FR2899021A1 - Dispositif et procede de mise en temperature lors du demarrage d'un systeme de pile a combustible embarque sur un vehicule automobile - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un module de puissance 1 comprenant :- une pile à combustible 12,- un vapo-reformeur membranaire 6,- un générateur de vapeur 2,- un premier brûleur catalytique 24 alimenté par les gaz de rejet issus du vapo-reformeur membranaire 6 et éventuellement par les gaz issus de la pile à combustible 12 et/ou un gaz riche en oxygène et/ou du carburant,- un deuxième brûleur catalytique 27 alimenté par des gaz issus du premier brûleur 24 et éventuellement par du carburant,- un brûleur à flamme 40 capable de produire des gaz brûlés,le vapo-reformeur membranaire 6, les premier et deuxième brûleurs catalytiques 24, 27 et le générateur de vapeur 2 étant montés de manière à pouvoir être chauffés par les gaz brûlés issus du brûleur à flamme 40.

Description

Dispositif et procédé de mise en température lors du démarrage d'un

système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mise en température lors du démarrage d'un système de pile à combustible embarqué sur un véhicule automobile. Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Le développement de ces piles en vue de leur intégration dans des véhicules automobiles met en lumière de nouvelles contraintes. En particulier, les piles à combustible nécessitent de l'hydrogène ou un gaz riche en hydrogène, et de l'oxygène. L'oxygène provient généralement de l'air ambiant. En ce qui concerne l'hydrogène, 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 conventionnel. 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 vaporeformage 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, mais ils ont besoin d'un apport important d'énergie thermique puisque la température optimale de la réaction de vapo-reformage est de l'ordre ou supérieure à 800 C.

