Brevet FR2905200A1 — publié le 20080229

Système de production d'énergie électrique comprenant une pile à combustible, et procédé associé La présente invention a pour objet un système de production d'énergie électrique comprenant une pile à combustible notamment destiné à équiper un module de puissance pour véhicule automobile à traction électrique. Un générateur d'énergie électrique hybride comprend généralement une pile à combustible, un dispositif de reformage capable de recevoir différents carburants (essence, gasoil, éthanol, etc...) associé à un turbocompresseur et une batterie d'accumulation électrique, l'ensemble étant piloté par une unité de commande électronique. On peut utiliser un tel générateur d'énergie électrique hybride pour la traction d'un véhicule automobile ou comme source auxiliaire de puissance. Dans le cas d'un véhicule automobile, un tel générateur d'énergie électrique peut également être utilisé pour alimenter différents dispositifs consommateurs d'énergie électrique dont le véhicule est équipé. D'une manière générale, une pile à combustible est un générateur électrochimique alimenté en gaz riche en hydrogène et en gaz riche en oxygène, par exemple l'air ambiant. On peut utiliser, en particulier dans l'industrie automobile, des piles à combustible à membranes échangeuses de protons, dites PEMFC. On peut également utiliser d'autres types de piles à combustible, par exemple des piles à oxyde solide, dites SOFC, dont le fonctionnement est plus simple. Le gaz riche en hydrogène destiné à alimenter la pile à combustible peut être stocké à bord du véhicule dans un réservoir. Ceci limite toutefois l'autonomie de fonctionnement, compte tenu de la taille relativement restreinte d'un tel réservoir. En outre, le 2905200 2 stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule présente certains dangers et requiert des réservoirs de masse élevée. Une solution intéressante consiste à produire le gaz riche en hydrogène à bord du véhicule à partir d'un carburant hydrogéné 5 contenu dans un réservoir embarqué, et au moyen d'un dispositif de reformage. Une telle solution permet d'obtenir une autonomie comparable à celle d'un véhicule conventionnel et de bénéficier du réseau de distribution de carburant existant tout en réduisant les émissions de 10 CO2 et de gaz polluants. Les dispositifs de reformage habituellement utilisés comprennent des réacteurs de reformage catalytique et des dispositifs d'échange de chaleur. Dans une première étape, on procède au reformage catalytique 15 du carburant préalablement réchauffé par passage à travers un échangeur de chaleur. Ensuite, on procède à une étape de purification de l'hydrogène formé. Cette purification permet de diminuer la quantité de CO présente dans les gaz issus de l'étape de reformage, afin de ne pas 20 empoisonner la pile à combustible et d'obtenir un bon rendement. Pour plus de détails, on pourra se référer au dispositif décrit dans le document EP-A-1 486 253. Bien qu'un tel dispositif de reformage permet une purification de l'hydrogène formé, et notamment l'absorption des hydrocarbures 25 n'ayant pas réagi lors de la formation de l'hydrogène, il présente l'inconvénient de ne rien prévoir pour l'élimination de vapeurs de carburant pouvant se former à l'intérieur du réservoir de stockage destiné à l'alimenter. 2905200 3 En effet, en fonction de la température et de la pression qui règnent dans le réservoir de stockage de carburant, une quantité plus ou moins importante de carburant peut passer à l'état gazeux. Ce changement de phase provoque généralement une 5 augmentation relativement importante de pression au sein du réservoir de stockage, ce qui est nuisible pour le fonctionnement et la sûreté de l'installation. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de fournir un système de production d'énergie électrique comprenant une pile à 10 combustible qui soit fiable et qui présente une bonne sûreté de fonctionnement. La présente invention a également pour but de prévoir un système qui puisse éliminer périodiquement des vapeurs de carburant se créant à l'intérieur d'un réservoir de stockage, tout en limitant 15 d'éventuelles émissions de polluants dans l'atmosphère. Selon un premier aspect, l'invention a donc pour objet un système de production d'énergie électrique comprenant une pile à combustible pourvue d'un reformeur pour la production d'un gaz riche en hydrogène et d'un réservoir de stockage d'un carburant pour 20 l'alimentation en carburant du reformeur. Selon une caractéristique générale, le système comprend un moyen de filtrage de vapeurs de carburant se créant à l'intérieur du réservoir de stockage et des moyens de régénération du moyen de filtrage. 