Brevet FR2942675A1 — publié le 20100903

SYSTEME D'ALIMENTATION ELECTRIQUE POUR VEHICULE, EN PARTICULIER POUR VEHICULE MARIN DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention concerne un système d'alimentation électrique pour véhicule, en particulier un véhicule marin (bateau, voilier, moto marine, etc.) comprenant un groupe électrogène à pile à combustible pourvu d'un empilement de cellules élémentaires, comprenant chacune une cathode et une anode en relation électrochimique avec un électrolyte, le groupe comportant un dispositif de fourniture de carburant à base d'hydrogène à la pile à combustible et un système d'alimentation de la pile à combustible avec un gaz comburant à base d'oxygène. [0002] L'invention concerne également un véhicule marin équipé d'un tel système ainsi qu'un procédé pour alimenter en carburant et en comburant une pile à combustible hydrogène embarquée à bord d'un véhicule. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003] Les véhicules marins ou aquatiques tels que les bateaux, voiliers, motos marines et autres embarcations de loisirs ou destinées au transport commercial, possèdent en général un ou plusieurs moteurs à combustion, à essence ou diesel, assurant la 20 propulsion du véhicule, soit à titre principal, soit à titre accessoire, comme dans le cas d'un voilier. Les moteurs à combustion présentent l'inconvénient de produire un volume sonore souvent important, et surtout de produire des gaz de combustion, qui polluent l'environnement dans lequel se trouve le véhicule. Pour pallier ces inconvénients, des véhicules marins électriques sont de plus en plus souvent utilisés. Ces véhicules utilisent 25 des batteries classiques de type automobile, le plus souvent au plomb. De telles batteries présentent une autonomie et une puissance relativement limitées, limitant l'usage des moteurs électriques à de très petites embarcations destinées en particulier aux loisirs aquatiques. [0004] Pour augmenter l'autonomie des véhicules et offrir une puissance plus importante, 30 l'utilisation de piles à combustible constitue une solution attrayante. Une pile à combustible comporte en général l'association en série de cellules élémentaires qui, chacune, comprennent essentiellement une anode et une cathode couplées en relation de P 10-2290-FR15 conduction électrique par un électrolyte. Un type d'électrolyte qui se prête bien, par exemple, aux applications dans le domaine du transport est un électrolyte solide constitué essentiellement par une membrane polymère permettant le passage d'ions positifs de l'anode à la cathode. [0005] Dans son fonctionnement normal, une pile à combustible hydrogène consomme de l'hydrogène (le carburant) et de l'oxygène (le comburant) fourni par l'air ambiant ou sous forme de gaz pur. La pile à combustible est le siège d'une réaction anodique par laquelle l'hydrogène (H2) se transforme en protons hydrogènes (2H+) qui traversent la membrane polymère et en électrons (2e-) qui circulent dans le circuit électrique extérieur. La pile à combustible est en même temps le siège d'une réaction cathodique par laquelle les protons hydrogène (2H+), les électrons (2e-) se combinent avec l'oxygène (1/202) pour produire de l'eau (H20). [0006] Pour assurer l'alimentation de la pile, plusieurs moyens sont utilisés. Pour le carburant, soit on dispose d'une alimentation en hydrogène, soit on produit l'hydrogène dont on a besoin près de la pile à combustible au moyen d'un reformeur lui-même alimenté par exemple par un hydrocarbure. Dans le cas d'un véhicule la première solution requiert un réservoir d'hydrogène embarqué. [0007] Pour le comburant, il est possible de prévoir un réservoir de stockage à bord du véhicule. Cette solution permet l'obtention d'un excellent rendement de la pile. Etant donné qu'une réserve d'hydrogène est également indispensable dans ce cas, cela implique deux réservoirs de stockage à bord du véhicule. La capacité et donc le dimensionnement de ces réservoirs dépendent de l'autonomie que l'on souhaite conférer au