FR2899020A1 - Systeme de pile a combustible a haut rendement - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un module de puissance 1 comprenant :- une pile à combustible 12 alimentée en gaz riche en oxygène et en gaz riche en hydrogène, et capable de générer de l'énergie électrique,- un vapo-reformeur 6 monté en amont de la pile à combustible 12 et capable de produire, à partir de vapeur d'eau et d'un carburant hydrocarboné, un gaz riche en hydrogène,- un premier brûleur 24 alimenté par des gaz issus de la pile à combustible 12 et éventuellement par un gaz riche en oxygène et/ou du carburant, et en contact thermique avec le vapo-reformeur 6,- un générateur de vapeur 2, monté en amont du vapo-reformeur 6, alimenté en eau et capable de produire de la vapeur d'eau,- et un deuxième brûleur 27 alimenté par des gaz issus du premier brûleur 24 et éventuellement par du carburant, et en contact thermique avec le générateur de vapeur 2.

Description

Système de pile à combustible à haut rendement La présente invention est
relative à la production d'énergie électrique au moyen d'un système de pile à combustible pouvant être utilisé notamment pour la propulsion d'un véhicule automobile. Les piles à combustible sont développées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Les piles à combustible nécessitent de l'hydrogène ou un gaz riche en hydrogène, et de l'oxygène.
Généralement, l'oxygène provient de l'air ambiant. En ce qui concerne l'hydrogène, il peut être stocké dans des réservoirs comprimés embarqués à bord du véhicule, ou bien il peut être produit dans le véhicule lui-même à l'aide d'un dispositif de reformage appelé reformeur. Les reformeurs permettent de produire un gaz riche en hydrogène appelé reformat, à partir d'un carburant hydrocarboné tel que de l'essence. de l'éthanol, etc. On obtient alors un système de pile à combustible permettant de fournir de l'énergie à partir d'un carburant conventionnel. Dans le cadre de l'alimentation de la pile à combustible par un reformat, on distingue différents types de reformeurs selon la réaction chimique qu'ils mettent en oeuvre pour produire l'hydrogène. Il y a ainsi les reformeurs à oxydation partielle qui produisent un reformat riche en hydrogène et en monoxyde de carbone à partir d'un mélange de carburant hydrocarboné et d'oxygène. La réaction d'oxydation partielle intervient très rapidement et dégage de la chaleur (réaction exothermique). Les vapo-reformeurs produisent également un reformat riche en hydrogène et en monoxyde de carbone, mais à partir d'un mélange de carburant hydrocarboné et d'eau. Contrairement à la réaction d'oxydation partielle, la réaction de vapo-reformage est plus lente et consomme de l'énergie thermique (réaction endothermique). Toutefois, elle présente un rendement chimique en hydrogène plus élevé puisque l'hydrogène produit provient à la fois du carburant et des molécules d'eau. Enfin, les reformeurs autothermes combinent les réactions d'oxydation partielle et de vapo-reformage pour obtenir une réaction globale athermique. Les vapo-reformeurs permettent donc d'obtenir le rendement en hydrogène le plus élevé. Toutefois, l'eau fournie au vapo-reformeur doit être sous forme de vapeur d'eau. De plus, en raison du caractère endothermique de la réaction, de l'énergie thermique doit être fournie au vapo-reformeur durant son fonctionnement. Une première solution proposée par la demande de brevet internationale WO03/071188 pour produire la vapeur d'eau est d'utiliser les gaz rejetés par le compartiment anodique de la pile à combustible pour alimenter un brûleur. On réalise la combustion des gaz anodiques afin de fournir la chaleur nécessaire à la production de la vapeur d'eau qui alimente le vapo-reformeur. Le module de puissance permet donc d'utiliser les gaz anodiques rejetés par la pile à combustible mais l'énergie ainsi récupérée n'est pas suffisante pour optimiser le fonctionnement du vapo-reformeur. La demande propose d'ailleurs de combiner le vapo-refomeur avec un reformeur à oxydation partielle afin d'obtenir un reformeur autotherme, ce qui augmente l'encombrement du système au sein du véhicule et diminue le rendement en hydrogène. De plus, la combustion complète des gaz n'est pas forcément assurée avec un seul brûleur. Or, les gaz issus du brûleur sont destinés à être évacués. Une autre solution proposée par la demande de brevet canadien CA2379942 est de coupler le vapo-reformeur à un brûleur alimenté par les gaz anodiques rejetés par la pile à combustible. Le module de puissance permet ainsi de fournir au vapo-reformeur l'énergie nécessaire pour obtenir une production optimum d'hydrogène. Toutefois, la vapeur d'eau nécessite également une production d'énergie dont il n'est pas fait mention. De plus, le module se veut économique et tend à minimiser la quantité de gaz naturel alimentant le brûleur de manière à ce que l'énergie fournie provienne principalement des gaz anodiques. Ainsi, le fonctionnement du vapo-reformeur peut se retrouver limité. Le module de puissance proposé ne permet donc pas de gérer l'ensemble des besoins énergétiques du système de pile à combustible et peut s'avérer insuffisant pour répondre aux besoins énergétiques du vapo-reformeur.
