Brevet FR2944648A1 — publié le 20101022

Dispositif de production d'électricité pour sous-marin comportant une pile à combustible. L'invention a pour domaine celui des sous-marins et plus particulièrement des sous-marins comportant un dispositif de production d'électricité du type comprenant une pile à combustible. Différents types de piles à combustible sont aujourd'hui connues. Pour une utilisation à bord d'un sous-marin, il est actuellement envisagé d'utiliser un système embarqué de production d'hydrogène à partir du reformage d'un hydrocarbure, associé à une pile à combustible fonctionnant à basse température et à basse pression. Un tel dispositif de production d'électricité présente de nombreuses difficultés, liées notamment aux contraintes associées à une implantation dans un sous-marin. Ainsi, le stockage et la fourniture du gaz oxygéné et du combustible hydrogéné nécessaires au fonctionnement de la pile présentent des difficultés, telles que, par exemple, la mise en oeuvre de plusieurs réacteurs chimiques successifs dont les paramètres de fonctionnement respectifs sont difficiles à maîtriser. Le reformage du combustible hydrogéné requiert également une quantité importante d'oxygène. De plus, le temps de démarrage du dispositif correspondant au temps nécessaire à l'établissement des réactions d'oxydo-réductions à l'intérieur de la pile, est long. Enfin, les puissances théoriques que l'on pourrait atteindre avec de telles piles restent réduites et, en tout cas, incompatibles avec les puissances nécessaires à la propulsion d'un sous-marin. L'invention a donc pour but de proposer un dispositif de production d'électricité du type comprenant une pile à combustible destiné à équiper un sous-marin et permettant de pallier ces difficultés et, en particulier, permettant d'obtenir de fortes puissances, ayant des performances accrues, tout en ne comprenant qu'un nombre réduit d'équipements. Pour cela l'invention a pour objet un sous-marin comportant un dispositif de production d'électricité comprenant une pile à combustible, des moyens d'alimentation en gaz oxygéné, des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné, et des moyens d'évacuation des gaz effluents. Selon l'invention, la pile à combustible est du type à haute température et est apte à fonctionner à une pression de fonctionnement élevée supérieure ou égale à une pression d'immersion du sous-marin, les moyens d'alimentation en gaz oxygéné et les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné sont aptes à amener le gaz oxygéné et le combustible hydrogéné à une pression adaptée à la pression de fonctionnement, et les moyens d'évacuations des gaz effluents sont aptes à évacuer les gaz effluents à l'extérieur du sous-marin en plongée. Suivant des modes particuliers de l'invention, le sous-marin comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prisent isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - les moyens d'évacuation des gaz effluents comportent un circuit d'évacuation des gaz effluents muni d'une vanne de régulation de pression permettant de maintenir la pression de fonctionnement au-dessus de la pression d'immersion. - les moyens d'évacuation des gaz effluents comportent, en outre, un brûleur aval relié en entrée, d'une part, à une cathode de la pile à combustible et, d'autre part, à une anode de la pile à combustible, et relié en sortie à la vanne de régulation de pression. - les moyens d'évacuation des gaz effluents comprennent, en outre, un dispositif de récupération de l'énergie thermique des gaz effluents. - le dispositif de récupération de l'énergie thermique des gaz effluents est un circuit secondaire comportant un générateur de vapeur, une turbine à vapeur couplé à un alternateur, un condenseur de vapeur et une pompe de recirculation, le générateur de vapeur étant couplé au circuit d'évacuation des gaz effluents. - les moyens d'alimentation en gaz oxygéné comportent un réservoir d'oxygène apte à contenir de l'oxygène pur en phase liquide. - les moyens d'alimentation en gaz oxygéné comportent un vaporisateur apte à générer de l'oxygène gazeux pour alimenter la pile à combustible, et une pompe apte à introduire de l'oxygène liquide dans le vaporisateur à une pression adaptée à la pression de fonctionnement. - les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné comportent un réservoir d'hydrocarbure et une pompe apte à introduire du combustible hydrogéné dans la pile à combustible à la pression de fonctionnement. - les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné comprennent, en outre, un brûleur aval connecté entre la pompe et la pile à combustible, le brûleur