véhicule. Plus on souhaite une autonomie longue (en distance et/ou en durée de fonctionnement) et plus les réservoirs doivent être volumineux et donc lourds. [0008] La recharge des réservoirs présente par ailleurs un problème important, en particulier pour les véhicules destinés au transport et aux loisirs maritimes, qui sont par définition loin des sources d'approvisionnement lorsqu'ils sont utilisés. Par ailleurs, à quai, dans les ports de plaisance et dans de nombreux ports commerciaux, on retrouve aujourd'hui peu d'installations permettant le remplissage des réservoirs de piles à combustibles. P 10-2290-FR EXPOSE DE L'INVENTION [0009] Pour éviter l'utilisation de véhicules marins utilisant des moteurs bruyants et polluants dans certains sites, et notamment pour assurer un approvisionnement aisé en énergie de recharge, l'invention prévoit différents moyens techniques. [0010] Tout d'abord, un premier objet de l'invention consiste à prévoir un système de propulsion électrique permettant au véhicule aquatique qui en est pourvu de se déplacer dans des sites où il n'est pas possible d'utiliser un moteur à combustion, que cela soit dû à des restrictions imposées par la règlementation existante ou dû à des contraintes environnementales ou autres. [0011] Un autre objet de l'invention consiste à prévoir un système d'alimentation permettant à un véhicule aquatique d'alimenter des équipements électriques ou électronique, soit pour un usage normal ou dans des cas spécifiques, par exemple en cas de panne ou d'indisponibilité d'autres sources d'alimentation ou en cas d'urgence. [0012] Enfin, un autre objet de l'invention consiste à prévoir un véhicule aquatique peu polluant, silencieux, et susceptible de naviguer dans des zones ou sites où l'utilisation de moteurs à combustion n'est pas possible ou serait une source d'inconvénients. [0013] Pour ce faire, l'invention prévoit un système d'alimentation électrique et charge électrique pour véhicule, le système comprenant un groupe électrogène à pile à combustible pourvu d'un empilement de cellules élémentaires, comprenant chacune une cathode et une anode en relation électrochimique avec un électrolyte, le groupe électrogène comportant un dispositif de fourniture d'hydrogène à la pile à combustible, le dispositif comportant un réservoir à hydrogène et une installation d'alimentation de la pile à combustible en oxygène, une charge électrique étant connectée à la sortie électrique de puissance de la pile à combustible, caractérisé en ce que le système d'alimentation électrique comporte un électrolyseur, en ce que l'installation d'alimentation en oxygène comporte un réservoir à oxygène, et en ce que chacun des réservoirs est relié d'une part au groupe électrogène à pile combustible et d'autre part à l'électrolyseur, en ce que l'électrolyseur est connectable à une source d'énergie électrique et est connecté à une source d'alimentation en eau. P 10-2290-FR 3 [0014] Selon un mode de réalisation préférentiel, le véhicule est un véhicule flottant sur l'eau (bateau, voilier, moto marine, etc.). [0015] Selon un mode de réalisation avantageux, la source d'eau est une source embarquée, par exemple un réservoir, éventuellement rempli lors du fonctionnement de la pile. Le réservoir utilise donc de préférence une eau dé-ionisée, moins conductrice et offrant un meilleur rendement. Selon un autre mode de réalisation, la source est une prise d'eau du plan d'eau sur lequel se trouve l'embarcation. [0016] Selon une variante avantageuse, la charge électrique comporte un moteur électrique de propulsion, un moyen de propulsion du véhicule dans l'eau (hélice, aube, jet, etc), étant relié mécaniquement au moteur électrique de propulsion. [0017] Selon une autre variante avantageuse, la charge électrique comporte au moins un équipement de navigation. [0018] Selon encore une autre variante de réalisation, le système d'alimentation électrique comprend également un compresseur destiné à compresser l'hydrogène avant son stockage dans le réservoir d'hydrogène