Brevet FR3091417A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : Système de piles à combustible pour un navire [0001] La présente invention concerne un système de piles à combustible pour un navire. [0002] On connait déjà dans l'état de la technique de tels systèmes de piles à combustible. [0003] Ainsi, de manière connue en soi, un système de piles à combustible comprend une ou des pile(s) à combustible composée(s) notamment de deux électrodes. Une telle pile permet de générer une tension électrique à partir d'un combustible réducteur tel que l'hydrogène fourni sur l'un de ses électrodes et d'un oxydant, tel que l'oxygène, fourni sur l'autre électrode. [0004] L'hydrogène est par exemple produit par un procédé de reformage à partir d'un com- bustible stocké dans un réservoir prévu à cet effet et de l'eau. [0005] Ce procédé est mis en oeuvre dans un composant appelé système de reformage qui doit être donc alimenté non-seulement en combustible mais également en eau. [0006] On conçoit alors que cela pose un certain nombre de problèmes dans des envi- ronnements où la captation, le stockage ou la production d'eau douce n'est pas aisée, comme par exemple un moyen de transport tel que un navire, notamment un navire submersible. [0007] La présente invention a pour but de proposer un système de piles à combustible adapté pour fonctionner dans des environnements où la captation, le stockage ou la production d'eau douce n'est pas aisée. [0008] À cet effet, l'invention a pour objet un système de piles à combustible pour un navire, comprenant : [0009] - une pile à combustible comprenant au moins un système de cellules électro- chimiques, l'au moins un système de cellules électrochimiques comprenant deux entrées, l'une des entrées étant entrée anode et l'autre entrée étant entrée cathode, et deux sorties, l'une des sorties étant sortie anode et l'autre sortie étant sortie cathode, l'au moins un système de cellules électrochimiques étant alimenté par de l'hydrogène et de l'oxygène via ses entrées et éjectant via ses sorties un flux de sortie, le flux de sortie comprenant de l'eau liquide et une phase gazeuse ; [0010] - un système de reformage apte à produire de l'hydrogène à partir d'un combustible et de l'eau et à injecter de l'hydrogène dans le système de cellules électrochimiques via l'une de ses entrées ; [0011] le système étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de réutilisation d'eau aptes à: [0012] - séparer l'eau liquide de la phase gazeuse dans le flux de sortie issu des deux sorties de l'au moins un système de cellules électrochimiques ; et [0013] - injecter l'eau liquide récupérée dans le système de reformage. 2 [0014] Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le système comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : [0015] - les moyens de réutilisation d'eau comprennent au moins un pot de condensation raccordé à au moins l'une des deux sorties de l'au moins un système de cellules électrochimiques et apte à séparer l'eau liquide de la phase gazeuse dans le flux de sortie issu de cette ou de ces sorties ; [0016] - les moyens de réutilisation d'eau comprennent en outre un réservoir de collecte apte à collecter de l'eau liquide récupérée par l'au moins un pot de condensation ; [0017] - les moyens de réutilisation d'eau comprennent en outre une vanne apte à contrôler le niveau d'eau dans le réservoir de collecte ; [0018] - les moyens de réutilisation d'eau comprennent en outre une pompe apte à injecter de l'eau collectée dans le système de reformage ; [0019] - les moyens de réutilisation d'eau comprennent plusieurs pots de condensation raccordés respectivement à chaque sortie distincte de l'au moins un système de cellules électrochimiques ; [0020] - les moyens de réutilisation d'eau sont aptes à injecter de l'eau liquide récupérée dans des moyens de production d'hydrogène et/ou de maintien du niveau de qualité des réactifs et/ou des effluents du système de reformage ; [0021] - les moyens de réutilisation d'eau sont aptes en outre à injecter de l'eau liquide récupérée dans un système embarqué du navire autre que le système de reformage ; [0022] - ledit système embarqué permet de compenser le poids du combustible consommé dans un ou plusieurs réservoirs de combustible pour conserver l'équilibre du navire ; et [0023] - le navire est un sous-marin. [0024] Ces caractéristiques et avantages de l'invention appai-aitront à la lecture de la des- cription qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : [0025] [fig.1] la figure 1 est une vue schématique d'un système de piles à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et [0026] [fig.2] la figure 2 est une vue schématique d'un système de piles