FR2881576A1 - Systeme pile a combustible et procede de production d'eau correspondant - Google Patents
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Abstract
Ce système pile à combustible pour véhicule automobile comprend un reformeur (2) délivrant à la pile à combustible de l'hydrogène à partir d'un carburant, d'air et d'eau, des moyens de récupération d'eau (4) pour extraire l'eau des gaz issus de la pile à combustible et alimenter le reformeur en eau, des moyens d'alimentation en air de la pile à combustible et des moyens de commande pour gérer le fonctionnement du système de pile à combustible.Ce système comporte en outre des moyens pour déterminer l'humidité absolue de l'air alimentant les moyens d'alimentation en air, les moyens de commande étant en outre adaptés pour piloter les moyens d'alimentation en air en fonction de l'humidité mesurée.
Description
Système pile à combustible et procédé de production d'eau correspondant
L'invention concerne les systèmes pile à combustible et concerne, en particulier, la production d'eau par condensation des gaz issus de la pile à combustible pour alimenter un reformeur.
En effet, les systèmes pile à combustible comportent classiquement une pile à combustible comprenant un réacteur muni intérieurement d'une anode alimentée en combustible, en l'espèce de l'hydrogène, et d'une cathode alimentée en comburant, en l'espèce de l'oxygène, séparées par un électrolyte. La pile permet la production directe de l'énergie électrique par mise en oeuvre de réactions d'oxydo-réduction au sein de la pile.
Le fonctionnement d'un système pile à combustible avec reformeur et pile de type membrane ou PEMFC (Proton Exchange Membran Fuel Cell) nécessite de prévoir une alimentation en eau. Cette eau est utilisée, d'une part, au sein de la pile à combustible proprement dite, et d'autre part, par le reformeur pour la production d'un gaz riche en hydrogène.
En effet, l'anode et la cathode sont séparées par une membrane en matériau polymère qui, afin qu'elle ne soit pas endommagée, doit être humidifiée.
Le reformeur, quant à lui, consomme une quantité d'eau non négligeable.
Afin que le système pile à combustible puisse être utilisé dans un véhicule automobile, il est nécessaire d'assurer l'autonomie en eau du système, c'est-à-dire de prévoir des moyens de récupération en eau qui compensent la consommation d'eau du système, en particulier du reformeur.
Classiquement, l'eau nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible est récupérée en sortie de la pile à combustible où elle est produite en prévoyant un ou plusieurs condenseurs d'eau associés à un circuit de refroidissement.
Pour adapter la quantité d'eau récupérée dans le ou les condenseurs au besoin instantané du reformeur, on fait varier la pression des gaz de sortie de la pile qui alimentent le ou les condenseurs jusqu'à obtenir une pression suffisante pour obtenir la quantité d'eau souhaitée.
On pourra à cet égard se référer à la demande de brevet français non publiée n 04-01892 déposée au nom de la Société Demanderesse, dans laquelle une unité de commande dûment programmée pilote un compresseur d'air alimentant la pile à combustible pour que des gaz anodique et cathodique entrant dans des condenseurs respectifs atteignent une pression suffisante pour établir un bilan de production d'eau liquide positif, c'est-à-dire une production d'eau totale supérieure à la consommation totale du système de pile à combustible.
On pourra également se référer au document US-B-6,497,972 qui concerne la régulation de la pression de fonctionnement d'un système pile à combustible pour assurer dans tous les cas un bilan d'eau positif. Il s'agit également, dans ce document, de contrôler la pression d'air dans la pile à combustible pour obtenir la quantité d'eau produite souhaitée.
Au vu de ce qui précède, le but que se propose d'atteindre l'invention est de fournir un système pile à combustible pour véhicule automobile et un procédé de production d'eau associé rendant plus précis le calcul de la pression d'air alimentant la pile permettant d'obtenir un bilan d'eau positif.
Ainsi, selon un premier aspect, l'invention a pour objet un système pile à combustible pour véhicule automobile comprenant une pile à combustible alimentée en hydrogène et en air, un reformeur délivrant à la pile à combustible de l'hydrogène à partir d'un carburant, d'eau et d'air, des moyens de récupération d'eau pour extraire l'eau des gaz issus de la pile à combustible et alimenter le reformeur en eau, des moyens d'alimentation en air de la pile à combustible et des moyens de commande pour gérer le fonctionnement du système de pile à combustible, les moyens de commande comportant des moyens pour piloter les moyens d'alimentation en air en fonction des besoins en eau du reformeur.