aval étant alimenté en comburant par une dérivation des moyens d'alimentation en gaz oxygéné, le brûleur aval constituant un système de préchauffage du combustible hydrogéné. - au moins la pile à combustible est implantée dans une enceinte résistante à la pression dont la pression interne est maintenue à la pression de fonctionnement de la pile à combustible. - la pression de fonctionnement de la pile à combustible est supérieure ou égale à 10 bars, et de préférence supérieure ou égale à une pression d'immersion maximale du sous-marin. L'invention a également pour objet un dispositif de production d'électricité pour un sous-marin, du type comportant une pile à combustible, des moyens d'alimentation en gaz oxygéné, des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné et des moyens d'évacuation des gaz effluents. Selon l'invention, la pile à combustible est du type à haute température et est apte à fonctionner à une pression de fonctionnement élevée, supérieure à 10 bars, et les moyens d'alimentation en gaz oxygéné comportent un réservoir d'oxygène apte à contenir de l'oxygène pur en phase liquide. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un sous-marin selon l'invention ; - la figure 2 représente un premier mode de réalisation du dispositif de production d'électricité dont est équipé le sous-marin de la figure 1 ; - la figure 3 représente un second mode de réalisation du dispositif de production d'électricité selon l'invention ; et, - la figure 4 représente une troisième mode de réalisation du dispositif de production d'électricité selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement un sous-marin 2 équipé d'un dispositif de production d'électricité 4 apte à fournir une puissance électrique. De préférence, le dispositif de production d'électricité 4 génère une puissance suffisante pour entraîner les moyens de propulsion 6 du sous-marin 2. Le dispositif de production d'électricité 4 comporte une pile à combustible du type à haute température apte à fonctionner à une pression élevée. La température de fonctionnement de la pile à combustible est entre 800° et 1000°C, et de préférence de l'ordre de 950°C. La pression de fonctionnement P de la pile à combustible est supérieure ou égale à la pression d'immersion Po qui est exercée par l'eau de mer sur la coque du sous-marin et qui dépend de la profondeur à laquelle est immergé le sous-marin. Le sous-marin 2 est conçu pour résister à des pressions d'immersion Po inférieures ou égales à une pression d'immersion maximale Pomax. La pression de fonctionnement P de la pile à combustible est, de préférence, supérieure à la pression d'immersion maximale Pomax, et, en tout cas, supérieure à 10 bars. Le dispositif de production d'électricité 4 comporte une enceinte 8 à l'intérieure de laquelle est implantée la pile à combustible. L'enceinte 8 est résistante à la pression et est maintenue à une pression interne égale à la pression de fonctionnement P de la pile. Cette disposition permet de confiner la pile à combustible et d'augmenter la sécurité du dispositif de production d'électricité embarqué à bord d'un sous-marin. Du côté amont de la pile à combustible, le dispositif de production d'électricité 4 comporte des moyens d'alimentation en gaz oxygéné, indiqués de manière générale par la référence 11, et des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné, indiqués de manière générale par la référence 15. Du côté aval de l'enceinte 8, le dispositif de production d'électricité 4 comporte des moyens d'évacuations des effluents produits par la pile à combustible, indiqués de manière générale par la référence 20. Les moyens d'évacuations des effluents 20 permettent de rejeter les sous-produits des réactions chimiques qui ont lieu dans la pile à combustible, à l'extérieur du sous-marin 2, directement dans la mer, à tout moment de la plongée. De cette manière, il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens de stockage des effluents à l'intérieur du sous-marin et cela contrairement aux dispositifs de l'art antérieur. La figure 2 illustre en détail un premier mode de réalisation du dispositif de production d'électricité 4 selon l'invention. Sur cette figure, on a représenté une pile à combustible 24 fonctionnant à haute température et à pression élevée, implantée dans l'enceinte 8 résistante à la pression. La pile à combustible 24 comporte une cathode 26, formant le pôle positif d'un générateur de courant électrique, une anode 28, formant le pôle négatif du générateur de courant électrique, et une paroi poreuse 30 séparant la cathode 26 et l'anode 28 tout en autorisant l'échange d'ions entre ces dernières. Une