FR2881578A1 - Fuel cell device for producing electricity for electric traction of motor vehicle, has fuel cell with cathode and anode, and pressure variation and absorption oxygen enrichment unit arranged in outlet line originating from cathode - Google Patents

Abstract

The device (1) has a fuel cell (2) with a cathode (3) and an anode (4). A pressure variation and absorption oxygen enrichment unit (5) is arranged in an outlet line of the cathode, where the unit is driven in rotation by an engine (6). A reformer (7) is associated with a burner (8) and an exchanger (9). The reformer and the burner are supplied by fuel from a reservoir (10) containing hydrocarbon.

Description

Dispositif de pile à combustible.Fuel cell device.

La présente invention concerne- un dispositif de pile à combustible, utilisé notamment pour la traction électrique d'un véhicule automobile, et utilisant de l'oxygène comme comburant et de l'hydrogène comme carburant pour produire en sortie de l'énergie électrique.  The present invention relates to a fuel cell device, used in particular for the electric traction of a motor vehicle, and using oxygen as an oxidant and hydrogen as a fuel for producing electrical energy output.

La pile à combustible est un générateur électrochimique permettant d'alimenter une chaîne de traction d'un véhicule électrique.  The fuel cell is an electrochemical generator for powering a power train of an electric vehicle.

Potentiellement, ce système offre l'avantage d'avoir une autonomie du véhicule proportionnelle à la quantité de carburant embarquée, un niveau d'émission de polluants nul, un rendement élevé et la possibilité d'utiliser un carburant alternatif aux carburants actuels.  Potentially, this system offers the advantage of having a vehicle autonomy proportional to the amount of fuel on board, a pollutant emission level of zero, high efficiency and the possibility of using an alternative fuel to current fuels.

Son principe de fonctionnement est simple: il s'agit d'une combustion électrochimique et contrôlée d'hydrogène et d'oxygène avec production simultanée d'électricité, d'eau et de chaleur, selon la réaction chimique: H2+1/2 O2 > H2O. Cette réaction s'opère au sein d'une structure essentiellement composée de deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte: c'est la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau.  Its principle of operation is simple: it is an electrochemical and controlled combustion of hydrogen and oxygen with simultaneous production of electricity, water and heat, according to the chemical reaction: H2 + 1/2 O2 > H2O. This reaction takes place in a structure essentially composed of two electrodes, the anode and the cathode, separated by an electrolyte: it is the reverse reaction of the electrolysis of water.

Le combustible alimentant l'anode pour la réaction électrochimique étant l'hydrogène, deux solutions s'offrent à l'utilisateur. Une première solution est de stocker l'hydrogène près de la pile et de le consommer au fur et à mesure. Mais cela pose aujourd'hui de nombreux problèmes, comme le mode de fabrication de l'hydrogène, son coût économique et environnemental, son mode de stockage, ou encore sa sécurité d'utilisation. Une deuxième solution consiste à produire de l'hydrogène à partir d'un carburant hydrogéné, comme un alcool ou un hydrocarbure. Le système permettant la transformation du carburant en hydrogène est appelé processeur d'hydrogène. Il utilise traditionnellement plusieurs étapes de procédé pouvant être chimique ou physique. Le processeur est principalement constitué d'un premier étage de reformage, qui assure la conversion du carburant en un mélange H2, CO2, CO, N2, H2O. Cette étape est directement suivie par une étape de purification destinée à réduire le taux de monoxyde de carbone en raison de son caractère hautement toxique pour l'homme et pour la pile à combustible.  Since the fuel supplying the anode for the electrochemical reaction is hydrogen, two solutions are available to the user. A first solution is to store the hydrogen near the battery and consume it as and when. But this poses many problems today, such as how the hydrogen is manufactured, its economic and environmental cost, its storage method, and its safety of use. A second solution is to produce hydrogen from a hydrogenated fuel, such as an alcohol or a hydrocarbon. The system for converting fuel into hydrogen is called a hydrogen processor. He traditionally uses several process steps that can be chemical or physical. The processor consists mainly of a first reforming stage, which converts the fuel into a mixture of H2, CO2, CO, N2, H2O. This step is directly followed by a purification step intended to reduce the carbon monoxide level because of its highly toxic nature for humans and for the fuel cell.

