Brevet FR2961959A1 — publié le 20111230

VÉHICULE À MOTORISATION ÉLECTRIQUE ET À PILE À COMBUSTIBLE, COMPORTANT UN RÉACTEUR DE DÉCOMPOSITION DE CHLORATE DE SODIUM POUR ALIMENTER LA PILE EN OXYGÈNE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] La présente invention concerne un véhicule à motorisation électrique comprenant au moins un moteur susceptible d'agir sur au moins un organe d'avancement du véhicule (roue, hélice, turbine, pale, chenille), une pile à combustible et une alimentation de la pile à combustible à base 10 d'hydrogène et d'oxygène fournis par un système d'alimentation d'hydrogène et un système d'alimentation d'oxygène pur embarqués. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE 15 [0002] Les véhicules utilisant une pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène et à l'oxygène pur présentent plusieurs avantages par rapport à une pile à combustible fonctionnant à l'oxygène contenu dans l'air. Parmi ces avantages, on retrouve notamment les particularités suivantes : la densité de puissance est plus élevée (compacité), le système de gestion des gaz de la pile à combustible est fortement simplifié, il n'est pas nécessaire d'humidifier les gaz entrant dans la pile 20 à combustible, le coût est inférieur pour une puissance donnée, le rendement du système est plus élevé, le compresseur d'air est supprimé, aucun gaz polluant n'est introduit dans la pile à combustible par l'air. [0003] Certains inconvénients importants subsistent malgré tout. D'une part, le poids embarqué 25 du réservoir d'oxygène pur sous haute pression est relativement élevé, d'autre part, l'utilisation de gaz sous pression présente certains risques. La pression doit être limitée car le gaz devient extrêmement dangereux lorsque la pression dépasse 200 bars. Lors d'une détente adiabatique, beaucoup de matériaux s'enflamment spontanément au contact de l'oxygène. 30 [0004] Pour pallier ces différents inconvénients, l'invention prévoit différents moyens techniques. EXPOSE DE L'INVENTION 35 [0005] Tout d'abord, un premier objet de l'invention consiste à prévoir un véhicule écologique et économique ; P10-2481-FR5 [0006] Un autre objet de l'invention consiste à prévoir un véhicule procurant un haut niveau de sécurité. [0007] Pour ce faire, l'invention prévoit tout d'abord un véhicule à motorisation électrique comprenant : - au moins un moteur susceptible d'agir sur au moins un organe d'avancement du véhicule (roue, hélice, turbine, pale, chenille) ; - une pile à combustible ; - une alimentation de la pile à combustible à base d'hydrogène et d'oxygène fournis par un système d'alimentation d'hydrogène et un système d'alimentation d'oxygène pur embarqués ; - dans lequel le système d'alimentation en oxygène pur comporte un réservoir de NaCIO3, un réacteur de décomposition du NaCIO3 en communication fluidique avec le réservoir de NaCIO3 et relié à la pile à combustible pour alimenter celle-ci en oxygène après décomposition du NaCIO3. [0008] L'utilisation d'un réacteur de décomposition de chlorate de sodium permet d'embarquer dans un véhicule (sous-marin, avion, voiture, moto, etc) du chlorate de sodium afin de produire in situ de l'oxygène pour l'utiliser dans une pile à combustible produisant de l'électricité et ainsi éviter les inconvénients liés à son stockage sous haute pression, obligeant à de nombreuses précautions pour pouvoir être fait dans des conditions de sécurité optimales. [0009] On peut stocker l'hydrogène sous forme gazeuse à haute pression comme bien connu dans l'état de la technique. Ce mode de stockage est bien maîtrisé et ne pose pas de difficulté particulière. Cependant, dans un mode de réalisation préférentielle d'un véhicule selon l'invention, pour éviter le stockage d'hydrogène à haute pression, le système d'alimentation en hydrogène comporte un réservoir à sensiblement basse pression pour stockage du gaz à l'aide d'hydrures métalliques, ledit réservoir étant en communication fluidique avec la pile à combustible pour alimenter celle-ci en hydrogène. [0010] Dès lors, pour tirer tout le bénéfice de l'invention, il convient de préférence de reconsidérer