Brevet FR3107617A1 — publié le 20210827

L’invention concerne une pile (12) à combustible hydrocarboné comportant : - un circuit d’admission de combustible (13) configuré pour acheminer un flux de combustible, - un module réactionnel (15) dans lequel débouche le circuit d’admission de combustible (13), - un circuit d’évacuation de combustible (17) configuré pour évacuer le flux de combustible issu du module réactionnel (15), le circuit d’évacuation de combustible (17) comportant un élément de filtration (20) configuré pour extraire un ou plusieurs composés, notamment du dioxyde de carbone, du flux circulant dans le circuit d’évacuation de combustible (17), ledit flux étant réinjecté, à la sortie de l’élément de filtration (20), dans le circuit d’admission de combustible (13). Figure pour l’abrégé: Fig. 3 Extraction de CO 2 dans la boucle de recyclage d’une pile à combustible Domaine technique général et art antérieur L’invention concerne le domaine technique général des piles à combustible, et plus précisément des piles à combustible hydrocarboné. Classiquement, une pile à combustible, telle qu’illustrée en figure 1, comporte : - deux circuits de distribution, un pour distribuer un combustible réducteur, un autre pour distribuer un oxydant ; - deux électrodes : une anode et une cathode connectées aux bornes d’un consommateur électrique ; - une couche échangeuse d’ions faisant fonction d'électrolyte, disposée entre l’anode et la cathode : elle bloque le passage des électrons et laisse passer les ions provenant soit du combustible oxydé soit de l’oxydant; - des catalyseurs qui accélèrent les réactions entre les réactifs. Dans le cas des piles à membrane échangeuse de protons (présenté pour illustration), le combustible est convoyé jusqu’à l’anode par le circuit de distribution de combustible. Arrivé à l'anode, le combustible se dissocie en ions et en électrons. Les ions traversent alors la membrane, mais les électrons, bloqués, sont contraints d'emprunter un circuit extérieur et circulent de l’anode vers la cathode en passant par le consommateur électrique. À la cathode, les ions de combustible, les électrons, et l’oxydant se rencontrent pour produire une réduction des ions, et entraîner une réaction chimique préférentiellement exothermique, qui va donc produire de la chaleur pouvant être récupérée. Dans le cas des piles à combustible à oxydes solides, des ions négatifs sont produits à la cathode en captant des électrons par le circuit extérieur. Ces ions traversent la membrane et réagissent avec le combustible présent côté anode en restituant les électrons. D’une manière générale, la génération d'une tension électrique aux bornes du consommateur se fait donc grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant. Le plus couramment, le combustible est de l’hydrogène, provenant par exemple d'une électrolyse ou d'un reformage d'hydrocarbures, et l’oxydant est de l’air ou du dioxygène, pour l’abondance des ressources qu’ils présentent et la non toxicité des produits de la réaction. Sont également connues des piles utilisant un combustible hydrocarboné, par exemple au gaz naturel ou d’autres carburants contenant du carbone : il s’agit des piles à haute température telles que les piles à combustible à oxydes solides ou d’autres types de piles combinées à une étape de reformage du gaz. Le combustible produit d’abord de l’hydrogène qui est ensuite consommé par la pile. Cependant la conversion de l’hydrogène dans ces piles n’est jamais totale, ce qui engendre une perte de rendement par rapport au potentiel. Il est connu pour de telles piles à combustible de recycler du fluide issu de l’anode de la pile, tel qu’illustré en figure 2. Une telle pile à combustible comporte un circuit d’admission de combustible 1 et un circuit d’admission d’oxydant 2 injectant respectivement un combustible dans la partie anode d’un module réactionnel 3 de la pile, et un oxydant dans la partie cathode du même module. En sortie du module réactionnel 3, le flux d’oxydant est acheminé vers un brûleur 4 au moyen d’un circuit d’évacuation d’oxydant 6, le brûleur 4 étant configuré