Toutefois, de tels processeurs d'hydrogène sont à l'heure actuelle encombrants et onéreux.  However, such hydrogen processors are currently bulky and expensive.

Par ailleurs, pour l'alimentation de la pile à combustible en oxydant, on prévoit généralement un groupe de compression disposé en amont de la pile à combustible pour comprimer de l'air.  Furthermore, for the supply of the oxidant fuel cell, there is generally provided a compression unit disposed upstream of the fuel cell for compressing air.

Le rendement d'une pile à combustible dépend, entre autres facteurs, de la concentration en réactifs. Du côté de la cathode, qui reçoit de l'air ambiant, il est intéressant de disposer d'un air enrichi en oxygène, par exemple au moyen d'une unité d'adsorption modulée en pression.  The efficiency of a fuel cell depends, among other factors, on the concentration of reagents. On the side of the cathode, which receives ambient air, it is advantageous to have oxygen-enriched air, for example by means of a pressure-swing adsorption unit.

Le document WO 02/067 353 décrit une pile à combustible pourvue d'une unité d'adsorption modulée en pression pour l'enrichissement de l'oxydant. Le flux d'oxydant est comprimé en deux étages, avec un compresseur en amont de l'unité d'adsorption modulée en pression et un compresseur disposé en aval. Pour améliorer le rendement, une partie de l'oxydant comprimée par le premier étage peut court-circuiter l'unité d'adsorption modulée en pression et être combinée avec l'oxydant enrichi en aval du deuxième étage de compression. Un troisième compresseur peut être utilisé pour désorber l'unité d'adsorption modulée en pression sous vide. Un dispositif de récupération d'énergie peut être employé dans la ligne de sortie de l'oxydant pour récupérer de l'énergie avec un arbre commun entre compresseur et turbine.  WO 02/067353 discloses a fuel cell provided with a pressure swing adsorption unit for enriching the oxidant. The oxidant stream is compressed in two stages, with a compressor upstream of the pressure swing adsorption unit and a compressor located downstream. To improve the efficiency, a part of the oxidant compressed by the first stage can bypass the pressure-swing adsorption unit and be combined with the enriched oxidant downstream of the second compression stage. A third compressor can be used to desorb the vacuum pressure modulated adsorption unit. An energy recovery device may be employed in the oxidizer output line to recover energy with a common shaft between compressor and turbine.

La présente invention vise à proposer une pile à combustible améliorée, particulièrement compacte et économique.  The present invention aims to provide an improved fuel cell, particularly compact and economical.

Le dispositif de pile à combustible est équipé d'une pile à combustible comprenant une cathode et une anode, et d'un élément d'enrichissement en oxygène à adsorption à modulation de pression. L'élément d'enrichissement est disposé sur une ligne de sortie de la cathode. Il en résulte une construction relativement simple et une gestion thermique plus aisée avec une température des gaz de sortie élevée et une excellente récupération d'énergie.  The fuel cell device is equipped with a fuel cell comprising a cathode and anode, and a pressure modulation adsorption oxygen enrichment element. The enrichment element is disposed on an output line of the cathode. This results in a relatively simple construction and easier thermal management with high output gas temperature and excellent energy recovery.

Dans un mode de réalisation, une ligne de sortie de l'élément d'enrichissement débouche dans une ligne d'entrée de la cathode, notamment pour lui fournir un flux de gaz enrichi en oxygène.  In one embodiment, an output line of the enrichment element opens into an input line of the cathode, in particular to provide a flow of oxygen-enriched gas.

Dans un mode de réalisation, une ligne d'entrée d'air débouche dans une ligne de sortie de l'élément d'enrichissement. On peut ainsi mélanger de l'air et le flux de sortie en oxygène de l'élément d'enrichissement.  In one embodiment, an air inlet line opens into an exit line of the enrichment element. It is thus possible to mix air and the oxygen output stream of the enrichment element.

Dans un mode de réalisation, un condenseur est disposé sur la ligne de sortie de la cathode en amont de l'élément d'enrichissement.  In one embodiment, a condenser is disposed on the output line of the cathode upstream of the enrichment element.