25 Avec un tel système, il devient dès lors possible d'obtenir une élimination des vapeurs de carburant pouvant se former à l'intérieur du réservoir de stockage, de manière particulièrement simple, efficace et écologique. 2905200 4 En effet, des molécules de carburant véhiculées par les vapeurs de carburant peuvent être collectées par le moyen de filtrage, puis ensuite éliminées lors d'une phase de régénération du moyen de filtrage. Les vapeurs de carburant ainsi filtrées peuvent donc être 5 rejetées dans l'atmosphère sans engendrer une pollution néfaste. Avantageusement, les moyens de régénération comprennent le reformeur et au moins une conduite de purge reliant le moyen de filtrage audit reformeur. De préférence, le système comprend un compresseur alimentant 10 en air comprimé le reformeur par une conduite d'alimentation. Le système peut également comprendre une conduite de dérivation reliant la conduite d'alimentation en air comprimé au moyen de filtrage. De préférence, la conduite de dérivation est pourvue d'un élément d'obturation de ladite conduite. 15 Dans un mode de réalisation préféré, la conduite de purge comprend un organe d'obturation de ladite conduite. L'organe d'obturation peut être une vanne de fermeture à trois voies, ou encore une vanne de fermeture à deux voies. Avantageusement, le reformeur comprend un brûleur associé. 20 La conduite de purge est reliée de préférence au brûleur du reformeur. Selon un second aspect, l'invention a également pour objet un procédé de production d'énergie électrique au moyen d'une pile à combustible, d'un reformeur pour la production d'un gaz riche en hydrogène et d'un réservoir de stockage d'un carburant pour 25 l'alimentation en carburant du reformeur, dans lequel on filtre les vapeurs de carburant du réservoir de stockage et on élimine des molécules de carburant piégées lors du filtrage. Dans un mode de réalisation préféré, on élimine les molécules de carburant en les envoyant à l'intérieur d'un brûleur du reformeur. 2905200 5 Avantageusement, on envoie les molécules de carburant au niveau du brûleur en utilisant l'air comprimé d'un compresseur alimentant le reformeur. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la 5 description détaillée de modes de réalisation pris à titres d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 illustre schématiquement l'architecture générale d'un système de production d'énergie électrique selon un premier mode de réalisation de 10 l'invention, et la figure 2 montre schématiquement un système de production d'énergie électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un système de production 15 d'énergie électrique pour véhicule automobile, désigné par la référence numérique générale 10. Les flèches en traits forts correspondent à des conduites qui sont traversées par un liquide, et les flèches en traits interrompus correspondent à des conduites traversées par des gaz. 20 Le système 10 comprend essentiellement une pile à combustible 12, et un reformeur 14 associé à un brûleur 16. La pile à combustible 12 est constituée par un empilement de cellules individuelles montées en série et non illustrées sur la figure. Dans l'exemple illustré, le système 10 de production d'énergie 25 électrique est destiné à être monté dans un véhicule automobile. Le système 10 comprend encore un réservoir de stockage 18 de carburant, par exemple de l'essence ou du gasoil, permettant l'alimentation en carburant hydrogéné du reformeur 14 par une conduite 20, et du brûleur 16 par une conduite 22 piquée sur ladite 2905200 6 conduite 20. Un réservoir d'eau non représenté assure également l'alimentation en eau du reformeur 14. Pour permettre l'alimentation en air comprimé du reformeur 14 et du brûleur 16, le système 10 comprend également un compresseur 5 24. L'air comprimé issu du compresseur 24 est amené sur le reformeur 14 et sur le brûleur 16, par des conduites 26 et 28, respectivement. La conduite 28 est ici piquée sur la conduite 26. Ainsi, le reformeur 14 est alimenté en carburant, en eau, ainsi qu'en air, afin d'obtenir une production de gaz riches en hydrogène 10 qui sont véhiculés vers la pile à combustible 12 par l'intermédiaire d'une conduite 30. Pour permettre le traitement de vapeurs de carburant pouvant se former dans le réservoir de stockage 18, le système 10 comprend un moyen de filtrage 32 qui est relié au réservoir 18 de stockage, par 15 l'intermédiaire d'une conduite 34. Le moyen de filtrage 32 est un récipient de forme cylindrique à section circulaire. La conduite 34 débouche ici à l'intérieur du moyen de filtrage 32, au niveau d'une paroi supérieure 32a. Le moyen de filtrage 32 comprend un élément de filtrage 36 des molécules de carburant 20 contenues dans les vapeurs de carburant, par exemple du charbon actif. Le moyen de filtrage 32 peut par exemple être un canister conventionnellement utilisé pour les moteurs à combustion interne de véhicules automobiles. Après avoir traversé le moyen de filtrage 32, les vapeurs de 25 carburant ainsi dépourvues de molécules de carburant sont envoyées à l'air libre par l'intermédiaire d'une première conduite de purge 38. La conduite de purge 38 débouche ici au voisinage d'une paroi de fond 32b du moyen de filtrage 32. 