Ici encore, la combustion complète des gaz n'est pas assurée en présence d'un seul brûleur, et les gaz issus de ce brûleur sont malgré tout destinés à l'échappement. L'invention vise à remédier aux inconvénients évoqués ci-dessus.
L'invention a pour objet un module de puissance qui comprend un système de pile à combustible et qui permette d'optimiser le fonctionnement du système de pile à combustible. L'invention a également pour objet de diminuer la pollution dans les gaz d'échappement.
Un module de puissance selon un aspect de l'invention comprend : - une pile à combustible alimentée en gaz riche en oxygène et en gaz riche en hydrogène, et capable de générer de l'énergie électrique, - un vapo-reformeur monté en amont de la pile à combustible et capable de produire, à partir de vapeur d'eau et d'un carburant hydrocarboné, un gaz riche en hydrogène, - un premier brûleur alimenté par des gaz issus de la pile à combustible et éventuellement par un gaz riche en oxygène et/ou du carburant, et en contact thermique avec le vapo-reformeur, - un générateur de vapeur, monté en amont du vapo-reformeur, alimenté en eau et capable de produire de la vapeur d'eau, - et un deuxième brûleur alimenté par des gaz issus du premier brûleur et éventuellement par du carburant, et en contact thermique avec le générateur de vapeur.
Le module de puissance permet ainsi de fournir l'énergie nécessaire au fonctionnement optimal du vapo-reformeur en alimentant le premier brûleur non seulement avec les gaz anodiques mais aussi avec du carburant et du gaz riche en oxygène. Ainsi, lorsque les gaz anodiques rejetés par la pile à combustible ne permettent pas de produire l'énergie thermique nécessaire au bon fonctionnement du vapo-reformeur, le système palie cette déficience par injection de carburant, que ce soit dans la phase de démarrage du module ou bien même en fonctionnement stationnaire. Le but recherché ici est d'optimiser le fonctionnement du vapo-reformeur afin d'obtenir le meilleur rendement de production d'hydrogène. Il n'est donc pas question de limiter l'alimentation du brûleur aux seuls gaz anodiques. De plus, en fonctionnement stationnaire, la composition et la température des gaz issus du premier brûleur peuvent être suffisantes pour vaporiser l'eau contenue dans le générateur de vapeur. Dans ce cas, l'injection de carburant dans le deuxième brûleur n'est nécessaire que pour les phases de démarrage ou les phases transitoires comme par exemple les phases d'accélération. L'utilisation de deux brûleurs au lieu d'un permet donc une gestion plus souple de l'énergie et de la combustion des gaz avant leur échappement. Enfin, les gaz rejetés par le deuxième brûleur présentent une combustion plus complète que ceux issus du premier brûleur, ce qui diminue les émissions polluantes du module de puissance. Par rapport aux modules de l'art antérieur, ce module permet, en consommant juste un peu plus de carburant et en utilisant un brûleur supplémentaire, de récupérer le maximum d'énergie de combustion des gaz anodiques, d'assurer leur combustion complète avant leur rejet dans l'atmosphère, de faire fonctionner de manière optimale le vapo-reformeur et de permettre la production de vapeur d'eau.