telle pile à combustible est connue de l'homme du métier. En amont de la pile à combustible 24, les moyens d'alimentation en gaz oxygéné 11 comprennent un réservoir 12 apte à contenir de l'oxygène liquide et un circuit 13 reliant le réservoir 12 à la cathode 26 de la pile à combustible 24. Le circuit 13 est muni d'une pompe 14 et d'un vaporisateur 32, disposés en série. La pompe 14 augmente la pression de l'oxygène liquide amené depuis le réservoir 12 pour l'introduire dans le vaporisateur 32 où règne une pression égale à la pression de fonctionnement P de la pile à combustible 24. Le vaporisateur 32 permet, en lui transférant une quantité de chaleur adaptée, de vaporiser l'oxygène liquide introduit par la pompe 14, de manière à alimenter la cathode 26 en oxygène à l'état gazeux. L'oxygène liquide utilisé est du dioxygène 02 et de préférence du dioxygène pur. L'alimentation de la pile à combustible à partir d'un réservoir d'oxygène liquide par l'intermédiaire d'une pompe qui introduit l'oxygène liquide à une pression élevée dans le vaporisateur présente l'avantage de consommer moins d'énergie qu'un pompage sur un gaz à la pression ordinaire dans le but d'élever la pression de l'oxygène à la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte. En amont de la pile à combustible 24, les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné 17 comprennent un réservoir de combustible hydrogéné 16 et un circuit 17 reliant le réservoir 16 à l'anode 28 de la pile à combustible 24. Le circuit 17 est muni d'une pompe 18 permettant d'augmenter la pression du combustible hydrogéné amené depuis le réservoir 16, pour l'introduire directement au niveau de l'anode 28 où règne une pression égale à la pression de fonctionnement P de la pile à combustible. Le combustible hydrogéné est un hydrocarbure ou un mélange d'hydrocarbures de formule générique CnHm. ou CnHmOp En aval de la pile à combustible 24, les moyens d'évacuation des effluents 20 comprennent un brûleur aval 36 relié, en entrée, par un premier circuit 34, à la cathode 26 de la pile à combustible 24 et, par un second circuit 35, à l'anode 28 de la pile à combustible 24. Le brûleur aval 36 est relié, en sortie, par un circuit d'évacuation 21 à une bouche située sur la coque du sous-marin 2 et s'ouvrant à l'extérieur de celui-ci. Le circuit d'évacuation 21 est muni d'une vanne de régulation de pression 22 pour pouvoir maintenir la pression de fonctionnement de la pile à combustible 24 au-dessus de la pression d'immersion Po en contrôlant le débit des gaz effluents. Le fonctionnement du dispositif de production d'électricité 4 du sous-marin 2 va maintenant être décrit. La pompe 14 des moyens d'alimentation en gaz oxygéné 11 est actionnée pour amener une quantité de dioxygène liquide depuis le réservoir 12 dans le vaporisateur 32 où cette quantité de dioxygène subit un changement de phase. Le dioxygène gazeux est ensuite introduit dans la cathode 26. Parallèlement, la pompe 18 des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné est actionnée pour amener une quantité de combustible hydrogéné depuis le réservoir 16 directement à l'anode 28. Au niveau de l'anode 28, une première étape de vaporeformage du combustible hydrogéné a lieu. Elle est rendue possible par la température de fonctionnement élevée de l'ordre de 950°C. Au cours de cette première étape réactionnelle, le combustible hydrogéné est transformé selon la réaction chimique suivante : Cn, Hn + m H2O > m CO + (m + n/2) H2 Le mélange obtenu, riche en dihydrogène, alimente la pile à combustible 24. Une seconde étape d'oxydoréductions a lieu, selon les équations réactionnelles suivantes : H2 + Y2 02 - H2O et C0+1/2 02 --> CO2. Une partie de l'eau produite lors de la seconde étape d'oxydoréduction est utilisée dans la première étape de vaporeformage. Ainsi, le dispositif de production d'électricité 4 est autonome en eau. Les effluents évacués de l'anode 28 et de la cathode 26 sont introduits dans le brûleur aval 36. Les effluents brûlés sont extraits du brûleur 36 à la pression de fonctionnement P de la pile à combustible et rejetés, via la vanne de régulation de pression 22, dans l'eau de mer à l'extérieur du sous-marin 2 en plongée. Dans une première variante de ce premier mode de réalisation, le brûleur aval 36 est implanté à l'extérieur de l'enceinte 8 résistante à la pression. Dans une seconde variante de ce premier mode de réalisation, le vaporisateur 32 est placé hors de l'enceinte 8. L'homme du métier comprendra que dans une troisième variante, à la fois le vaporisateur 32 et le brûleur 36 sont placés hors de l'enceinte 8. Pour initier les réactions chimiques