la fabrication de l'hydrogène et de l'oxygène autrement que par l'électrolyse de l'eau. [0011] On remarque que les produits de décomposition du NaCIO3 sont du sel et de l'oxygène. Le sel peu éventuellement être à nouveau utilisé pour recréer du chlorate de sodium. L'oxygène est utilisé pour alimenter la pile à combustible. C'est un carburant propre, procurant un rendement élevé, contribuant d'une part à générer une quantité d'énergie importante, et d'autre part à assurer un respect de l'environnement dans lequel évolue le véhicule. [0012] Selon un mode de réalisation avantageux, le réacteur de décomposition du NaCIO3 est relié à une source de chaleur (pour générer la réaction de décomposition). P10-2481-FR [0013] De manière avantageuse, les réservoirs de NaCIO3 et d'hydrogène comportent chacun des conduits de remplissage, connectables à une source externe pour remplissage des réservoirs. [0014] Le système d'alimentation en oxygène pur est avantageusement prévu de façon à pouvoir fournir le NaCIO3 sous forme sensiblement solide au réacteur de décomposition. [0015] Selon une variante avantageuse, le NaCIO3 est fourni au réacteur par un système d'alimentation mécanique, comme par exemple par une vis sans fin, ou par gravité. DESCRIPTION DES FIGURES [0016] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les 15 figures 1 à 4, présentées uniquement à des fins d'exemples non limitatifs, et dans lesquelles: - la figure 1 représente de façon schématique un véhicule à motorisation électrique avec réservoir d'hydrogène à basse pression selon l'invention; - la figure 2 montre le même véhicule en relation avec une station de remplissage ; - la figure 3 montre un exemple de moyen utilisé pour permettre d'acheminer le NaCIO3, dans cet 20 exemple, une vis sans fin ; - la figure 4 présente un exemple de station de remplissage pourvue de réservoirs de stockage intermédiaires. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 25 [0017] La figure 1 montre un exemple de véhicule 10 dont les moyens de propulsion, dans cet exemple des moteurs électriques 11 intégrés au niveau des roues 12, sont alimentés au moyen d'une pile à combustible 13. La pile à combustible fonctionne de façon classique, à base d'hydrogène et d'oxygène. La pile permet ainsi de générer du courant continu, envoyé via un 30 convertisseur DC/DC 15 aux deux moteurs, prévus dans les roues avant du véhicule illustré. Le convertisseur DC/DC permet d'adapter la tension fournie par la pile à celle requise par les moteurs. Par exemple, pour une pile fournissant un voltage de 90 à 150 Volts, le convertisseur rehausse la tension par exemple à des valeurs pouvant se situer entre 250 et 300 Volts. Selon d'autres exemples de réalisation, on prévoit les moteurs intégrés au niveau des roues arrières du 35 véhicule, ou encore un moteurs unique, couplé à des moyens de transmission de type connu. [0018] L'hydrogène fourni à la pile 13 provient avantageusement d'un système d'alimentation en hydrogène 20 comportant un réservoir d'hydrogène 21 à sensiblement basse pression permettant le stockage au moyen d'hydrures métalliques. Ce mode de stockage avantageux permet P10-2481-FR10 d'optimiser la quantité de gaz, permettant par exemple de pouvoir stocker une importante quantité d'hydrogène à une pression relativement faible se situant entre 3 et 15 bars. Le système de stockage à hydrure métalliques est décrit plus en détails un peu plus loin dans la description. [0019] Une conduite d'hydrogène 22 permet de relier le réservoir 21 à la pile à combustible 13. [0020] L'oxygène pur fourni à la pile provient avantageusement d'un réacteur 32 de décomposition de NaCIO3 placé en communication fluidique avec un réservoir 31 de NaCIO3. La Figure 3 montre un exemple de moyen permettant d'effectuer l'approvisionnement de chlorate de sodium à partir du réservoir 31 vers le réacteur 32. Dans cet exemple, une vis sans fin 50, disposée entre les deux éléments, est utilisée pour prélever le chlorate, sous forme de poudre, du réservoir 31 et l'acheminer vers le réacteur 32. Dans une variante de réalisation non illustrée, le chlorate de sodium