2905200 7 Ainsi, les molécules de carburant véhiculées par les vapeurs de carburant se formant à l'intérieur du réservoir de stockage 18 sont filtrées et capturées à l'intérieur du moyen de filtrage 32. De manière à éviter le colmatage du moyen de filtrage 32, il est 5 nécessaire de prévoir une régénération dudit moyen afin d'éliminer périodiquement les molécules de carburant filtrées par l'élément 36. A cet égard, le système 10 comprend une conduite 40 de dérivation reliant la conduite d'alimentation 26 en air du reformeur 14 au moyen de filtrage 32. Elle débouche à l'intérieur de celui-ci, au 10 niveau de la paroi supérieure 32a. La conduite de dérivation 40 comprend également un élément d'obturation 42, par exemple une électrovanne, apte à permettre une alimentation en air comprimé du moyen de filtrage 32. A cet effet, le système 10 comprend encore une seconde 15 conduite de purge 44 et un organe d'obturation 46 associé, par exemple une vanne-trois voies. L'organe d'obturation 46 est relié à la première conduite de purge 38, à la seconde conduite de purge 44 qui est reliée au brûleur 16 du reformeur 14, et à une conduite 48 d'évacuation vers l'extérieur. 20 Ainsi, la conduite de purge 44 débouchant à l'intérieur du brûleur 16 est reliée, par l'intermédiaire de l'organe d'obturation 46 et de la première conduite de purge 38, au moyen de filtrage 32. Le système 10 de production d'énergie électrique, tel qu'illustré sur la figure 1, fonctionne de la manière suivante. 25 Lors d'une phase de démarrage, on utilise le réservoir de stockage 18 ainsi que le compresseur 24 pour alimenter en hydrogène très rapidement la pile à combustible 12. A cet effet, dès le démarrage, une unité de commande électronique (non représentée) du moteur du véhicule automobile 2905200 8 pilote l'élément d'obturation 42 de manière à le maintenir dans une position fermée. L'organe d'obturation 46 est, quant à lui, maintenu dans une position ouverte pour permettre, via les conduites 38 et 48, 5 l'évacuation vers l'extérieur des vapeurs de carburant du réservoir 18 ayant au préalable traversées le moyen de filtrage 32 afin d'éliminer les molécules de carburant qu'elles contiennent. Dans cette position, aucun gaz ne transite par la conduite 44. Lorsque l'unité de commande électronique détecte qu'une 10 régénération du moyen de filtrage 32 est nécessaire, par exemple en utilisant des capteurs de pression en amont et en aval dudit moyen, elle commande l'élément d'obturation 42 pour alimenter en air, via le compresseur 24, le moyen de filtrage 32, et commande simultanément l'organe d'obturation 46 de manière que les conduites de purge 38 et 15 44 soient en communication fluidique. Dans cette position, aucun gaz ne transite par la conduite 48. Ainsi, l'air comprimé issu du compresseur 24 traverse le moyen de filtrage 32 afin d'emporter les molécules d'essence filtrées par l'élément 36, qui sont ensuite dirigées vers le brûleur 16 du reformeur 20 14 en vue de leur élimination. De manière à éviter une circulation d'air vers le réservoir de stockage 18 lors de cette opération, il est également prévu un clapet 50 anti-retour sur la conduite 34. On obtient ainsi une régénération du moyen de filtrage 32 de 25 manière à éviter son colmatage par les molécules d'essence filtrées. En outre, les molécules d'essence qui sont emmenées et véhiculées par le flux d'air comprimé passant par les conduites de purge 38 et 44 sont dirigées dans le brûleur 16 du reformeur 14, ce qui permet de réduire la quantité de carburant à envoyer vers celui-ci à 2905200 9 partir du réservoir 18 de stockage. Ainsi, le rendement énergétique du système de production 10 est accru. De manière à optimiser la consommation du véhicule pourvu d'un tel système 10, la régénération du moyen de filtrage 32 peut 5 avantageusement se faire durant des phases où la chaîne de traction du véhicule consomme de l'énergie, par exemple lors des accélérations, lors de faibles décélérations, ou encore à des vitesses stabilisées. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, le système 10 10 diffère en ce que la conduite 40 débouche dans le moyen de filtrage 32 au voisinage de la paroi de fond 32b de celui-ci, et en ce qu'une conduite 60 de purge débouchant à l'intérieur dudit moyen de filtrage 32 au niveau de la paroi supérieure 32a, relie celui-ci au brûleur 16. La conduite 60 de purge est pourvue d'un organe d'obturation 15 62 par exemple une électrovanne à deux voies, de manière à permettre ou non une circulation de gaz en direction dudit brûleur. Le système 10 comprend également ici une conduite d'évacuation 64 qui débouche à l'intérieur du moyen de filtrage 32 au niveau de la paroi de fond 32b et qui est pourvue d'un clapet 66 20 d'obturation. Avantageusement, les clapets 50 et 66 peuvent être des clapets avec ressort. Le fonctionnement du système 10 de ce second mode de réalisation est le suivant. Dès le démarrage du véhicule, l'unité de commande 25 électronique pilote l'élément d'obturation 42 et l'organe d'obturation 62 de manière à les maintenir dans une position fermée. Ainsi, l'évacuation vers l'extérieur des vapeurs de carburant déchargées des molécules de carburant est réalisée via la conduite 64. 2905200 10 Lorsque l'unité de commande électronique commande une régénération du moyen de filtrage 32, l'élément d'obturation 42 et l'organe d'obturation 62 passent dans une position ouverte pour qu'un flux d'air comprimé issu du compresseur 24 passe à travers le moyen 5 de filtrage 32, arrache les molécules d'essence filtrées par l'élément 36, et les achemine vers le brûleur 16 du reformeur 14. On obtient donc un système de production d'énergie électrique pourvu d'une pile à combustible, d'un reformeur pour la production d'un gaz riche en hydrogène comprenant un brûleur, d'un compresseur 10 alimentant en air comprimé le reformeur, d'un réservoir de stockage d'un carburant pour l'alimentation en carburant du reformeur, d'un moyen de filtrage de vapeurs de carburant du réservoir de stockage, et d'au moins une conduite de purge reliant ledit moyen de filtrage au brûleur, dans lequel le moyen de filtrage est purgé par la circulation 15 d'un flux d'air comprimé issu du compresseur et traversant le moyen de filtrage pour arracher dudit moyen les particules filtrées et les entraîner en direction du brûleur où elles seront détruites. REVENDICATIONS 1. Système de production électrique comprenant une pile à combustible (12) pourvue d'un reformeur (14) pour la production d'un gaz riche en hydrogène et d'un réservoir de stockage (18) d'un carburant pour l'alimentation en carburant du reformeur, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de filtrage (32) de vapeurs de carburant se créant à l'intérieur du réservoir de stockage et des moyens de régénération du moyen de filtrage (32). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de régénération comprennent le reformeur (14) et au moins une conduite de purge (38, 44 ; 60) reliant le moyen de filtrage (32) audit reformeur. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, comprenant un compresseur (24) alimentant en air comprimé le reformeur par une conduite d'alimentation, et une conduite de dérivation (40) reliant la conduite d'alimentation en air comprimé au moyen de filtrage (32). 4. Système selon la revendication 3, dans lequel ladite conduite de dérivation (40) est pourvue d'un élément d'obturation (42) de ladite conduite. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la conduite de purge comprend un organe d'obturation (46 ; 62) de ladite conduite. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel le reformeur (14) comprend un brûleur (16) associé. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel la conduite de purge est reliée au brûleur du reformeur. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de filtrage (32) comprend du charbon actif. 2905200 12 9. Procédé de production d'énergie électrique au moyen d'une pile à combustible, d'un reformeur pour la production d'un gaz riche en hydrogène et d'un réservoir de stockage d'un carburant pour l'alimentation en carburant du reformeur, caractérisé en ce qu'on filtre 5 les vapeurs de carburant du réservoir de stockage et on élimine des molécules de carburant piégées lors du filtrage. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on élimine les molécules de carburant en les envoyant à l'intérieur d'un brûleur du reformeur. 10 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel on envoie les molécules de carburant à l'intérieur du brûleur en utilisant l'air comprimé d'un compresseur alimentant le reformeur.