pour éliminer la fraction de combustible imbrûlé dans les flux provenant du module réactionnel 3. En sortie du module réactionnel 3, un flux constitué de combustible inutilisé et de produits de réaction est évacué par un circuit de combustible usé 5 se divisant en deux branches. Le circuit de combustible usé 5 comporte une boucle de recyclage 11 configurée pour réinjecter à l’admission une partie du fluide de combustible issu du module réactionnel 3, et un circuit d’évacuation 7 des produits de la réaction configuré pour injecter une partie du flux dans le brûleur 4. En sortie du brûleur 4, les gaz brûlés sont évacués au moyen d’un échappement 8. Un premier échangeur 9 et un deuxième échangeur 10 permettent respectivement de chauffer le flux de combustible entrant dans le module réactionnel 3 au moyen de la boucle d’évacuation de combustible 5 et de chauffer le flux d’oxydant entrant dans le module réactionnel 3 au moyen de l’échappement 8. Le recyclage du combustible permet d’augmenter le taux d’utilisation net du combustible. Mais pour évacuer les produits de la réaction (CO2 et H2O notamment), le recyclage ne peut être que partiel, et il subsiste une perte significative de combustible (H2 et CO) dans le gaz de purge. Ce gaz peut être brûlé dans le brûleur 4 et fournit une chaleur utilisable mais moins bien valorisée. D’autre part, l’utilisation de carburants hydrocarbonés génère des émissions de CO2, polluantes et vecteur d’effet de serre. Ces émissions peuvent être compensées par l’utilisation de bio-gaz ou la captation du CO2 dans les fumées de l’échappement 8, mais la captation nécessitant de traiter de très gros volumes de gaz, elle est chère et difficile à mettre en œuvre. Il existe donc un besoin d’améliorer le rendement des piles à combustibles fonctionnant avec un combustible hydrocarboné. En outre, dans le cas d’utilisation de telles piles à combustibles dans des applications mobiles, par exemple un véhicule, la réduction des émissions polluantes est particulièrement recherchée. Présentation générale de l’invention Un but de l’invention est d’augmenter le rendement des piles à combustible fonctionnant avec un combustible hydrocarboné. Un autre but est de faciliter la captation du CO2 produit par la combustion, dans le but de réduire les émissions. L’invention propose une pile à combustible hydrocarboné comportant : - un circuit d’admission de combustible configuré pour acheminer un flux de combustible, - un module réactionnel dans lequel débouche le circuit d’admission de combustible, - un circuit d’évacuation de combustible configuré pour évacuer le flux de combustible issu du module réactionnel, le circuit d’évacuation de combustible comportant un élément de filtration configuré pour extraire un ou plusieurs composés du flux issu du module réactionnel, ledit flux étant réinjecté, à la sortie de l’élément de filtration, dans le circuit d’admission de combustible, et dans lequel l’élément de filtration est configuré notamment pour capturer du dioxyde de carbone. En sortie de l’élément de filtration, le flux, appauvri en dioxyde de carbone, est réinjecté dans le circuit d’admission, ce qui permet de récupérer et de recycler le combustible n’ayant pas réagi. En recyclant le combustible non utilisé jusqu’à sa consommation complète, le rendement de la pile à combustible est amélioré. Avantageusement, l’invention est complétée par une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises en combinaison: - le circuit d’évacuation de combustible comporte en outre un élément de condensation configuré pour condenser au moins en partie le flux de combustible transitant dans le circuit d’évacuation de combustible, et un séparateur de phases configuré pour séparer les phases liquide et gazeuse du flux de combustible sortant de l’élément de condensation; cela permet d’extraire de l’eau du flux issu du module réactionnel, et de réinjecter dans le circuit d’admission le combustible non utilisé sans être limité par l’accumulation de l’eau et du dioxyde de carbone à l’intérieur de la boucle ; - l’élément de filtration est situé en aval de l’élément de