De plus, pour des véhicules équipés de système de pile à combustible, il est nécessaire de pouvoir démarrer rapidement, même lorsque la température des différents éléments du système de pile à combustible est relativement basse. Les basses températures ne sont pas adaptées au fonctionnement des piles à combustible, que ce soit pour des questions de rendement ou de pollution par exemple. Il est donc nécessaire, lors des démarrages, d'amener le système de pile à combustible à une température suffisamment élevée pour lui permettre de fonctionner correctement. Cette étape de mise à température doit être la plus rapide possible, compte tenu du cahier des charges des véhicules équipés d'une pile à combustible. On a déjà imaginé diverses solutions pour résoudre les difficultés rencontrées pendant la phase de démarrage à froid d'une pile à combustible. La demande de brevet WO 03/086962 propose ainsi un système de pile à combustible avec un reformeur autotherme suivi de deux modules de purification, fournissant l'hydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible. La demande prévoit un brûleur pour les phases de démarrage. Le brûleur permet la montée en température du reformeur et des modules de purification en y faisant passer des gaz chauds qui sont évacués avant d'atteindre la pile à combustible. Cependant, un tel système de pile à combustible présente un rendement en hydrogène plus faible qu'un système équipé d'un vaporeformeur. De plus, les gaz issus du brûleur sont envoyés à l'échappement après avoir traversé le système de production d'hydrogène. Il suffit alors que leur combustion n'ait pas été complète pour que le système de pile à combustible rejette dans l'atmosphère des gaz polluants et dangereux pour la santé. La demande WO 2004/090075 propose un module comprenant une pile à combustible alimentée par un reformeur autotherme. Le module comprend un brûleur associé à un échangeur thermique afin de fournir au reformeur des réactifs à température élevée. En particulier, le brûleur est alimenté par les gaz rejetés par la pile à combustible qui sont brûlés avant d'être envoyés à l'échappement. Pour la phase de démarrage, la demande prévoit une résistance électrique montée à l'entrée du brûleur pour augmenter la température des réactifs entrant dans le brûleur. Cependant, les gaz issus du brûleur ne sont pas forcément complètement brûlés et sont donc susceptibles d'être dangereux et polluants s'ils sont rejetés dans l'atmosphère. De plus, le reformeur n'est pas un vapo-reformeur, donc le rendement en hydrogène est plus faible. Enfin, la résistance utilisée lors du démarrage ne sert qu'à chauffer les réactifs entrant dans le brûleur. Le brûleur n'est pas chauffé pendant la phase de démarrage, ni le reformeur. Le brûleur risque donc, pendant la phase de démarrage, de rejeter des gaz qui ne sont pas complètement brûlés en raison de sa température encore faible. De plus, il faudra un certain temps pour que l'ensemble du système de pile à combustible atteigne sa température de fonctionnement. La résistance électrique, bien que grande consommatrice d'énergie électrique, ne permet pas de faire monter la température de l'ensemble du système de pile à combustible. Le module reste donc peu performant et polluant durant la phase de démarrage. La demande US 2002/0146604 propose un système de pile à combustible comprenant un reformeur autotherme pour alimenter la pile à combustible en hydrogène, et un brûleur catalytique qui permet de brûler les gaz issus de la pile à combustible. Les gaz chauds produits par le brûleur permettent de vaporiser l'eau et le carburant fournis au reformeur, puis sont évacués à l'échappement. Le module prévoit également un brûleur de démarrage. Le brûleur de démarrage produit des gaz chauds qui sont mélangés aux réactifs du reformeur et qui permettent de faire monter la température du reformeur. Les gaz sont ensuite évacués vers le brûleur catalytique. Cependant, une fois le module en fonctionnement stationnaire, les gaz issus du brûleur catalytique sont évacués dans le système d'échappement sans être forcément complètement brûlés. De plus, le système ne propose pas d'architecture pour un vapo-reformeur dont le rendement en hydrogène serait plus élevé. 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. L'invention a également pour objet de proposer un dispositif de démarrage qui permette d'atteindre rapidement la température de fonctionnement du module, tout en limitant les émissions polluantes. L'invention propose ainsi un module de puissance selon un aspect de l'invention comprenant : - 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 reformat gazeux, - une membrane de séparation d'hydrogène montée en aval ou couplée au vapo-reformeur, et capable de produire un gaz plus riche en hydrogène que le reformat et des gaz de rejet, - un générateur de vapeur, monté en amont du vapo-reformeur, alimenté en eau et capable de produire de la vapeur d'eau, - un premier brûleur catalytique en contact thermique avec le vapo- reformeur et alimenté par les gaz de rejet issus de la membrane de séparation d'hydrogène et éventuellement par les gaz issus de la pile à combustible et/ou un gaz riche en oxygène et/ou du carburant, - un deuxième brûleur catalytique en contact thermique avec le générateur de vapeur et alimenté par des gaz issus du premier brûleur et éventuellement par du carburant, -un brûleur à flamme alimenté en carburant et en gaz riche en oxygène, et capable de produire des gaz brûlés, le vapo-reformeur, les premier et deuxième brûleurs catalytiques et le générateur de vapeur étant montés de manière à pouvoir être chauffés par les gaz brûlés issus du brûleur à flamme. En fonctionnement stationnaire, le module de puissance permet de fournir l'énergie nécessaire au fonctionnement optimal du vaporeformeur en alimentant le premier brûleur non seulement avec les gaz de rejet de la membrane mais aussi éventuellement avec les gaz anodiques issus de la pile à combustible et/ou avec du carburant et/ou avec du gaz riche en oxygène. Ainsi, lorsque les gaz de rejet et les gaz anodiques ne permettent pas de produire l'énergie thermique nécessaire au bon fonctionnement du vapo-reformeur, le système palie cette déficience par injection de carburant. Le but recherché ici est d'optimiser le fonctionnement du vapo-reformeur afin d'obtenir le meilleur rendement de production d'hydrogène. On pourra par exemple obtenir un pourcentage molaire en hydrogène d'environ 40% dans le reformat humide, c'est-à-dire un pourcentage molaire d'environ 60% dans le reformat sec. La concentration en hydrogène élevée obtenue par réaction de vapo-reformage permet d'utiliser efficacement une membrane de séparation d'hydrogène comme moyen de purification.

En effet, les membranes de perméation fonctionnent d'autant mieux que la concentration en hydrogène en amont de la membrane est élevée. D'autre part, le vapo-reformeur permet d'utiliser des liquides (eau, carburant) dont la montée en pression nécessite moins d'énergie que celle des gaz. Cela est particulièrement avantageux lorsqu'on utilise une membrane de séparation d'hydrogène puisque une telle membrane nécessite une différence de pression, de part et d'autre, de l'ordre de 15 bars. Enfin, l'utilisation d'une membrane sélectivement perméable à l'hydrogène permet d'alimenter la pile à combustible avec de l'hydrogène presque pur, ce qui entraîne une meilleure production d'énergie électrique par la pile à combustible. De plus, 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. Durant la phase de démarrage, le dispositif permet d'exploiter l'architecture du module pour optimiser sa montée en température.