devant avoir lieu au niveau de l'anode 28, le dispositif de production d'électricité doit être démarré au moyen d'un système de préchauffage du combustible hydrogéné. Dans le premier mode de réalisation, le système de préchauffage est externe au dispositif de production d'électricité 4. Il se trouve soit à quai, soit embarqué à bord du sous-marin 2. La figure 3 représente un second mode de réalisation du dispositif de production d'électricité dans lequel le système de préchauffage est intégré au dispositif de production d'électricité de manière à conférer à ce dernier une autonomie de fonctionnement au démarrage. Selon ce mode de réalisation, les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné 115 du dispositif de production d'électricité 104 comportent un brûleur amont 50 en tant que système de préchauffage. Le brûleur amont 50 est placé en parallèle d'une canalisation 117 du circuit 17 d'alimentation en combustible hydrogéné, entre la pompe 18 et l'anode 28. Des première et seconde vannes 52 et 54 permettent de connecter ou d'isoler le brûleur amont 50 de la canalisation 117. Lorsque les première et seconde vannes 52 et 54 sont ouvertes, une fraction du flux de combustible hydrogéné amené par la pompe 18 circule dans le brûleur amont 50. Le brûleur amont 50 est alimenté en comburant par une canalisation 56 connectée en dérivation du circuit d'alimentation en gaz oxygéné 13. Le brûleur amont 50 est placé en aval du vaporisateur 32. La canalisation 56 comporte une troisième vanne 58 permettant, lorsqu'elle est ouverte, d'alimenter le brûleur amont 50 en gaz oxygéné sous forme gazeuse. Le brûleur amont 50 est utilisé au démarrage du dispositif de production d'électricité 104 pour réaliser un préchauffage des équipements utilisés dans les réactions chimiques devant se produire au niveau de l'anode 28 de la pile à combustible 24. Une fois que les réactions chimiques sont initiées, les vannes 52, 54 et 58 sont fermées pour isoler le brûler amont 50 des circuits d'alimentation 13 et 17. L'alimentation en combustible hydrogéné se fait alors directement du réservoir de combustible hydrogéné 16 vers l'anode 28 via la pompe 18 et la canalisation 117. Différentes variantes peuvent être envisagées pour ce second mode de réalisation du dispositif de production d'électricité. En particulier, le brûleur aval 50 peut être implanté hors de l'enceinte 8. La figure 4 représente un troisième mode de réalisation du dispositif de production d'électricité. Selon ce troisième mode de réalisation, les moyens d'évacuation des effluents 220 du dispositif de production d'électricité 204 comprennent un moyen de récupération d'énergie thermique. En effet, pour augmenter le rendement du dispositif de production d'électricité, il est avantageux de récupérer une fraction de l'énergie thermique des gaz effluents qui ont une température proche de 950°C en sortie de la pile combustible et du brûleur aval. Le moyen de récupération d'énergie thermique est constitué par un circuit secondaire 60. Le circuit secondaire 60 comporte un générateur de vapeur 62, une turbine à vapeur 64, un condenseur de vapeur 66 et une pompe 68 de recirculation du fluide circulant dans le circuit secondaire 60. Le générateur de vapeur 62 est connecté au circuit 21 d'évacuation des gaz effluents, en tant que circuit primaire fournissant la chaleur nécessaire à la vaporisation du liquide du circuit secondaire 60. La turbine à vapeur 64 est couplée à un alternateur 70 générant une puissance électrique additionnelle. La puissance électrique additionnelle fourni par le circuit secondaire 60 peut représenter 15% de la puissance électrique totale générée par le dispositif de production d'électricité 204 qui présente, de ce fait, un rendement global élevé pouvant aller jusqu'à environ 65%. L'utilisation d'un générateur de vapeur 62 permet de conserver le potentiel de pression des gaz effluents, tout en récupérant une partie de leur énergie thermique. On conserve ainsi la possibilité de rejeter directement les gaz effluents dans la mer. Le dispositif de production d'électricité selon l'invention fournit des puissances électriques importantes. Avec un dimensionnement adapté, un tel dispositif de production d'électricité peut être rendu compatible avec une utilisation en tant que source de puissance électrique pour l'alimentation des moyens de propulsion du sous-marin. L'utilisation d'une pile à combustible fonctionnant à haute température permet de réaliser les réactions de reformage directement à l'intérieur de la pile. De plus, cette pile est beaucoup moins sensible aux polluants que les piles basse température, de sorte qu'une multitude de carburants peuvent être utilisés pour l'apport d'hydrogène. L'utilisation d'une pile à combustible fonctionnant à haute pression permet de rejeter directement les effluents dans l'eau de mer. REVENDICATIONS1.