Dans un mode de réalisation, une ligne d'entrée d'air comprend un compresseur d'air, par exemple un turbocompresseur. Le compresseur d'air peut comprendre une pompe à air. La ligne d'entrée d'air peut comprendre au moins un élément de refroidissement d'air, par exemple un échangeur thermique disposé entre deux étages de compression.  In one embodiment, an air inlet line comprises an air compressor, for example a turbocharger. The air compressor may include an air pump. The air inlet line may comprise at least one air cooling element, for example a heat exchanger disposed between two compression stages.

Dans un mode de réalisation, un échangeur thermique est disposé en amont de la cathode.  In one embodiment, a heat exchanger is disposed upstream of the cathode.

Avantageusement, l'élément d'enrichissement est rotatif.  Advantageously, the enrichment element is rotatable.

L'élément d'enrichissement peut être entraîné par un moteur.  The enrichment element can be driven by a motor.

On dispose ainsi d'une pile à combustible à rendement amélioré et à gestion thermique particulièrement performante, d'où une compacité accrue, une masse réduite et un coût plus faible.  This provides a fuel cell with improved efficiency and thermal management particularly powerful, resulting in increased compactness, reduced mass and lower cost.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure annexée.  The present invention will be better understood on reading the detailed description of an embodiment taken by way of non-limiting example and illustrated by the appended figure.

Le dispositif de pile à combustible référencé 1 dans son ensemble comprend une pile à combustible 2 pourvue d'une cathode 3 et d'une anode 4, un élément d'enrichissement en oxygène à adsorption à variation de pression 5 entraîné en rotation par un moteur 6, et un reformeur 7 associé à un brûleur 8 et à un échangeur 9. Le reformeur 7 et le brûleur 8 sont alimentés en carburant à partir d'un réservoir 10 contenant par exemple un hydrocarbure. Le reformeur 7 est alimenté en eau à partir d'un réservoir 11. La sortie du reformeur 7 est reliée à l'entrée de l'anode 4 par l'intermédiaire d'un condenseur 12 permettant de déshumidifier les gaz de sortie du reformeur, l'eau issue du condenseur 12 pouvant être envoyée au réservoir d'eau 11 par une conduite non représentée pour la clarté du dessin. La sortie de l'anode 4 est reliée à l'entrée du brûleur 8 par l'intermédiaire d'un condenseur 13, qui permet également la déshumidification des gaz de sortie de l'anode 4 et l'envoi de l'eau ainsi récupérée au réservoir d'eau 11 par une conduite non représentée.  The fuel cell device referenced 1 as a whole comprises a fuel cell 2 provided with a cathode 3 and an anode 4, a pressure swing adsorption oxygen enrichment element 5 rotated by an engine. 6, and a reformer 7 associated with a burner 8 and an exchanger 9. The reformer 7 and the burner 8 are supplied with fuel from a reservoir 10 containing for example a hydrocarbon. The reformer 7 is supplied with water from a tank 11. The outlet of the reformer 7 is connected to the inlet of the anode 4 via a condenser 12 for dehumidifying the reformer outlet gas, the water from the condenser 12 can be sent to the water tank 11 by a conduit not shown for clarity of the drawing. The outlet of the anode 4 is connected to the inlet of the burner 8 via a condenser 13, which also allows the dehumidification of the outlet gases of the anode 4 and the sending of the thus recovered water to the water tank 11 by a pipe not shown.

L'alimentation en comburant est assurée comme suit. Un compresseur 14, entraîné par un moteur 15, forme un premier étage de compression de l'air ambiant dont la sortie est reliée à un compresseur haute pression 16 par l'intermédiaire d'un échangeur thermique 17. La sortie du compresseur haute pression 16 est reliée, d'une part, à une entrée du reformeur 7 et du brûleur 8, et, d'autre part, à l'entrée de la cathode 3 par l'intermédiaire d'un échangeur thermique 18. La sortie de la cathode 3 est reliée à l'entrée de l'élément d'enrichissement en oxygène 5 par l'intermédiaire d'un condenseur 19 dont la sortie peut être reliée au réservoir d'eau 11.  The oxidant feed is ensured as follows. A compressor 14, driven by a motor 15, forms a first stage of compression of the ambient air whose output is connected to a high-pressure compressor 16 via a heat exchanger 17. The output of the high-pressure compressor 16 is connected, on the one hand, to an input of the reformer 7 and the burner 8, and, on the other hand, to the input of the cathode 3 via a heat exchanger 18. The output of the cathode 3 is connected to the inlet of the oxygen enrichment element 5 via a condenser 19 whose outlet can be connected to the water tank 11.