est acheminé au réacteur 32, disposé sensiblement sous le réservoir 31, par gravité. [0021] Le chlorate de sodium embarqué est décomposé par le réacteur installé dans le véhicule à mesure de la demande en oxygène venant de la pile à combustible. La décomposition du chlorate de sodium est gouvernée par la réaction suivante : [0022] NaCIO3 + « Chaleur » -* NaCI + 302 ; cette réaction étant endothermique, elle consomme de l'énergie à bord du véhicule ; l'énergie nécessaire est prélevé à l'énergie électrique produite par la pile à combustible ; cependant, le rendement de cette réaction est très élevé et le bilan énergique global à bord de véhicule reste très intéressant, la part d'énergie prélevée à la pile à combustible pour l'alimenter ainsi en oxygène restant modeste. [0023] L'oxygène issu de la réaction du réacteur 32 est acheminé à la pile à combustible 13 par une conduite à oxygène 36. Si le chlorure de sodium (NaCI) pourrait être dispersé au fur et à mesure de sa production, il est bien entendu très préférable de le stocker à bord du véhicule et de recycler ce produit de toute manière appropriée. [0024] Les réservoirs 31 et 21 sont approvisionnés en chlorate de sodium d'une part et en hydrogène d'autre part lorsque le véhicule 10 est connecté à une station de remplissage 40 tel que présenté à la figure 2. La station 40 est avantageusement munie de deux emplacements 41 et 42 pour connexion aux conduits de remplissage 33 et 34 du véhicule. [0025] La station de remplissage 40 est prévue pour produire du chlorate de sodium et de l'hydrogène, à l'aide d'au moins un électrolyseur au NaCl. La station doit par ailleurs être alimentée en eau, en sel et en énergie, pour permettre la réaction d'électrolyse. Ainsi, au niveau d'une station P10-2481-FR 35 de remplissage, le sel (NaCI) mélangé à l'eau (H2O) est électrolysé de telle façon à produire du chlorate de sodium (NaCIO3) et de l'hydrogène (H2). La réaction chimique suivante l'illustre. [0026] NaCI + 3H2O + 6e- -* NaCIO3 + 3H2 [0027] On remarque que cette réaction produit de l'hydrogène gazeux et du chlorate de sodium solide qui renferme trois atomes d'oxygène. Le chlorate de sodium peut être ainsi facilement stocké sans avoir recours à un réservoir sous pression avec toutes les contraintes liées à celui-ci. De plus le chlorate de sodium n'est pas dangereux. Par conséquent il peut être facilement transportable dans un véhicule sans danger. Des stockages intermédiaires pour l'hydrogène 43 et/ou pour le NaCIO3 44 sont avantageusement prévus au niveau de la station de remplissage. Ces réservoirs tampon permettent de produire l'hydrogène et le chlorate de sodium en toute liberté et avec plus de souplesse, sans contrainte d'approvisionnement en temps réel. Pour la station, les contraintes de stockage de l'hydrogène sont moindres que sur un véhicule. Ainsi, le réservoir tampon d'hydrogène de la station peut être soit un réservoir pressurisé, ou encore un réservoir avec des hydrures, similaire à celui d'un véhicule, mais de préférence avec un volume correspondant à une recharge de plusieurs véhicules. Des moyens d'acheminent de type connu, comme par exemple des tubes pourvus de vis sans fin, permettent de transvaser le NaCIO3 du réservoir tampon vers le véhicule à alimenter. [0028] Soulignons encore que, puisque selon le schéma proposé par l'invention, chaque véhicule produit du chlorure de sodium (NaCI) et que chaque station consomme du chlorure de sodium, de préférence, chaque station dispose d'un équipement (non représenté aux dessins) de collecte du chlorure de sodium stocké à bord du véhicule, afin de le recycler en station pour la production du chlorate de sodium (NaCIO3). [0029] A bord des véhicules, afin de stocker l'hydrogène de façon optimale, des réservoirs comprenant des hydrures métalliques sont avantageusement prévus. Avec de tels réservoirs, le composé métallique agit comme une éponge à hydrogène. II existe plusieurs métaux et alliages métalliques qui ont la propriété d'absorber l'hydrogène dans leur réseau cristallin. Lors du remplissage d'un réservoir, l'hydrogène moléculaire H2 diffusant dans le métal est