- Sous-marin comportant un dispositif de production d'électricité (4, 104, 204) comprenant une pile à combustible, des moyens d'alimentation en gaz oxygéné, des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné et des moyens d'évacuation des gaz effluents, caractérisé en ce que la pile à combustible (24) est du type à haute température et est apte à fonctionner à une pression de fonctionnement (P) élevée supérieure ou égale à une pression d'immersion (Po) du sous-marin (2), en ce que les moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11) et les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné (15, 115) sont aptes à amener le gaz oxygéné et le combustible hydrogéné à une pression adaptée à la pression de fonctionnement, et en ce que les moyens d'évacuations des gaz effluents (20, 220) sont aptes à évacuer les gaz effluents à l'extérieur du sous-marin en plongée. 2.- Sous-marin selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation des gaz effluents (20, 220) comportent un circuit d'évacuation des gaz effluents (21) muni d'une vanne de régulation de pression (22) permettant de maintenir la pression de fonctionnement (P) au-dessus de la pression d'immersion (Po). 3.- Sous-marin selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation des gaz effluents (20, 220) comportent, en outre, un brûleur aval (36) relié en entrée, d'une part, à une cathode (26) de la pile à combustible (24) et, d'autre part, à une anode (28) de la pile à combustible (24), et relié en sortie à la vanne de régulation de pression (22). 4.- Sous-marin selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation des gaz effluents (220) comprennent, en outre, un dispositif de récupération de l'énergie thermique des gaz effluents. 5.- Sous-marin selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de récupération de l'énergie thermique des gaz effluents est un circuit secondaire (60) comportant un générateur de vapeur (62), une turbine à vapeur (64) connecté à un alternateur (70), un condenseur de vapeur (66) et une pompe de recirculation (68), le générateur de vapeur étant couplé au circuit d'évacuation des gaz effluents (21). 6.- Sous-marin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11) comportent un réservoir d'oxygène (12) apte à contenir de l'oxygène pur en phase liquide. 7.- Sous-marin selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11) comportent un vaporisateur (32) apte à générer de l'oxygène gazeux pour alimenter la pile à combustible (24), et une pompe (14) apte à introduire de l'oxygène liquide dans le vaporisateur à une pression adaptée à la pression de fonctionnement (P). 8.- Sous-marin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné (15, 115) comportent un réservoir d'hydrocarbure (16) et une pompe (18) apte à introduire du combustible hydrogéné dans la pile à combustible (24) à la pression de fonctionnement (P). 9.- Sous-marin selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné (115) comprennent, en outre, un brûleur aval (50) connecté entre la pompe (18) et la pile à combustible (24), le brûleur aval (50) étant alimenté en comburant par une dérivation des moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11), ledit brûleur aval (50) constituant un système de préchauffage du combustible hydrogéné. 10.- Sous-marin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins la pile à combustible (24) est implantée dans une enceinte (8) résistante à la pression dont la pression interne est maintenue à la pression de fonctionnement (P) de la pile à combustible. 11.- Sous-marin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression de fonctionnement (P) de la pile à combustible (24) est supérieure ou égale à 10 bars, et de préférence supérieure ou égale à une pression d'immersion maximale (Pomax) du sous-marin (2). 12.- Dispositif de production d'électricité pour un sous-marin, du type comportant une pile à combustible (24), des moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11), des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné (15, 115) et des moyensd'évacuation des gaz effluents (20, 220), caractérisé en ce que la pile à combustible est du type à haute température et est apte à fonctionner à une pression de fonctionnement élevée (P), supérieure à 10 bars, et en ce que les moyens d'alimentation en gaz oxygéné comportent un réservoir d'oxygène (12) apte à contenir de l'oxygène pur en phase liquide.