à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0027] [fig.3] la figure 3 est une vue schématique d'un système de piles à combustible selon un troisième mode de réalisation de l'invention. [0028] On a en effet représenté sur la figure 1 un système de piles à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce système est désigné sur cette figure 1 par la référence 10. [0029] Le système 10 est embarqué dans un navire, notamment un navire submersible, et comprend une pile à combustible, un système de reformage 12 et des moyens de réuti- 3 lisation d'eau 14. [0030] La pile à combustible est connue en soi et comprend au moins un système de cellules électrochimiques 11 qui comprend une cellule électrochimique ou un assemblage de cellules électrochimiques unitaires en série, appelé aussi empilement. [0031] Ainsi, ce système de cellule électrochimique 11 est apte à mettre en oeuvre un procédé électrochimique pour produire une tension électrique à partir de l'oxygène, de l'hydrogène et éventuellement, en présence d'azote. [0032] Comme cela est visible sur la figure 1, le système de cellules électrochimiques 11 comprend deux bornes de tension 21, 22, deux entrées 23, 24 et deux sorties 25, 26. [0033] Les bornes de tension 21, 22 présentent par exemple respectivement une borne négative et une borne positive aptes à fournir une tension électrique à un composant électrique 30 du navire. [0034] L'entrée 23 est une entrée anodique via laquelle le système de cellules électro- chimiques 11 est alimenté en hydrogène et l'entrée 24 est une entrée cathodique via laquelle le système de cellules électrochimiques 11 est alimenté en oxygène, éventuellement additionné d'azote. [0035] L'entrée 23 est raccordée au système de reformage 12 par des moyens de transport connus en soi. [0036] L'entrée 24 est raccordée à un réservoir d'oxygène 13 par des moyens de transport connus en soi. [0037] La sortie 25 est une sortie anodique via laquelle le système de cellules électro- chimiques 11 éjecte des produits issus du procédé électrochimique mis en oeuvre sur l'anode de la pile et la sortie 26 est une sortie cathodique via laquelle le système de cellules électrochimiques 11 éjecte des produits issus de ce procédé sur la cathode du système de cellules électrochimiques 11. [0038] Ces sorties 25, 26 sont raccordées aux moyens de réutilisation d'eau 14 expliqués plus en détail par la suite et à des dispositifs d'éjection d'excès de produit (non représentés). [0039] Le système de reformage 12 est connu en soi et comprend des moyens de production d'hydrogène et des moyens de maintien du niveau de qualité des réactifs et des effluents. [0040] En particulier, un tel système de reformage 12 est apte à mettre en oeuvre un procédé de reformage pour produire de l'hydrogène à partir d'un combustible et de l'eau. [0041] À cet effet, le système de reformage 12 est raccordé à un réservoir de combustible 31 contenant par exemple un hydrocarbure ou un alcool, et à une source d'alimentation en eau douce externe (non représentée). [0042] Par ailleurs, selon l'invention, le système de reformage 12 est raccordé en outre aux moyens de réutilisation d'eau 14 qui permettent de réutiliser de l'eau issue du système de cellules électrochimiques 11 pour l'injecter dans le système de reformage 12. [0043] En particulier, le flux de sortie formé par les produits éjectés par le système de cellules électrochimiques 11 via les sorties 25, 26 comprend de l'eau liquide et une phase gazeuse. La phase gazeuse est composée notamment de l'hydrogène et de la vapeur d'eau ou de l'oxygène, de l'azote et de la vapeur d'eau. [0044] Ainsi, les moyens de réutilisation d'eau 14 permettent de séparer de l'eau liquide de la phase gazeuse dans le flux de sortie issu des sorties 25, 26 du système de cellules électrochimiques 11, et d'injecter tout ou partie de l'eau liquide récupérée dans le système de reformage 12. [0045] Pour ce faire, les moyens de réutilisation d'eau 14 comprennent un ou plusieurs pots de condensation 41, une vanne 42, un réservoir de collecte 43 et une pompe 44. [0046] Sur la figure 1, toutes les sorties 25, 26 sont raccordées à un unique pot à condensation 41. Bien entendu, le nombre de pots de condensation 41 ainsi que la manière de leur raccordement peuvent varier selon les cas. [0047] La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation. Selon ce mode de réalisation, la pile à combustible comprend une pluralité de systèmes de cellules électrochimiques 11 raccordés en parallèle au composant électrique 30, chacun de ces systèmes étant analogue au système de cellules électrochimiques 11 décrit précédemment et ayant donc des entrées 23, 24 et des sorties 25, 26. Cet arrangement permet