Selon un mode préféré de l'invention, le module de puissance peut également comprendre un surchauffeur alimenté par la vapeur d'eau issue du générateur de vapeur et capable de fournir de la vapeur d'eau surchauffée au vapo-reformeur. Ce mode de réalisation permet d'obtenir une température de vapeur d'eau optimale même lorsque les gaz issus du premier brûleur ne sont pas suffisamment chauds. Le surchauffage de la vapeur d'eau peut être obtenue à l'aide d'une résistance chauffante ou de tout autre moyen de chauffage connu de l'homme du métier. Il n'est alors plus forcément nécessaire d'injecter du carburant dans le deuxième brûleur pour obtenir ;fia température souhaitée de vapeur d'eau. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le surchauffeur peut être alimenté par du carburant et être capable de fournir au vapo-reformeur un mélange de vapeur d'eau surchauffée et de carburant.
L'utilisation d'un surchauffeur alimenté en carburant permet de fournir au vapo-reformeur un mélange homogène de vapeur d'eau et de carburant. Cela est normalement rendu difficile en raison du caractère non miscible de l'eau et du carburant hydrocarboné. Or, l'injection de carburant liquide directement dans de la vapeur d'eau surchauffée permet d'une part la vaporisation du carburant et d'autre part son mélange à la vapeur d'eau. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le surchauffeur comprend un échangeur thermique de surchauffe dans lequel circulent les gaz transitant du premier brûleur vers le deuxième brûleur. Ce mode de réalisation permet d'optimiser la gestion de l'énergie thermique des gaz rejetés par le premier brûleur. En effet, la température optimale de fonctionnement du vapo-reformeur est compris par exemple entre 750 C et 950 C. Elle présente donc un écart important par rapport à la température nécessaire au générateur de vapeur. L'utilisation du surchauffeur permet de transférer graduellement et plus efficacement l'énergie des gaz rejetés par le premier brûleur aux réactifs du vapo-reformeur. En effet, à la sortie du premier brûleur, les gaz traversent l'échangeur thermique de surchauffe dans lequel ils vont surchauffer le mélange de vapeur d'eau et de carburant jusqu'à une température proche de celle de fonctionnement du vapo-reformeur. Puis, le deuxième brûleur permet d'assurer la combustion complète des gaz et fournit cette énergie thermique au générateur de vapeur. Les gaz sont utilisés ensuite par un turbocompresseur puis envoyés à l'échappement. La récupération de l'énergie thermique des gaz rejetés par le premier brûleur est donc plus efficace ce qui permet d'éviter de surchauffer la vapeur d'eau par un système extérieur, et de diminuer les émissions polluantes du module. Selon un autre mode de réalisation, le module de puissance comprend un générateur de vapeur de carburant alimenté en carburant et capable de fournir du carburant vaporisé au surchauffeur.