L'élément d'enrichissement en oxygène 5, de type rotatif, possède une sortie de gaz appauvri en oxygène 5a et une sortie de gaz enrichi en oxygène 5b. La sortie 5b rejoint la sortie du compresseur haute pression 16, d'où un mélange du flux de gaz enrichi en oxygène provenant de l'élément d'enrichissement en oxygène 5 et de l'air comprimé provenant du compresseur haute pression 16. La sortie 5a débouche à l'extérieur pour évacuer hors du système le gaz appauvri en oxygène.  The rotary type oxygen enrichment element 5 has an oxygen-depleted gas outlet 5a and an oxygen-enriched gas outlet 5b. The outlet 5b joins the outlet of the high-pressure compressor 16, resulting in a mixture of the oxygen enriched gas stream from the oxygen enrichment element 5 and the compressed air from the high-pressure compressor 16. The exit 5a opens out to evacuate out of the system oxygen-depleted gas.

L'élément d'enrichissement en oxygène 5 comprend un bâti rotatif 5c supportant une pluralité de cellules d'absorption 5d, chaque cellule suit à son tour un cycle d'absorption et de désorption d'azote par un tamis, par exemple à base de zéolithes dérivant de silicates d'aluminium cristallin et de lithium. L'élément d'enrichissement en oxygène 5 fonctionne préférentiellement à température faible avec des gaz secs sous pression supérieure à la pression atmosphérique. Dans le mode de réalisation représenté, l'élément d'enrichissement en oxygène 5 comprend six cellules d'absorption 5d. A titre d'option, une pompe à vide, non représentée peut être ajoutée pour la désorption, d'où un débit d'oxygène plus élevée et un rendement amélioré.  The oxygen enrichment element 5 comprises a rotatable frame 5c supporting a plurality of absorption cells 5d, each cell in turn follows a nitrogen absorption and desorption cycle by a sieve, for example based on zeolites derived from crystalline aluminum silicates and lithium. The oxygen enriching element 5 preferably operates at a low temperature with dry gases under higher than atmospheric pressure. In the embodiment shown, the oxygen enrichment element 5 comprises six absorption cells 5d. As an option, a vacuum pump, not shown, can be added for desorption, resulting in higher oxygen flow and improved efficiency.

La sortie de l'échangeur 9 associé au reformeur 7 est reliée à une turbine 20 de récupération d'énergie, entraînant le compresseur haute pression 16 par l'intermédiaire d'un arbre commun 21 qui solidarise en rotation le compresseur haute pression 16 et la turbine 20.  The outlet of the exchanger 9 associated with the reformer 7 is connected to a turbine 20 for energy recovery, driving the high-pressure compressor 16 through a common shaft 21 which rotatably secures the high-pressure compressor 16 and the turbine 20.

A titre de variante, on peut prévoir que la sortie de l'un des condenseurs, 12, 13 ou 19 soit reliée à l'entrée du compresseur haute pression 16 afin de participer à son refroidissement. La présence du condenseur 19 en aval de la cathode 3 est particulièrement avantageuse, en ce sens que ledit condenseur 19 provoque un refroidissement des gaz qui le traversent, d'où une diminution de la température des gaz en aval de l'élément d'enrichissement en oxygène 5 qui s'écoule ensuite au moins en partie dans l'échangeur 18, d'où une diminution de la quantité de chaleur à évacuer dans l'échangeur 18 et la possibilité d'un dimensionnement plus faible dudit échangeur 18.  Alternatively, it can be provided that the output of one of the condensers, 12, 13 or 19 is connected to the inlet of the high pressure compressor 16 to participate in its cooling. The presence of the condenser 19 downstream of the cathode 3 is particularly advantageous, in that said condenser 19 causes cooling of the gases passing therethrough, thereby reducing the temperature of the gases downstream of the enrichment element. oxygen which then flows at least partly into the exchanger 18, resulting in a decrease in the amount of heat to be discharged into the exchanger 18 and the possibility of a smaller dimensioning of said exchanger 18.