refroidissement et du séparateur de phases; cela permet d’effectuer la filtration sur un flux froid et dépourvu d’eau liquide, et donc d’améliorer l’efficacité de la filtration; - la pile comporte en outre un circulateur situé en aval de l’élément de filtration configuré pour réinjecter le flux sortant de l’élément de filtration dans le circuit d’admission; le flux est donc filtré avant qu’il ne transite dans le circulateur, ce qui permet de retirer du flux les éléments réagissant avec l’élément de filtration et donc de réduire le flux dans le circulateur, ce qui permet de réduire la consommation énergétique du circulateur; - l’élément de refroidissement et/ou le séparateur de phases sont configurés pour permettre de contrôler la proportion d’eau conservée dans le flux circulant dans le circuit d’évacuation de combustible; cela permet notamment de contrôler la proportion d’eau présente à l’entrée du module réactionnel, ce qui permet de fiabiliser la réaction et d’améliorer le fonctionnement de la pile; - la pile comporte en outre un dispositif de stockage et l’élément de filtration est adapté pour injecter le dioxyde de carbone capté lors de la filtration du flux dans le dispositif de stockage; cela permet de limiter l’émission de gaz polluants dans l’atmosphère au cours du fonctionnement de la pile à combustible. Selon un autre aspect, l’invention propose une unité de génération de puissance comportant une pile à combustible hydrocarboné selon l’invention. Selon un autre aspect, l’invention propose un véhicule comprenant une pile à combustible hydrocarboné selon l’invention. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles: la figure 1 est une représentation schématique du principe de fonctionnement d’une pile à combustible; la figure 2 est une représentation schématique d’une pile à combustible de l’état de l’art, comportant notamment une boucle de recirculation du carburant; la figure 3 est une représentation schématique d’une pile à combustible selon l’invention; Description d’un ou plusieurs modes de mise en œuvre et de réalisation Généralités: En référence à la figure 3, une pile 12 à combustible hydrocarboné comporte: - un circuit d’admission de combustible 13 configuré pour acheminer un flux de combustible, - un circuit d’admission d’oxydant 14 configuré pour acheminer un flux d’oxydant, - un module réactionnel 15 dans lequel débouchent d’une part le circuit d’admission de combustible 13 et d’autre part le circuit d’admission d’oxydant 14, - un circuit d’évacuation d’oxydant 16, configuré pour évacuer le flux d’oxydant issu du module réactionnel 15, - un circuit d’évacuation de combustible 17 configuré pour évacuer le flux de combustible issu du module réactionnel 15, extraire les produits de réaction, et recycler le combustible non utilisé. Dans le mode de réalisation représenté, le circuit d’évacuation de combustible 17 comporte, dans le sens d’écoulement du flux dans le circuit: - un élément de refroidissement 18 configuré pour refroidir le flux de combustible transitant dans le circuit d’évacuation de combustible 17, - un séparateur de phases 19 configuré pour séparer les phases liquide et gazeuse du flux de combustible sortant de l’élément de refroidissement 18, - un élément de filtration 20 configuré pour extraire un ou plusieurs composés du flux issu du séparateur de phases 19. Le flux issu de l’élément de filtration 20 est ensuite réinjecté dans le circuit d’admission de combustible 13. Dans le cas d’un combustible hydrocarboné, les produits de réaction retrouvés dans le flux de combustible en sortie du module réactionnel 15 contiennent notamment de l’eau, du dioxyde de carbone et de l’hydrogène n’ayant pas réagi. Lors du passage du flux dans l’élément de refroidissement 18, une partie de l’eau présente dans le flux se condense. Le flux diphasé passe ensuite dans le séparateur de phases 19, ce qui permet de récupérer l’eau présente dans le flux et d’évacuer l’excès vers un circuit de purge. En sortie du séparateur de phases 19, le flux passe par l’élément de filtration 20, qui est avantageusement configuré pour capturer les