Ce système comporte en outre des moyens pour déterminer l'humidité absolue de l'air alimentant les moyens d'alimentation en air, les moyens de commande étant en outre adaptés pour piloter les moyens d'alimentation en air en fonction de l'humidité mesurée.
Selon un premier mode de réalisation, les moyens de mesure comportent un capteur d'humidité absolue.
En variante, les moyens de mesure comportent un capteur d'humidité relative et un capteur de température.
En ce qui concerne les moyens de récupération d'eau, ceux-ci comportent au moins un condenseur disposé en sortie de la pile à combustible.
Ainsi, par exemple, les moyens d'alimentation en air comportent un compresseur associé à une turbine entraînée en rotation par un flux de gaz de sortie du condenseur.
Pour piloter les moyens d'alimentation en air, les moyens de commande comportent des moyens pour commander le fonctionnement du compresseur en fonction de l'humidité absolue et des besoins en eau du reformeur.
Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé de production d'eau pour un système pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, par passage d'un flux gazeux issu de la pile à combustible à travers un ou plusieurs condenseurs, la pile à combustible étant alimentée en air et en hydrogène produit par un reformeur à partir d'un carburant, d'air et d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à déterminer l'humidité absolue de l'air admis dans la pile à combustible et à piloter des moyens d'alimentation en air de la pile à combustible en fonction des besoins en eau du reformeur et de l'humidité absolue.
Dans un mode de mise en oeuvre, on pilote un compresseur d'alimentation de la pile à combustible en air.
On peut mesurer directement l'humidité absolue.
En variante, celle-ci peut être déterminée à partir d'une mesure de l'humidité relative et de la température de l'air ambiant.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma général d'un système pile à combustible conforme à l'invention; la figure 2 est un schéma synoptique illustrant le principe général de l'invention; et - la figure 3 illustre un autre mode de réalisation du système pile à combustible selon l'invention.
La figure 1 représente un système pile à combustible selon l'invention, embarqué à bord d'un véhicule automobile. Il comprend une pile à combustible 1 comprenant une partie anode A qui reçoit un combustible, en l'espèce de l'hydrogène, et une partie cathode C qui reçoit un comburant, en l'espèce de l'oxygène, séparées par une membrane M en matériau polymère, et un reformeur 2 dans lequel des réactions chimiques de reformage entre un carburant, de l'air et de l'eau assurent la production d'hydrogène pour alimenter la pile à combustible.
Le reformeur est associé à un brûleur 3 permettant de chauffer l'ensemble du système, lors de la phase de démarrage, et de réguler la température lors du fonctionnement normal. Il permet en outre de fournir l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau et du carburant nécessaires au reformeur 2.
Par ailleurs, le système pile à combustible visible sur la figure 1 comprend une unité de condensation 4 qui reçoit, en entrée, les gaz issus de la pile à combustible 1, et qui délivre l'eau extraite de ces gaz au reformeur 2.
Un groupe de compression d'air, qui comprend un compresseur 7, une turbine 8 et un moteur 9 alimente en oxygène, généralement sous la forme d'air comprimé, la pile à combustible 1, le reformeur 2, par l'intermédiaire d'un refroidisseur 10, et le brûleur 3. Il rejette vers l'atmosphère le flux gazeux issu de l'unité de condensation 4 en passant par la turbine 8, qui est montée sur le même arbre A que le compresseur 7.
Enfin, le système est pourvu d'un humidificateur 11 qui est associé à la pile à combustible.1. En particulier, l'humidificateur 11 reçoit l'air comprimé délivré par le compresseur 7 et par le refroidisseur 10 pour être humidifié à travers une première chambre 12 de l'humidificateur. En sortie de la pile à combustible 1, l'air passe à travers une deuxième chambre 12' de l'humidificateur pour être asséché avant d'être délivré au condenseur 4. L'eau récupérée traverse une membrane 13 de l'humidificateur 11 pour permettre d'humidifier l'air alimentant la pile 1 et éviter ainsi d'assécher la membrane M. Comme indiqué précédemment, le reformeur 2 est destiné à alimenter la pile 1 en hydrogène. II comporte essentiellement un réacteur 15 comprenant deux compartiments 16 et 17 séparés par une membrane 18 de purification d'hydrogène.