et un compresseur d'oxygène destiné à compresser l'oxygène avant son stockage dans le réservoir d'oxygène. [0019] La source d'énergie électrique peut être externe ou au véhicule (tel que le réseau électrique local, qu'il soit en 220 Volts ou 110 Volts), ou à bord de celui-ci. Un agencement avec source externe permet de charger ou recharger la pile à combustible lorsque l'embarcation se trouve dans un endroit où une source d'alimentation électrique est disponible. Ainsi, lorsqu'un bateau est à quai dans un port, une recharge peut être effectuée. Dans le second cas, la source d'énergie électrique peut être photovoltaïque, thermovoltaïque, un moteur thermique connecté à une génératrice, une éolienne, ou encore mue par les vagues. [0020] Ces modes de réalisation sont particulièrement avantageux pour effectuer une recharge pratiquement en tout lieu, à l'arrêt ou non. L'hydrogène et l'oxygène produits et stockés dans les réservoirs permettront une utilisation ultérieure de l'énergie pour la propulsion de l'embarcation. P 10-2290-FR35 [0021] L'invention prévoit par ailleurs un procédé pour alimenter en carburant et en comburant une pile à combustible hydrogène embarquée à bord d'un véhicule marin à moteur électrique de propulsion alimenté par ladite pile, dans lequel on connecte un électrolyseur à une source d'alimentation électrique et à une source d'eau, on produit à partir de ladite source d'eau de l'hydrogène et de l'oxygène, on stocke l'hydrogène produite par électrolyse dans un réservoir d'hydrogène embarqué dans le véhicule marin et on stocke l'oxygène produite par électrolyse dans un réservoir d'oxygène embarqué dans le véhicule marin. [0022] L'invention prévoit enfin un véhicule marin comprenant un système d'alimentation électrique tel que décrit dans ce qui précède. DESCRIPTION DES FIGURES [0023] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 et 2, présentées uniquement à des fins d'exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques indiquent des éléments similaires, et dans lesquelles : - la Figure 1 est une représentation schématique d'un système d'alimentation électrique selon l'invention ; - la Figure 2 est une représentation schématique de l'intégration du système de la figure 1 dans une embarcation. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION [0024] La figure 1 illustre une représentation schématique d'un système d'alimentation électrique 1 selon l'invention. Un groupe électrogène 10 comprend une pile à combustible 11 de type connu, reliée à deux réservoirs, l'un 14 pour le carburant, l'autre 15 pour le comburant. Dans l'exemple illustré, le carburant est de l'hydrogène tandis que de l'oxygène est utilisé en tant que comburant. [0025] Dans cet exemple, la pile à combustible sert à alimenter un moteur électrique 12 relié à un moyen de propulsion 13 adapté, comme par exemple une hélice. Un convertisseur DC/AC 31 peut compléter l'installation si besoin, en fonction des besoins et des types d'appareils utilisés. P 10-2290-FR [0026] Les réservoirs 14 et 15 sont reliés à un électrolyseur 16, également de type connu. L'installation selon l'exemple de la Figure 1 prévoit par ailleurs un compresseur 19 d'oxygène et un compresseur 20 d'hydrogène. La compression des gaz produits lors de l'électrolyse favorise leur stockage sous pression dans des conditions idéales d'efficacité et de quantité. [0027] L'électrolyseur 16 et la pile 11 sont reliés à une source d'alimentation en eau 18. Une telle source d'eau est avantageusement une source embarquée, par exemple un réservoir, éventuellement rempli lors du fonctionnement de la pile de façon à obtenir une eau sensiblement dé-ionisée. L'eau dé-ionisée présente l'avantage d'être moins conductrice, offrant ainsi un meilleur rendement. Un éventuel complément d'eau peut être prévu si nécessaire, à partir d'un autre réservoir ou d'une source externe. [0028] Selon un autre mode de réalisation tel que présenté à la Figure 2, la source est une prise d'eau 18 du plan d'eau sur lequel se trouve l'embarcation. Une