La température des gaz en sortie de l'échangeur 9 est au contraire particulièrement élevée, d'où un excellent fonctionnement de la turbine 20 de récupération d'énergie, et ce grâce à l'enrichissement en oxygène du comburant envoyé dans le brûleur 8. Le pourcentage d'hydrogène dans le reformat en sortie du reformeur 7 est également augmenté par la fourniture du comburant enrichi en oxygène, d'où un meilleur rendement de la pile à combustible 2. Par ailleurs, l'augmentation de la température des gaz de sortie du brûleur 8 permet de diminuer le temps de démarrage du reformeur 7 grâce à une montée en température plus rapide.  The temperature of the gases leaving the exchanger 9 is on the contrary particularly high, hence an excellent operation of the energy recovery turbine 20, and this thanks to the oxygen enrichment of the oxidant sent into the burner 8. The percentage of hydrogen in the reformate at the outlet of the reformer 7 is also increased by the supply of the oxidant enriched with oxygen, hence a better efficiency of the fuel cell 2. Moreover, the increase in the temperature of the burner output 8 reduces the startup time of the reformer 7 through a faster temperature rise.

La consommation énergétique de compression est diminuée, car l'augmentation de la quantité d'oxygène dans le comburant et la diminution corrélative de la proportion d'azote permettent de diminuer les débits gazeux en entrée, débits gazeux qui doivent être comprimés, et ce tout en conservant le nombre de moles nécessaires au brûleur 8, au reformeur 7 et à la pile à combustible 2.  The energy consumption of compression is reduced, because the increase in the amount of oxygen in the oxidizer and the corresponding decrease in the proportion of nitrogen make it possible to reduce the inlet gas flows, gas flows that must be compressed, and this all maintaining the number of moles required for the burner 8, the reformer 7 and the fuel cell 2.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1-Dispositif de pile à combustible (1) équipé d'une pile à combustible (2) comprenant une cathode (3) et une anode (4), et d'un élément d'enrichissement en oxygène (5) à adsorption à variation de pression, caractérisé par le fait que l'élément d'enrichissement (5) est disposé sur une ligne de sortie de la cathode (3).  1-Fuel cell device (1) equipped with a fuel cell (2) comprising a cathode (3) and an anode (4), and an oxygen enriching element (5) with variable adsorption pressure device, characterized in that the enrichment element (5) is arranged on an output line of the cathode (3). 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une ligne de sortie de l'élément: d'enrichissement (5) débouche dans une ligne d'entrée de la cathode (3).  2-Device according to claim 1, characterized in that an output line of the enrichment element (5) opens into an input line of the cathode (3). 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'une ligne d'entrée d'air débouche dans une ligne de sortie de l'élément d'enrichissement (5).  3-Device according to claim 1 or 2, characterized in that an air inlet line opens into an output line of the enrichment element (5). 4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un condenseur (19) est disposé sur la ligne de sortie de la cathode en amont de l'élément d'enrichissement (5).  4-Device according to any one of the preceding claims, characterized in that a condenser (19) is disposed on the output line of the cathode upstream of the enrichment element (5). 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une ligne d'entrée d'air comprend un compresseur d'air (14).  5-Device according to any one of the preceding claims, characterized in that an air inlet line comprises an air compressor (14). 6-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le compresseur d'air comprend un turbocompresseur (16).  6-Device according to claim 5, characterized in that the air compressor comprises a turbocharger (16). 7-Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que le compresseur d'air comprend une pompe à air.  7-Device according to claim 5 or 6, characterized in that the air compressor comprises an air pump. 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait qu'une ligne d'entrée d'air comprend au moins un élément de refroidissement d'air (17).  8-Device according to any one of claims 5 to 7, characterized in that an air inlet line comprises at least one air cooling element (17). 9-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément d'enrichissement (5) est rotatif.  9-Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the enrichment element (5) is rotatable. 2881578 s 10-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément d'enrichissement (5) est entraîné par un moteur (6).  10-Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the enrichment element (5) is driven by a motor (6).