Le deuxième compartiment 17 reçoit l'eau en provenance de l'unité de condensation 4, par l'intermédiaire d'une canalisation 19, de l'air et du carburant délivré par l'intermédiaire d'une conduite 20. Le brûleur 3 est alimenté en carburant par une conduite 20'.
En fonctionnement, l'hydrogène véhiculé par le gaz de sortie de l'unité de condensation 4 alimente le brûleur.
On verra enfin sur la figure 1 que le reformeur communique avec la pile 1 par une conduite 21 et que le brûleur 3 communique avec une conduite par une conduite 21' avec une conduite 22 placée en sortie de l'unité de condensation 4. Puis l'ensemble est relié à turbine 8 par l'intermédiaire d'une conduite 22'.
L'unité de condensation comprend un récupérateur de chaleur 24 et un séparateur 25. Le récupérateur de chaleur comprend un échangeur, désigné par la référence numérique générale 26, qui met en relation d'échange thermique le flux gazeux en amont du condenseur 25, c'est-à-dire le flux gazeux véhiculé par la conduite 22, et un fluide caloporteur de refroidissement circulant dans une boucle 28.
Le séparateur 25 sépare l'eau liquide de la phase gazeuse. Tel est également le cas du refroidisseur 10.
En se référant maintenant à la figure 2, qui représente un schéma synoptique du système pile à combustible visible sur la figure 1, et sur lequel la pile à combustible 1, le reformeur 2, le groupe de compression d'air 6, et l'unité de condensation 4, ont été schématiquement représentés, on voit que les principaux éléments du système pile à combustible, en particulier la pile à combustible 1, le reformeur 2 et le groupe de compression d'air 6 sont pilotés par une unité centrale de commande 29.
En outre, on voit sur cette figure 2, que le système est pourvu d'un capteur d'humidité absolue 30 raccordé à l'unité centrale 29 afin de piloter le fonctionnement du système en fonction de l'humidité absolue de l'air alimentant le reformeur 2 et la pile à combustible 1.
Ce capteur peut être disposé en amont du compresseur ou être situé en tout point du circuit de distribution d'air alimentant le reformeur, de préférence en amont de la pile à combustible 1.
Comme indiqué précédemment, le reformeur permet, par la mise en oeuvre de réactions de reformage, d'alimenter la pile à combustible en hydrogène à partir de carburant, d'air et d'eau.
Ainsi, afin de conserver l'autonomie du système en eau, l'unité centrale 29 compare en permanence le besoin total de l'ensemble des consommateurs d'eau et la production d'eau condensée par l'unité de condensation 4.
Si le besoin est inférieur à la production, l'unité centrale 29 commande classiquement la pile à combustible de manière à satisfaire les besoins en électricité des différents consommateurs, et en particulier du moteur de traction.
Si le besoin en eau est supérieur à la production, par exemple du fait d'une température élevée de la source froide 28 des condenseurs, ou d'une surconsommation dans le reformeur 2, l'unité centrale 29 évalue la quantité d'eau nécessaire pour garantir une alimentation satisfaisante des consommateurs en eau.
L'unité 29 évalue alors la pression P nécessaire dans l'unité de condensation 4 pour établir un bilan de production d'eau liquide positif, c'est-à-dire une production totale supérieure à la consommation totale.
Mais la quantité d'eau produite par l'unité de condensation 4 est liée à la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air manipulé par le groupe de compression d'air 6. Cette quantité de vapeur d'eau présente dans l'air varie en fonction de l'humidité absolue de l'air ambiant.
Ainsi, par exemple, dans le cas où l'humidité absolue de l'air est élevée, la quantité d'eau sous forme de vapeur aspirée par le groupe de compression d'air 6 sera plus importante et donc la quantité récupérable d'eau liquide dans l'unité de condensation 4 sera plus élevée, toutes les autres conditions restant identiques. Ainsi, une humidité absolue de l'air plus élevée permet de réduire la pression de fonctionnement du système afin de récupérer la juste quantité d'eau liquide nécessaire pour avoir un bilan d'eau équilibré.
Par conséquent, l'unité centrale 29 utilise la mesure d'humidité absolue pour éventuellement réduire la pression P dans l'unité de condensation 4, tout en conservant l'autonomie en eau, ce qui permet de réduire la consommation électrique du compresseur 7, et donc permet d'augmenter le rendement du système et de limiter la consommation de carburant.
Le fonctionnement du système pile à combustible qui vient d'être décrit est donc le suivant.
