subvenir aux besoins des véhicules automobiles équipés d'une pile à combustible. Ainsi, l'hydrogène nécessaire aux réactions d'oxydo-réduction dans la pile à combustible est plutôt produit par un reformeur embarqué à bord du véhicule. Les systèmes de pile à combustible embarqués à bord de véhicule automobile présentent par ailleurs des difficultés de gestion de l'eau et des échanges thermiques nécessaires au bon fonctionnement des systèmes. En effet, il faut notamment compenser la perte en eau provenant de la vapeur d'eau présente dans les gaz d'échappement du véhicule. Le document US 2002/0004152 porte sur un procédé et un dispositif pour améliorer l'efficacité d'un système de pile à combustible comprenant une pile à combustible et un reformeur. Dans ce document, il est effectué un mélange air/vapeur sous pression, pouvant également contenir de l'eau. Une injection de mélange, avec de l'oxygène restant, dans un brûleur, produit un échappement contenant de la vapeur ayant un potentiel d'expansion utilisé pour le fonctionnement d'un détendeur produisant de l'énergie mécanique. Cependant, un tel système présente notamment l'inconvénient de nécessiter des radiateurs de très grande surface, ce qui est problématique pour un système embarqué. En effet, les constructeurs de véhicules automobiles embarquant des systèmes de pile à combustible ont comme souci constant de délester la boucle de refroidissement utilisée en particulier comme source froide pour le condenseur chargé de récupérer l'eau véhiculée par les gaz issus de la pile à combustible. Au vu de ce qui précède, l'invention a notamment pour but de minimiser la puissance thermique échangée avec le circuit de refroidissement au sein du condenseur. L'invention a donc pour objet un système de pile à combustible, comprenant une pile à combustible alimentée en oxygène et en hydrogène, un reformeur équipé d'un brûleur délivrant à la pile à combustible de l'hydrogène et une unité de condensation d'eau récupérant les gaz issus de la pile à combustible et du brûleur pour en extraire l'eau et délivrant au reformeur l'eau extraite du gaz issu de la pile à combustible. Selon ce système de pile à combustible, l'unité de condensation comprend un récupérateur de chaleur recevant en entrée les gaz issus de la pile à combustible et un condenseur qui communique avec le récupérateur de chaleur, le récupérateur de chaleur étant adapté pour refroidir les gaz issus de la pile à combustible ou du brûleur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le récupérateur de chaleur est en outre adapté pour réchauffer les gaz en sortie du condenseur. Dans un mode de réalisation, le récupérateur de chaleur comprend un échangeur de chaleur assurant un échange thermique entre les gaz en entrée de l'unité de condensation et les gaz en sortie de l'unité de condensation. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur et le condenseur constituent un ensemble unitaire comprenant un encapsulage commun. Par exemple, le reformeur comprend une membrane de purification adaptée pour extraire de l'hydrogène d'un flux de mélange 10 gazeux comprenant un carburant et de l'eau, pour alimenter la pile à combustible en hydrogène. En ce qui concerne le reformeur, celui-ci comprend en outre un brûleur adapté pour entretenir une réaction de reformage au sein dudit mélange gazeux. L'invention a également pour objet un procédé de production d'eau pour un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, par passage d'un flux gazeux issu d'une pile à combustible et d'un flux gazeux issu d'un brûleur d'un reformeur à travers une unité de condensation. Selon une caractéristique générale de ce procédé, on fait passer le flux gazeux à travers un récupérateur de chaleur puis dans un condenseur de manière à refroidir le gaz issu de la pile à combustible ou du brûleur tout en réchauffant le flux gazeux extrait en sortie de l'unité de condensation. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un système de pile à 30 combustible conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective de l'unité de condensation du système de pile à combustible de la figure 1; - la figure 3 montre l'unité de condensation de la figure 2 selon une autre orientation; et - la figure 4 montre des courbes illustrant la répartition des puissances thermiques échangées au sein du condenseur d'une part, et au sein du récupérateur de chaleur, d'autre part. La figure 1 représente un système de pile à combustible selon l'invention, embarqué à bord d'un véhicule automobile. Il comprend une pile à combustible 1 comprenant une partie anode A qui reçoit un combustible, en l'espèce de l'hydrogène, et une partie cathode C qui reçoit de l'oxygène et un reformeur 2 dans lequel des réactions chimiques de reformage entre un carburant et de l'eau assurent la production d'hydrogène pour alimenter la pile à combustible 1. Le reformeur est associé à un brûleur 3 permettant de chauffer l'ensemble du système, lors de la phase de démarrage, et de réguler la température lors du fonctionnement normal. Le brûleur 3 apporte également l'énergie nécessaire à la réaction de reformage et permet d'oxyder le monoxyde de carbone quand il utilise un retour des gaz de sortie de l'anode de la pile à combustible 1. Le brûleur 3 permet en outre de fournir l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau et du carburant nécessaire au reformeur 2. Par ailleurs, le système de pile à combustible visible sur la figure 1 comprend une unité de condensation 4 qui reçoit, en entrée, les gaz issus de la pile à combustible 1 et qui délivre l'eau extraite de ces gaz au reformeur 2 par l'intermédiaire d'un dispositif d'injection d'eau 5. Un groupe de compression d'air 6, qui comprend un compresseur 7, une turbine 8 et un moteur 9 alimente en oxygène, généralement sous la forme d'air comprimé, la pile à combustible 1 par l'intermédiaire d'un refroidisseur 10, et le brûleur 3. Il rejette vers l'atmosphère le flux gazeux issu de l'unité de condensation 4 en passant par la turbine 8, qui est montée sur le même arbre 11 que le compresseur 7. Enfin, le système est pourvu d'un humidificateur 12 qui est associé à la pile à combustible 1. En particulier, l'humidificateur 12 reçoit l'air comprimé délivré par le compresseur 7 et par le refroidisseur 10 pour être humidifié à travers une première chambre de l'humidificateur. En sortie de la pile à combustible 1, l'air passe à travers une deuxième chambre de l'humidificateur 12 pour être asséché avant d'être délivré au condenseur 4. L'eau récupérée traverse une membrane 13 de l'humidificateur 12 pour permettre d'humidifier l'air alimentant la pile 1. Comme indiqué précédemment, le reformeur 2 est destiné à alimenter la pile 1 en hydrogène. Il comporte un vaporisateur/condenseur à haute pression 14 et une chambre 15 comprenant deux compartiments 16 et 17 séparés par une membrane 18 de purification d'hydrogène. Le deuxième compartiment 17 reçoit l'eau en provenance de l'unité de condensation 4, qui circule dans une canalisation 19, en passant par le dispositif d'injection 5, et du carburant délivré par l'intermédiaire d'une conduite 20. Ce compartiment 17 comprend le brûleur 3 qui est alimenté en carburant par une canalisation 20'. En fonctionnement, l'hydrogène traversant la membrane 18 est délivré à la pile 1 par l'intermédiaire d'une conduite 21. On verra enfin sur la figure 1 que le reformeur 2 communique avec une conduite 22 mettant en communication l'humidificateur 12 et l'unité de condensation 4, par l'intermédiaire d'une conduite 23. L'unité de condensation 4, quant à elle, communique avec la turbine 8 par l'intermédiaire d'une conduite 22'. Ainsi, l'unité de condensation 4 est alimentée à partir des gaz issus de la pile à combustible 1 et des gaz issus du reformeur, en 25 particulier du brûleur 3. Les gaz contenant l'eau produite par la réaction électrochimique entretenue dans la pile à combustible, véhiculés par la conduite référencée 28, peuvent alors être mélangés aux gaz de sortie du brûleur, qui circulent dans la conduite référencée 23, et qui contiennent l'eau produite par le brûleur. Ce mélange est alors fourni à l'unité de condensation qui se charge de récupérer l'eau produite. L'unité de condensation comprend un récupérateur de chaleur 24 et un condenseur 25. Le récupérateur de chaleur comprend un échangeur, désigné par la référence numérique générale 26 qui met en relation d'échanges thermiques le flux gazeux en amont du condenseur 25, c'est-à-dire le flux gazeux véhiculé par la conduite 22, et le flux gazeux en aval du condenseur 25, c'est-à-dire le flux gazeux véhiculé par la conduite 22'. Ainsi, l'échangeur 26 permet de refroidir le flux gazeux en sortie de