combinaison de ces deux modes d'alimentation peut également être prévue, pour plus de souplesse. [0029] L'électrolyseur 16 comporte une liaison électrique 17 prévue pour connexion à une source externe. Une telle source est typiquement disponible lorsque l'embarcation se trouve à quai dans un port. [0030] Selon un autre mode de réalisation, on utilise une source électrique embarquée, par exemple une éolienne 40, des cellules photovoltaïques 50 et/ou un capteur thermoélectrique 60 tel que montré à la Figure 2. La source électrique embarquée peut également être un moteur thermique couplé à une génératrice ou la source électrique embarquée être mue par les vagues. Un tel mode de réalisation est particulièrement avantageux pour effectuer une recharge pratiquement en tout lieu, à l'arrêt ou non. [0031] L'hydrogène et l'oxygène produits et stockés dans les réservoirs permettront une utilisation ultérieure de l'énergie pour la propulsion de l'embarcation. [0032] Une pompe (non montrée) peut compléter l'installation si nécessaire, en fonction de la position relative des éléments 11 et 16 par rapport à la prise d'eau. P 10-2290-FR [0033] La Figure 2 présente de façon schématique un véhicule marin 30 pourvu d'un système d'alimentation électrique 1 tel que préalablement décrit. Les réservoirs 14 et 15 d'hydrogène et d'oxygène sont installés dans un emplacement offrant un important volume, de préférence de façon à ne pas gêner les conditions de flottaison de l'embarcation, en particulier s'il s'agit d'un véhicule de petite dimension. Les dimensions des réservoirs sont adaptées d'une part à celles de l'embarcation et d'autre part à la puissance requise pour la propulsion du véhicule en regard de l'autonomie souhaitée. Les compresseurs 19 et 20 sont avantageusement prévus à proximité des réservoirs pour réduire la longueur des conduites de gaz pressurisé. [0034] Dans l'exemple illustré, la pile à combustible 11 et l'électrolyseur 16 sont disposés à proximité l'un de l'autre. En pratique, ces éléments peuvent être disposés pratiquement en tout point du véhicule, à proximité ou non l'un de l'autre. Un bloc électronique de puissance 32 est avantageusement connecté à la pile à combustible, afin de réguler et contrôler l'installation. Un réservoir 21 d'eau dé-ionisée est avantageusement prévu. [0035] Une liaison électrique (non montrée) entre l'électronique de puissance 32 et le moteur électrique permet la transmission de l'énergie électrique vers le moteur 12. La propulsion est assurée de façon classique, dans l'exemple illustré par une hélice. Un boîtier de contrôle 34 prévu dans le poste de conduite permet au pilote de contrôler la propulsion, en actionnant ou non le moteur électrique 12 et en réglant le niveau de puissance. Cette commande peut également prévoir un mode de marche arrière, et/ou un commutateur permettant de sélectionner la source d'approvisionnement du moteur, dans le cas où plusieurs sources sont disponibles. [0036] Bien que non illustré, le véhicule marin peut comporter une ou plusieurs autres sources de propulsion, comme par exemple un moteur à essence ou diesel, de type connu. [0037] Selon diverses variantes de réalisation, l'énergie produite par la pile à combustible 11 peut servir à alimenter un ou plusieurs équipements électriques ou électroniques du véhicule. Le système d'alimentation peut servir à alimenter uniquement des équipements électriques ou électroniques ou encore servir à la fois pour alimenter un ou plusieurs moteurs en plus des autres équipements. P 10-2290-FR [0038] Les Figures et leurs descriptions faites ci-dessus illustrent l'invention plutôt qu'elles ne la limitent. En particulier, l'invention et ses différentes variantes viennent d'être décrites en relation avec un exemple particulier comportant un moyen de propulsion à hélice. Néanmoins, il est évident pour un homme du métier que l'invention peut être étendue à d'autres modes de réalisation dans lesquels en variantes, on prévoit un mode de propulsion par jet, à aube ou pales, ou autre