Comme indiqué précédemment, l'unité centrale détermine, de manière connue en soi, le besoin total de l'ensemble des consommateurs d'eau, en particulier du reformeur 2, notamment à partir de la température la plus basse du circuit de refroidissement 28 permettant de liquéfier l'eau contenue dans les gaz issus de la pile à combustible. Il évalue alors la pression P du gaz dans l'unité de condensation 4 permettant d'assurer un bilan d'eau positif.
Il pilote le compresseur 7 afin de parvenir à la pression de fonctionnement déterminée précédemment.
A partir de la mesure de l'humidité absolue délivrée par le capteur 30, il corrige la valeur de pression de gaz dans l'unité de condensation 4 et commande à nouveau le compresseur afin de réadapter la pression de fonctionnement et d'obtenir un bilan d'eau positif, en tenant compte cette fois de l'eau introduite dans le système sous forme de vapeur dans l'air. Comme on le conçoit, cette nouvelle valeur de pression est plus faible, la prise en compte de l'eau sous forme vapeur introduit dans les calculs conduisant à un respect du bilan d'eau positif plus facile à obtenir et donc à une pression de fonctionnement nécessaire moins élevée.
On pourrait cependant également, en variante, piloter le compresseur 7 à partir d'une indication du besoin total des consommateurs en eau et de l'indication de l'humidité absolue, le compresseur étant alors directement piloté de manière à obtenir une pression dans l'unité de condensation 4 suffisante pour atteindre un bilan d'eau positif.
Comme on le conçoit, la baisse de la pression des gaz, par rapport à la valeur de pression nécessaire pour obtenir l'autonomie en eau du système pile à combustible sans prise en compte de l'humidité extérieure, permet de réduire la consommation électrique du compresseur et donc d'optimiser le rendement et la consommation du système tout en conservant l'autonomie en eau.
On notera enfin que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment.
En effet, en se référant maintenant à la figure 3, sur laquelle des éléments identiques à ceux des figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes références numériques, il est possible de remplacer le capteur d'humidité absolue par un capteur d'humidité relative 31 associé à un capteur de température 32 de l'air ambiant, l'unité centrale de commande 29 se chargeant alors, de manière connue en soi, de déterminer, à partir de la mesure de l'humidité relative et de la température de l'air, une valeur correspondante d'humidité absolue.
Claims (10)
1. Système pile à combustible pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible (1) alimentée en hydrogène et en air, un reformeur (2) délivrant à la pile à combustible de l'hydrogène à partir d'un carburant, d'air et d'eau, des moyens de récupération d'eau (4) pour extraire l'eau du gaz issu de la pile à combustible (1) et alimenter le reformeur (2) en eau, des moyens (6) d'alimentation en air de la pile à combustible et des moyens de commande (29) pour gérer le fonctionnement du système de pile à combustible, les moyens de commande comportant des moyens pour piloter les moyens d'alimentation en air (6) en fonction des besoins en eau du reformeur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (30; 31, 32) pour déterminer l'humidité absolue de l'air alimentant les moyens d'alimentation en air, les moyens de commande (29) étant en outre adapté pour piloter les moyens d'alimentation en air en fonction de l'humidité mesurée.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure comportent un capteur d'humidité absolue (30).
3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure comportent un capteur d'humidité relative (31) et un capteur de température (32).
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de récupération d'eau (4) comportent au moins un condenseur (25) disposé en sortie de la pile à combustible.
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en air comportent un compresseur (7) associé à une turbine (8) entraînée en rotation par un flux de gaz de sortie du condenseur (25).
6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande comportent des moyens pour commander le fonctionnement du compresseur en fonction de l'humidité absolue et des besoins en eau du reformeur. "10
7. Procédé de production d'eau pour un système pile à combustible embarqué à bord d'un véhicule automobile, par passage d'un flux gazeux issu de la pile à combustible à travers un ou plusieurs condenseurs (25), la pile à combustible (1) étant alimentée en air et en hydrogène produits par un reformeur à partir d'un carburant, d'air et d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à déterminer l'humidité absolue de l'air admis dans la pile à combustible (1) et à piloter des moyens d'alimentation en air (6) de la pile à combustible en fonction des besoins en eau du reformeur (2) et de l'humidité mesurée.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on pilote un compresseur (7) d'alimentation de la pile à combustible en air.
9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'on mesure l'humidité absolue.
10. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'on mesure l'humidité relative et la température de l'air ambiant et on en déduit l'humidité absolue.
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Effective date: 20060929 |