Dans ce mode de réalisation, le carburant est vaporisé avant son mélange avec la vapeur d'eau dans le surchauffeur. Cela peut permettre un meilleur mélange des deux gaz. Le module de puissance peut comprendre une membrane de séparation d"hydrogène montée en aval du vapo-reformeur ou couplée au vapo-reformeur. Le vapo-reformeur peut être un vapo-reformeur catalytique ou un réacteur de vapo-reformage assisté par plasma. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le module de puissance comprend au moins un groupe refroidisseur-séparateur monté en amont et/ou en aval de la pile à combustible, afin de récupérer l'eau présente dans le reformat et/ou dans les gaz produits par la pile à combustible et de la fournir au générateur de vapeur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le module de puissance comprend un groupe de compression capable de fournir un gaz riche en oxygène à la pile à combustible et éventuellement au premier brûleur. Préférentiellement, le groupe de compression comprend un groupe turbocompresseur alimenté par des gaz issus du deuxième brûleur et/ou de la pile à combustible.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le premier brûleur est alimenté par les gaz issus de la réaction anodique de la pile à combustible et/ou le turbocompresseur est alimenté par les gaz issus de la réaction cathodique de la pile à combustible et par les gaz issus du deuxième brûleur.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé. La figure annexée représente schématiquement un module de puissance 1 selon l'invention. Le module 1 comprend un générateur de vapeur 2 alimenté en eau liquide et fournissant de la vapeur d'eau. Le générateur de vapeur 2 peut être un échangeur micro-structuré (c'est-à-dire comprenant des canaux dont le diamètre hydraulique varie de 200 microns à 3 millimètres), un échangeur à plaques ou un échangeur tubulaire. La vapeur d'eau formée par le générateur 2 présente par exemple une température de l'ordre de 400 à 600 C et alimente un échangeur thermique de surchauffe 3. L'échangeur thermique de surchauffe 3, par exemple à contre-courant, est relié au générateur de vapeur 2 par une conduite 4 et est alimenté également en carburant par une conduite 5. L'échangeur 3 peut être réalisé sous la forme d'un échangeur micro-structuré, d'un échangeur à plaques ou d'un échangeur tubulaire. La vapeur d'eau provenant de la conduite 4 est mélangée dans l'échangeur 3 avec le carburant provenant de la conduite 5, ce carburant étant vaporisé au contact de 1a vapeur d'eau. Le mélange est surchauffé par exemple jusqu'à une température de l'ordre de 700 à 850 C, puis est injecté vers un vapo-reformeur 6 par une conduite 7. Le vapo-reformeur 6 peut être un vapo-reformeur catalytique ou un réacteur de vapo-reformage assisté par plasma. Il peut être un réacteur chimique à lit fixe, monolithique ou micro-structuré. Le vaporeformeur 6 produit un reformat riche en hydrogène à partir du mélange de vapeur d'eau surchauffé et de carburant acheminé par la conduite 7. Le reformat produit par le vapo-reformeur 6 est amené par une conduite 9 à un purificateur 8.
Le purificateur 8 permet de réduire, à l'aide de réactions de purification, le taux de monoxyde de carbone contenu dans le reformat jusqu'à un seuil admissible par la pile à combustible. Les réactions de purification peuvent être choisies par exemple parmi la méthanation, l'oxydation préférentielle, une réaction dite de Water Gas Shift ou une combinaison de telles réactions. A la sortie du purificateur 8, le reformat purifié passe par une conduite Il pour atteindre un refroidisseur-séparateur 10. Le refroidisseur-séparateur 10 récupère l'eau contenue dans le reformat qui est ensuite acheminée par une conduite 35 vers le générateur de vapeur 2. Le reformat traité par le refroidisseur-séparateur 10 est amené à une pile à combustible 12 par une conduite 15. La piï[e à combustible 12 est de préférence une pile de type PEM (Proton Exclhange Membrane) comprenant un compartiment anodique 13 siège de la réaction d'oxydation de l'hydrogène, et un compartiment cathodique 14 siège de la réaction de réduction de l'oxygène. La pile à combustible 12 est donc le siège d'une réaction d'oxydo-réduction au cours de laquelle de l'énergie électrique et de l'eau sont produites. Le compartiment anodique 13 est alimenté en reformat riche en hydrogène par la conduite 15 reliée à la sortie du refroidisseur-séparateur 10. Le compartiment cathodique 14 est alimenté en gaz riche en oxygène par une conduite 19 qui relie le compartiment cathodique 14 à la sortie d'un groupe de compression 18. Les gaz anodiques issus du compartiment anodique 13 sont envoyés vers un refroidisseur-séparateur 16 via une conduite 17. Le refroidisseur-séparateur 16 permet de récupérer l'eau, notamment produite par la pile à combustible 12, et contenue