stocké sous forme atomique H. La liaison moléculaire est affaiblie et il s'ensuit un dégagement de chaleur (réaction exothermique). II est donc avantageux de prévoir un moyen de refroidissement permettant de refroidir le réservoir pendant le remplissage. Sur l'exemple de la figure 1, le réservoir est pourvu d'ailettes 23, qui permettent un refroidissement suffisant si le temps de charge n'est pas trop court. Pour un refroidissement plus efficace, un système de refroidissement à base de liquide peut être prévu. P10-2481-FR [0030] Inversement, pour vider le réservoir, un apport énergétique est requis pour recréer la liaison moléculaire lorsque l'hydrogène atomique quitte l'hydrure. Pour pouvoir être effectuée, la réaction endothermique nécessite de puiser de l'énergie à l'environnement, de sorte que le réservoir se refroidit. De manière avantageuse, un apport en énergie permet d'optimiser l'expulsion de l'hydrogène. L'eau de refroidissement de la pile à combustible, une fois chargée en énergie calorifique, peut permettre de fournir une partie ou la totalité de l'énergie requise. [0031] Les hydrures métalliques les plus connus sont : FeTiH1.7, LaNi5H6, MgH2, Mg2NiH2. [0032] La masse d'hydrogène stockée dans le réservoir par unité de volume est sans doute l'un des avantages les plus importants d'une telle configuration de réservoir avec des hydrures métalliques. La masse volumique d'hydrogène stocké se situe entre 60 g/I et 130 g/I. A titre de comparaison, l'hydrogène comprimé à 350 bars dans un réservoir en composite (par exemple en fibres de carbone résine) a une densité de 25 g/I. Pour de l'hydrogène liquide, on obtient 71 g/I. Cela revient à dire que la technologie des hydrures métalliques permet de stocker beaucoup d'hydrogène dans un petit volume. P10-2481-FR REVENDICATIONS1. Véhicule à motorisation électrique (10) comprenant : - au moins un moteur (11) susceptible d'agir sur au moins un organe d'avancement (12) du véhicule ; - une pile à combustible (13) ; - une alimentation de la pile à combustible à base d'hydrogène et d'oxygène fournis par un système d'alimentation d'hydrogène (20) et un système d'alimentation d'oxygène pur (30) embarqués ; caractérisé en ce que le système d'alimentation en oxygène pur (30) comporte un réservoir de NaCIO3 (31), un réacteur de décomposition (32) du NaCIO3 en communication fluidique avec le réservoir de NaCIO3 et relié à la pile à combustible (13) pour alimenter celle-ci en oxygène pur après décomposition du NaCIO3. 2. Véhicule à motorisation électrique selon la revendication 1, dans lequel le système d'alimentation en hydrogène (20) comporte un réservoir (21) à sensiblement basse pression pour stockage du gaz à l'aide d'hydrures métalliques, ledit réservoir étant en communication fluidique avec la pile à combustible (13) pour alimenter celle-ci en hydrogène; 3. Véhicule à motorisation électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le réacteur (32) de décomposition du NaCIO3 est relié à une source de chaleur. 4. Véhicule à motorisation électrique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les réservoirs de NaCIO3 (31) et d'hydrogène (21) comportent chacun des conduits de remplissage (33, 34), connectables à une source externe (40) pour remplissage des réservoirs. 5. Véhicule à motorisation électrique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le système d'alimentation en oxygène pur (30) est prévu de façon à pouvoir fournir le NaCIO3 sous forme sensiblement solide au réacteur de décomposition (32). 6. Véhicule à motorisation électrique selon la revendication 5, dans lequel le NaCIO3 est fourni au réacteur (32) par un système d'alimentation mécanique. 7. Véhicule à motorisation électrique selon la revendication 6, dans lequel le NaCIO3 est fourni au réacteur (32) par une vis sans fin (50). P10-2481-FR 8. Véhicule à motorisation électrique selon la revendication 5, dans lequel le NaCIO3 est fourni au réacteur (32) par gravité. 9. Véhicule à motorisation électrique selon l'une des revendications 1 à 8, comportant un réservoir de stockage du NaCI produit par la décomposition du NaCIO3. P10-2481-FR