d'augmenter la puissance électrique délivrée par le système 10. Chaque sortie 25, 26 est raccordée à un pot de condensation distinct, c'est-à-dire qu'il y a autant de pots de condensation que de sorties, par exemple 6 pots de condensation dans le mode de réalisation illustré. [0048] Selon un mode de réalisation non illustré, chaque sortie 25, 26 est raccordée respec- tivement à un pot de condensation distinct et l'ensemble des sorties de ces pots de condensation sont raccordées à un autre pot de condensation. Ceci permet d'améliorer la récupération d'eau et de renforcer la performance et la sécurité du montage en cas de défaillance d'un des pots à condensation. [0049] Dans l'ensemble des modes de réalisation précités, le ou chaque pot de condensation 41 permet de séparer l'eau liquide de la phase gazeuse du flux de sortie. La phase gazeuse est par exemple éjectée ensuite via une sortie prévue (non représentée) à cet effet dans le ou chaque pot de condensation 41. [0050] Le réservoir de collecte 43 permet de collecter de l'eau liquide issue du ou de chaque pot de condensation 41. Le réservoir de collecte 43 comprend également une vanne de trop-plein 42 qui permet de contrôler le niveau d'eau dans le réservoir 43. [0051] La pompe 44 permet de transporter de l'eau collectée dans le réservoir de collecte 43 vers le système de reformage 12 via des moyens de transport connus en soi. À titre d'exemple, cette pompe 44 assure une pression comprise entre 10 et 100 bars. [0052] Finalement, l'eau collectée par le système de réutilisation d'eau 14 peut être injectée par la pompe 44 par le système de reformage 12 afin de : [0053] - participer directement à la production d'hydrogène en tant que réactif des réactions de reformage ; [0054] - maintenir le niveau de qualité des réactifs (ajustement dc la composition de l'eau utilisée pour les réactions dc reformage, pré mélange des réactifs à l'eau) ; [0055] - maintenir le niveau de qualité des effluents des réactions de reformage (nettoyage des effluents à l'eau) ; [0056] - ajuster la teneur en eau des effluents en différents endroits du système par ré- injection d'eau ou de vapeur. [0057] En fonctionnement, lors de sa mise en marche, le système de reformage 12 est alimenté en combustible issu du réservoir 31 et en eau issue de la source d'alimentation d'eau douce externe. Ensuite, le système de reformage 12 produit notamment de l'hydrogène pour alimenter le système de cellules électrochimiques 11. [0058] Le système de cellules électrochimiques 11 produit donc une tension sur ses bornes 21, 22 et éjecte un flux de sortie. Ce flux est récupéré par le ou les pots de condensation 41 pour extraire de l'eau liquide. Cette eau est ensuite injectée dans le système de reformage 12 à travers le réservoir 43 et la pompe 44. [0059] On conçoit alors que cela permet de rendre le système 10 autonome en eau douce ce qui est particulièrement avantageux dans des environnements tels qu'un navire, notamment un navire submersible. [0060] Le système 10 selon un troisième mode de réalisation est illustré en détail sur la figure 3. [0061] Ce système 10 comprend sensiblement les mêmes composants que ceux décrits pré- cédemment et notamment, les mêmes composants que le système 10 selon le premier mode de réalisation. Ainsi, sur la figure 3 ces composants sont désignés par les mêmes références numériques. [0062] Contrairement aux moyens de réutilisation d'eau 14 du système 10 de la figure 1, les moyens de réutilisation d'eau 14 du système 10 de la figure 3 sont aptes en outre à injecter de l'eau liquide récupérée dans un système embarqué 50 du navire autre que le système de reformage 12. [0063] Ce système 50 présente tout système connu à bord du navire qui a besoin d'eau pour son fonctionnement. [0064] Selon un exemple particulier de réalisation de l'invention, le système embarqué 50 permet de compenser le poids du combustible consommé dans le réservoir de combustible 31 pour conserver l'équilibre du navire. [0065] Dans ce cas, ce réservoir de combustible 31 présente par exemple une pluralité de compartiments. Ainsi, au fur à mesure du fonctionnement du système 10, ces compartiments sont vidés de combustible et sont remplis d'eau par le système 50 ce qui 6 permet de limiter les pertes de masse et le déséquilibre du navire. [0066] Bien entendu, le troisième mode de réalisation peut être combiné avec le deuxième mode réalisation. Autrement dit, le système embarqué 50 peut être également connecté au système 10 de la figure 2, par exemple entre la pompe 44 et le système de reformage 12. [0067] TI va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation sont également possibles. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6]