mode de propulsion adapté à un environnement aquatique. [0039] Les signes de références dans les revendications n'ont aucun caractère limitatif. Les verbes "comprendre" et "comporter" n'excluent pas la présence d'autres éléments que ceux listés dans les revendications. Le mot "un" précédant un élément n'exclue pas la présence d'une pluralité de tels éléments. P 10-2290-FR REVENDICATIONS1. Système d'alimentation électrique (1) et charge électrique pour véhicule, le système comprenant un groupe électrogène (10) à pile à combustible (11) pourvu d'un empilement de cellules élémentaires, comprenant chacune une cathode et une anode en relation électrochimique avec un électrolyte, le groupe électrogène comportant un dispositif de fourniture d'hydrogène à la pile à combustible, le dispositif comportant un réservoir à hydrogène (14) et une installation d'alimentation de la pile à combustible en oxygène, une charge électrique étant connectée à la sortie électrique de puissance de la pile à combustible, caractérisé en ce que le système d'alimentation électrique comporte un électrolyseur (16), en ce que l'installation d'alimentation en oxygène comporte un réservoir à oxygène (15), et en ce que chacun des réservoirs est relié d'une part au groupe électrogène à pile combustible et d'autre part à l'électrolyseur (16), en ce que l'électrolyseur est connectable à une source d'énergie électrique et est connecté à une source d'alimentation en eau. 2. Système d'alimentation électrique selon la revendication 1, dans lequel le véhicule est un véhicule flottant sur l'eau. 3. Système d'alimentation électrique selon la revendication 2, dans lequel la charge électrique comporte un moteur électrique (12) de propulsion, un moyen de propulsion (13) du véhicule dans l'eau étant relié mécaniquement au moteur électrique de propulsion. 25 4. Système d'alimentation électrique selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la charge électrique comporte au moins un équipement de navigation. 5. Système d'alimentation électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un compresseur (20) destiné à compresser l'hydrogène avant son 30 stockage dans le réservoir d'hydrogène et un compresseur (19) d'oxygène destiné à compresser l'oxygène avant son stockage dans le réservoir d'oxygène. 6. Système d'alimentation électrique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la source d'énergie électrique est externe au véhicule. P 10-2290-FR 35 2942675 Io 7. Système d'alimentation électrique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la source d'énergie électrique est à bord du véhicule. 8. Système d'alimentation électrique (1) selon la revendication 7, dans lequel la source 5 d'énergie électrique est photovoltaïque (50). 9. Système d'alimentation électrique (1) selon la revendication 7, dans lequel la source d'énergie électrique est thermovoltaïque (60). 10 10. Système d'alimentation électrique (1) selon la revendication 7, dans lequel la source d'énergie électrique est un moteur thermique connecté à une génératrice. 11. Système d'alimentation électrique (1) selon la revendication 7, dans lequel la source d'énergie électrique est une éolienne (40). 12. Système d'alimentation électrique (1) selon la revendication 7, dans lequel la source d'énergie électrique est mue par des vagues. 13. Procédé pour alimenter en carburant et en comburant une pile à combustible 20 hydrogène embarquée à bord d'un véhicule (30) à moteur électrique de propulsion alimenté par ladite pile, caractérisé en ce que l'on connecte un électrolyseur (16) à une source d'alimentation électrique et à une source d'eau, on produit à partir de ladite source d'eau de l'hydrogène et de l'oxygène, on stocke l'hydrogène produite par électrolyse dans un réservoir d'hydrogène (14) embarqué dans le véhicule et on stocke l'oxygène produite par électrolyse dans un réservoir d'oxygène (15) embarqué dans le véhicule. 14. Véhicule marin comprenant un système d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 12. 15 P 10-2290-FR