molécules de dioxyde de carbone présentes dans le flux. L’élément de filtration 20 peut par exemple comporter une solution d’amine configurée pour absorber les molécules de dioxyde de carbone, ou encore exploiter une méthode de séparation par membranes pour extraire le dioxyde de carbone du flux. En sortie de l’élément de filtration 20, le flux, appauvri en eau et en dioxyde de carbone, est réinjecté dans le circuit d’admission 13 au moyen d’un circulateur 21, ce qui permet de récupérer et de recycler le combustible n’ayant pas réagi. Un équilibre s’établit alors entre la production d’eau et de dioxyde de carbone dans le module réactionnel 15 et l’extraction dans la boucle. Dans le mode de réalisation représenté, le circulateur 21 est situé en aval de l’élément de filtration 20. Le flux est donc filtré avant qu’il ne transite dans le circulateur 21, ce qui permet de retirer du flux les éléments réagissant avec l’élément de filtration 20. Le débit du flux est ainsi réduit à la sortie de l’élément de filtration 20, et donc dans le circulateur 21, ce qui permet de réduire la consommation énergétique du circulateur 21. En variante, le circulateur 21 est situé en amont de l’élément de filtration 20. Cela permet d’augmenter la pression dans l’élément de filtration 20, ce qui améliore les performances de filtrage de l’élément de filtration 20. Une telle boucle présente de nombreux avantages, et notamment permet d’augmenter le rendement de la pile à combustible. L’invention permet d’augmenter très notablement le rendement en électricité du système. La littérature pour les piles SOFC fonctionnant au gaz naturel cite des rendements ne dépassant généralement pas 60%. En effet, le rendement est largement lié au taux d’utilisation du combustible, qui ne peut atteindre 100% dans la pile. En recyclant le combustible non utilisé jusqu’à sa consommation complète, le rendement est maximisé. Dans l’exemple simulé le rendement sur PCI du gaz atteint plus de 80%. Un deuxième avantage important est que le dioxyde de carbone extrait peut être récupéré, ce qui transforme le système en installation de combustion à faible émission de carbone. Compte tenu de la composition et du débit du gaz recyclé, la captation du dioxyde de carbone est beaucoup plus facile et économique que sur l’échappement des fumées. Enfin, comme le gaz est recyclé, on peut extraire la totalité du dioxyde de carbone même avec un faible taux de captation par passe. Cet avantage ouvre la porte à l’utilisation de procédés de captation qui ne seraient pas compétitifs sinon. Avantageusement, la pile 12 comporte un premier échangeur 22 et un deuxième échangeur 23, configurés pour porter les fluides entrant dans le module réactionnel 15 à la température nécessaire. Le premier échangeur 22 permet de chauffer le flux de combustible du circuit d’admission de combustible 13 en échangeant de la chaleur avec le flux du circuit d’évacuation de combustible 17. Le deuxième échangeur 23 permet de chauffer le flux d’oxydant du circuit d’admission d’oxydant 14 en échangeant de la chaleur avec le flux du circuit d’évacuation d’oxydant 16. Optionnellement, l’élément de refroidissement 18 et/ou le séparateur de phases 19 sont configurés pour permettre de contrôler la proportion d’eau conservée dans le flux circulant dans le circuit d’évacuation de combustible 17. Cela permet notamment de contrôler la proportion d’eau présente à l’entrée du module réactionnel 15, ce qui permet de fiabiliser la réaction et d’améliorer le fonctionnement de la pile 12. Avantageusement, le circuit d’admission d’oxydant 14 comporte un compresseur 24 configuré pour entraîner le flux d’oxydant à travers le système. La pile 12 comporte avantageusement un brûleur et un circuit de purge (non représentés). Le circuit de purge permet d’évacuer une partie du flux transitant dans le circuit d’évacuation de combustible 17 vers le brûleur, lorsque le débit du flux transitant dans le circuit d’évacuation de combustible 17 est trop important par rapport à la capacité de réinjection vers le circuit d’admission de combustible 13. Cela permet ainsi de fiabiliser le