la pile à combustible 1 et, ce faisant, de réchauffer le flux gazeux extrait en sortie du condenseur. Par conséquent, les gaz arrivant dans l'unité de condensation 4 vont se retrouver partiellement refroidis avant d'être dirigés vers le condenseur 25 et limiter ainsi la puissance thermique du condenseur. L'échangeur 26 permet également d'obtenir une légère élévation de la puissance mécanique récupérable lors de la détente de par l'élévation de la température amont induite par le récupérateur 24. Comme on le voit sur la figure 1, le condenseur 25, ainsi que le refroidisseur 10 sont refroidis par une boucle 28 de circulation d'un fluide caloporteur de refroidissement. La limitation de la température obtenue grâce à la présence du récupérateur de chaleur 24 permet un délestage conséquent de cette boucle thermique 28 et ainsi de limiter les sollicitations de cette boucle de circulation de fluide caloporteur. On voit en effet sur la figure 2, qui montre des courbes de répartition des puissances thermiques P échangées dans le condenseur de l'unité de condensation 26 (courbe A), dans le vaporisateur/condenseur 14 (courbe B) et dans le récupérateur de chaleur (courbe C) que le récupérateur de chaleur 24 permet de délester la boucle 28 de circulation du fluide caloporteur d'une puissance thermique de l'ordre de 10 kilowatts. En se référant enfin aux figures 3 et 4, on voit que l'unité de condensation d'eau, c'est-à-dire le récupérateur de chaleur 24, incorporant l'échangeur thermique 26, et le condenseur 25 constituent un ensemble unitaire placé dans un encapsulage 29 commun pourvu, si besoin, d'une isolation 30, et doté des conduites 19, des conduites 28 de la boucle de circulation de fluide caloporteur et des conduites, telles que 22, pour recevoir le fluide gazeux issu de la pile à combustible 1 et pour délivrer, en sortie, un flux gazeux à la turbine 8. Une canalisation 31 externe mais également encapsulée permet d'assurer une mise en communication du récupérateur de chaleur 24 avec le condenseur 25. REVENDICATIONS 1. Système de pile à combustible comprenant une pile à combustible (1) alimentée en oxygène et en hydrogène, un reformeur (2) équipé d'un brûleur (3) délivrant à la pile à combustible (1) de l'hydrogène et une unité de condensation d'eau (4) récupérant les gaz issus de la pile à combustible et du brûleur (3) pour en extraire l'eau et délivrer au reformeur (2) l'eau extraite des gaz issus de la pile à combustible, caractérisé en ce que l'unité de condensation (4) comprend un récupérateur de chaleur (24) recevant en entrée les gaz issus de la pile à combustible (1) et un condenseur (25) qui communique avec le récupérateur de chaleur, le récupérateur de chaleur étant adapté pour refroidir les gaz issus de la pile à combustible (1) ou du brûleur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récupérateur de chaleur (24) est en outre adapté pour réchauffer les gaz en sortie du condenseur (25). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le récupérateur de chaleur (24) comprend un échangeur de chaleur (26) assurant un échange thermique entre les gaz en entrée de l'unité de condensation (4) et les gaz en sortie de l'unité de condensation (4). 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur et le condenseur constituent un ensemble unitaire comprenant un encapsulage (29) commun. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le reformeur (2) comprend une membrane (18) de purification adaptée pour extraire de l'hydrogène d'un flux de mélange gazeux comprenant un carburant et de l'eau, pour alimenter la pile à combustible (1) en hydrogène. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le reformeur comprend en outre un brûleur (3) adapté pour entretenir une réaction de reformage au sein dudit mélange gazeux. 7. Procédé de production d'eau pour un système de pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, par passage d'un flux gazeux issu d'une pile à combustible (1) et d'un flux gazeux issu d'un brûleur (3) d'un reformeur (2) à travers une unité de condensation (4), caractérisé en ce que l'on fait passer le flux gazeux à travers un récupérateur de chaleur (24) puis dans un condenseur (25) de manière à refroidir le gaz issu de la pile à combustible (1) ou du brûleur tout en réchauffant le flux gazeux extrait en sortie de l'unité de condensation (4).