dans les gaz anodiques. Cette eau est amenée par une conduite 36 vers le générateur de vapeur 2. Les gaz anodiques sortent du refroidisseur-séparateur par une conduite 23 et sont envoyés à un premier brûleur 24. Le premier brûleur 24 est de préférence un brûleur catalytique mais peut également être un brûleur à flamme et est en contact thermique avec le vapo-reformeur 6. Il est alimenté, par une conduite 33, en air comprimé provenant du groupe de compression 18, en carburant par une conduite 31 et en gaz anodiques par la conduite 23. Il réalise la combustion du carburant, des gaz anodiques contenant de l'hydrogène et de l'air comprimé. Le premier brûleur 24 permet de réaliser une première combustion des gaz anodiques jusqu'à une température de l'ordre de 750 à 950 C par exemple. Le premier brûleur 24 permet de fournir la chaleur ainsi récupérée au vapo-reformeur 6 avec lequel il est en contact thermique. Les gaz brûlés issus du premier brûleur 24 sont évacués par une conduite 26 vers l'échangeur thermique de surchauffe 3. L'échangeur 3 est par exemple parcouru à contre-courant par les gaz brûlés issus du premier brûleur 24 qui cèdent de l'énergie thermique à la vapeur d'eau pour la surchauffer. Les gaz brûlés sont ensuite acheminés par une conduite 28 vers un deuxième brûleur 27. Le deuxième brûleur 27 est de préférence un brûleur catalytique mais peut également être un brûleur à flamme et est en contact thermique avec le générateur de vapeur 2. Il est alimenté en gaz brûlés par le conduite 28 et en carburant par la conduite 29. Il permet d'une part de compléter la combustion des gaz brûlés produits par le compartiment anodique 13 de la pile à combustible 12, et d'autre part de fournir de l'énergie thermique au générateur de vapeur 2. Le deuxième brûleur 27 n'a pas besoin d'être alimenté en air comprimé lorsque l'air comprimé injecté dans le premier brûleur 24 par la conduite 33 alimente en excès le premier brûleur 24. De plus, lorsque la gestion thermique est bien adaptée, la température et la composition des gaz brûlés injectés dans le deuxième brûleur 27 peuvent permettre, en régime stationnaire, de fournir l'énergie nécessaire au générateur de vapeur 2 et de compléter la combustion des gaz anodiques sans injection supplémentaire de carburant. On obtient ainsi en sortie du deuxième brûleur 27 des gaz dont la combustion a été complète, c'est-à-dire des gaz plus propres. Les gaz brûlés issus du deuxième brûleur 27 sont alors acheminés par une conduite 30 vers le groupe de compression 18 avant leur rejet par l'échappement. Les gaz cathodiques issus du compartiment cathodique 14 sont envoyés vers un refroidisseur-séparateur 20 via une conduite 21, puis sont acheminés par une conduite 22 jusqu'au groupe de compression 18. Le refroidisseur-séparateur 20 permet de récupérer l'eau, notamment produite par la pile à combustible 12, et contenue dans les gaz cathodiques, cette eau étant acheminée par une conduite 37 vers le générateur de vapeur 2.
Les refroidisseurs-séparateurs 10, 16 et 20 permettent, en récupérant l'eau contenue dans le reformat et dans les gaz produits par la pile à combustible 12, de maintenir, si nécessaire, un bilan d'eau positif pour le module de puissance 1. Le groupe de compression 18 comprend avantageusement un compresseur volumétrique entraîné par un moteur électrique, à titre de premier étage de compression, et un groupe turbocompresseur comprenant un compresseur relié par un arbre à une turbine, à titre de deuxième étage de compression. Le compresseur volumétrique est alimenté en air ambiant via une conduite 32. L'air ambiant subit une première compression puis est envoyé dans le compresseur du deuxième étage, entraîné via l'arbre commun, par la turbine. La turbine est alimentée, d'une part, par les gaz brûlés récupérés à la sortie du deuxième brûleur 27 et acheminés par la conduite 30 et, d'autre part, par les gaz cathodiques récupérés à la sortie du refroidisseur-séparateur 20 et acheminés par la conduite 22. A la sortie de la turbine, les gaz sont envoyés à l'échappement par une conduite 34. L'air comprimé par le groupe de compression 18 jusqu'à une pression comprise par exemple entre 2 et 4 bars. permet d'alimenter en oxygène le compartiment cathodique 14 de la pile à combustible 12 via la conduite 19, et le premier brûleur 24 via la conduite 33. Selon une variante de l'invention, le carburant peut être vaporisé dans un échangeur thermique indépendant avant d'être injecté dans le surchauffeur 3. De même, selon une autre variante de l'invention, une membrane de séparation d'hydrogène peut être placée à la suite du vaporeformeur 6 ou peut être couplée au vapo-reformeur 6, en remplacement ou en complément du purificateur 8. Le module de puissance tel que décrit précédemment peut être utilisé au sein d'un véhicule automobile pour diverses applications.