circuit d’évacuation de combustible 17, et cela permet de maîtriser le point de fonctionnement du circuit d’évacuation de combustible 17. Le circuit de purge permet de limiter l’accumulation et le rejet de gaz inertes. Une telle pile à combustible peut utiliser un combustible de type gaz naturel (méthane), tout combustible liquide ou gazeux contenant du carbone et pouvant faire intervenir les réactions d’équilibre entre CO, CO2, H2O et H2 : éthane, propane, méthanol, di-methyl-ether, gaz de synthèse, CO… Optionnellement, l’élément de filtration 20 est configuré pour permettre la récupération du dioxyde de carbone qui y est capté. L’élément de filtration 20 est configuré pour injecter le dioxyde de carbone filtré du flux de produits de réaction dans un élément de stockage 25. Cela permet très avantageusement de supprimer les émissions de CO2 dans l’atmosphère. En outre, le dioxyde de carbone récupéré peut avoir de très nombreuses destinations dont la liste n’est pas limitative : séquestration géologique, matière première pour des synthèses chimiques, stockage temporaire pour une intégration du système dans des applications de mobilité ou de stockage d’énergie, mise en réseau, carboglace, etc… Dans le cas d’une application à un véhicule, la suppression des émissions de CO2 dans l’atmosphère au cours du fonctionnement est particulièrement avantageuse, notamment en raison de politiques anti-pollution de plus en plus exigeantes envers ces émissions. Une telle pile à combustible peut être utilisée dans tout système de génération électrique, qu’il soit intégré à un réseau de production d’énergie ou à un système mobile. Pile (12) à combustible hydrocarboné comportant : - un circuit d’admission de combustible (13) configuré pour acheminer un flux de combustible, - un module réactionnel (15) dans lequel débouche le circuit d’admission de combustible (13), - un circuit d’évacuation de combustible (17) configuré pour évacuer le flux de combustible issu du module réactionnel (15), le circuit d’évacuation de combustible (17) comportant un élément de filtration (20) configuré pour extraire un ou plusieurs composés du flux issu du module réactionnel (15), ledit flux étant réinjecté, à la sortie de l’élément de filtration (20), dans le circuit d’admission de combustible (13), et dans lequel l’élément de filtration est configuré notamment pour capturer du dioxyde de carbone. Pile (12) à combustible hydrocarboné selon la revendication 1, dans laquelle le circuit d’évacuation de combustible (17) comporte en outre un élément de condensation (18) configuré pour condenser au moins en partie le flux de combustible transitant dans le circuit d’évacuation de combustible (17), et un séparateur de phases (19) configuré pour séparer les phases liquide et gazeuse du flux de combustible sortant de l’élément de condensation (18). Pile (12) à combustible hydrocarboné selon la revendication 2, dans laquelle l’élément de filtration (20) est situé en aval de l’élément de refroidissement (18) et du séparateur de phases (19). Pile (12) à combustible hydrocarboné selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un circulateur (21) situé en aval de l’élément de filtration (20) configuré pour réinjecter le flux sortant de l’élément de filtration (20) dans le circuit d’admission (13). Pile (12) à combustible hydrocarboné selon l’une des revendications 2 à 4, dans laquelle l’élément de refroidissement (18) et/ou le séparateur de phases (19) sont configurés pour permettre de contrôler la proportion d’eau conservée dans le flux circulant dans le circuit d’évacuation de combustible (17). Pile (12) à combustible hydrocarboné selon l’une des revendications 1 à 5, comportant en outre un dispositif de stockage (25) et dans lequel l’élément de filtration (20) est adapté pour injecter le dioxyde de carbone capté lors de la filtration du flux dans le dispositif de stockage (25). Unité de génération de puissance comportant une pile (12) à combustible hydrocarboné selon l’une des revendications 1 à 6. Véhicule comprenant une pile (12) à combustible hydrocarboné selon l’une des revendications 1 à 6.