Ainsi, selon la gamme de puissance délivrée par le module, on pourra envisager soit l'entraînement du véhicule, soit l'alimentation des équipements électriques du véhicule, soit enfin une prolongation d'autonomie du véhicule, ou encore une combinaison de ces résultats.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Module de puissance (1) comprenant : - une pile à combustible (12, 13, 14) alimentée en gaz riche en oxygène 5 et en gaz riche en hydrogène, et capable de générer de l'énergie électrique, - un vapo-reformeur (6) monté en amont de la pile à combustible (13) et capable de produire, à partir de vapeur d'eau et d'un carburant hydrocarboné, un gaz riche en hydrogène, 10 - un premier brûleur (24) alimenté par des gaz issus de la pile à combustible (13) et éventuellement par un gaz riche en oxygène et/ou du carburant, et en contact thermique avec le vapo- reformeur (6), - un générateur de vapeur (2), monté en amont du vapo-reformeur (6), alimenté en eau et capable de produire de la vapeur d'eau, 15 caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième brûleur (27) alimenté par des gaz issus du premier brûleur (24) et éventuellement par du carburant, et en contact thermique avec le générateur de vapeur (2).
2. Module de puissance (1) selon la revendication 1 comprenant également un surchauffeur (3) alimenté par la vapeur d'eau issue du 20 générateur de vapeur (2) et capable de fournir de la vapeur d'eau surchauffée au vapo-reformeur (6).
3. Module de puissance (1) selon la revendication 2 dans lequel le surchauffeur (3) est également alimenté par du carburant et est capable de fournir au vapo-reformeur (6) un mélange de vapeur d'eau surchauffée 25 et de carburant.
4. Module de puissance (1) selon la revendication 2 ou 3 dans lequel le surchauffeur (3) comprend un échangeur thermique de surchauffe dans lequel circulent les gaz transitant du premier brûleur (24) vers le deuxième brûleur (27). 30
5. Module de puissance (1) selon l'une des revendications 2 à 4 comprenant un générateur de vapeur de carburant alimenté en carburant et capable de fournir du carburant vaporisé au surchauffeur (3).
6. Module de puissance (1) selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel une membrane de séparation d'hydrogène (8) est montée en aval du vapo-reformeur (6) ou est couplée au vapo-reformeur (6).
7. Module de puissance (1) selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le vapo-reformeur (6) est un vapo-reformeur catalytique ou un réacteur de vapo-reformage assisté par plasma.
8. Module de puissance (1) selon l'une des revendications 1 à 7 comprenant au moins un groupe refroidisseur-séparateur (10, 16, 20) monté en amont et/ou en aval de la pile à combustible (12), capable de récupérer l'eau présente dans le reformat ou dans les gaz produits par la pile à combustible (12) et de la fournir au générateur de vapeur (2).
9. Module de puissance (1) selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant un groupe de compression (18) capable de fournir un gaz riche en oxygène à la pile à combustible (14) et éventuellement au premier brûleur (24), le groupe de compression (18) comprenant un groupe turbocompresseur alimenté par des gaz issus du deuxième brûleur (27) et/ou de la pile à combustible (14).
10. Module de puissance (1) selon la revendication 9 dans lequel le premier brûleur (24) est alimenté par les gaz issus de la réaction anodique de la pile à combustible (13) et/ou le turbocompresseur (18) est alimenté par les gaz issus de la réaction cathodique de la pile à combustible (14) et par les gaz issus du deuxième brûleur (27).
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