Ainsi, le brûleur à flamme alimente les différents éléments du module afin que ceux-ci atteignent une température proche de celle optimale. Cela. permet ainsi d'augmenter le rendement du module, et de diminuer les émissions polluantes. Le dispositif propose une solution peu encombrante et peu consommatrice d'énergie qui permet de chauffer rapidement et efficacement le module de puissance. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le module de puissance peut également comprendre une vanne commandée à trois voies montée entre la sortie du brûleur à flamme et l'entrée des premier et deuxième brûleurs catalytiques. La vanne est commandée en fonction de la température du premier brûleur catalytique qui est mesurée par un capteur de température. Ce mode de réalisation permet de contrôler l'acheminement des gaz issus du brûleur à flamme dans le module de puissance. Ainsi, il est possible de diriger les gaz chauds vers le premier brûleur dans un premier temps puis, lorsque la température souhaitée du premier brûleur est atteinte, les gaz sont redirigés vers le deuxième brûleur. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le module comprend une vanne commandée à trois voies montée entre la sortie du brûleur à flamme et l'entrée du premier brûleur et du vaporeformeur.

La vanne est commandée en fonction de la température du premier brûleur catalytique qui est mesurée par un capteur de température. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le générateur de vapeur comprend un système bouclé de circulation d'eau.

Ce mode de réalisation permet une montée progressive en température de l'eau introduite dans l'évaporateur. En effet, le système bouclé de circulation d'eau permet d'homogénéiser les échanges de chaleur dans l'évaporateur. Cela évite que la vapeur ne se forme qu'à proximité des sources de chaleur et empêche les échanges thermiques. Selon un autre mode de réalisation, le module de puissance comprend un échangeur thermique de surchauffe alimenté respectivement par la vapeur issue du générateur de vapeur et par les gaz brûlés issus du premier brûleur. L'échangeur fournit respectivement de la vapeur d'eau surchauffée au vapo-reformeur et des gaz brûlés au deuxième brûleur. L'échangeur est monté de façon à pouvoir être chauffé par les gaz brûlés issus du brûleur à flamme. 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 et permet d'éviter de surchauffer la vapeur d'eau par un système supplémentaire. De plus, l'alimentation en carburant de l'échangeur 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. Enfin, lors des phases de démarrage, le brûleur à flamme permet également la montée en température de l'échangeur, ce qui contribue au rendement du module et à la diminution de gaz polluants. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le premier brûleur, éventuellement l'échangeur thermique de surchauffe, et le deuxième brûleur sont montés en série sur le circuit d'évacuation des gaz brûlés. Cette disposition permet d'exploiter au mieux l'énergie thermique des gaz issus du brûleur à flamme. En effet, les gaz traversent d'abord le premier brûleur, puis l'échangeur thermique et enfin le deuxième brûleur, c'est-à-dire que l'énergie thermique est transmise en priorité aux éléments du module qui ont la température de fonctionnement la plus élevée. En fonctionnement stationnaire, la température des réactifs (dans le cas présent : l'eau) est augmentée par le générateur de vapeur, puis par l'échangeur thermique de surchauffe pour atteindre la température optimale de fonctionnement du vaporeformeur. C'est donc dans l'ordre inverse que le module est chauffé, de manière à ce que l'énergie thermique soit transmise principalement aux éléments qui ont la température de fonctionnement la plus élevée. De plus, lorsque l'inertie thermique du premier réacteur est plus élevée que celle de l'échangeur et du deuxième brûleur, ces derniers peuvent être montés en température uniquement à partir des gaz chauds qui sortent du premier brûleur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le vaporeformeur, éventuellement l'échangeur thermique de surchauffe, et le générateur de vapeur sont montés en série sur le circuit d'évacuation des gaz brûlés. Cette disposition apporte les mêmes avantages que précédemment. Les gaz chauds sont dirigés de l'élément qui doit monter le plus haut en température à celui qui monte le moins haut.

L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'un module de puissance comprenant une pile à combustible alimentée en gaz riche en hydrogène par un vapo-reformeur associé à un générateur de vapeur. Selon le procédé : - dans une phase de démarrage, on utilise une source de chaleur extérieure pour faire monter la température d'abord du vapo-reformeur jusqu'à une température de fonctionnement, puis du générateur de vapeur, - et, dans une phase de fonctionnement stationnaire, on cesse d'utiliser la source de chaleur extérieure. Le procédé permet de définir la stratégie de démarrage du module. Il précise en effet l'ordre d'acheminement des gaz chauds issus du brûleur à flamme de manière à répartir au mieux l'énergie thermique et de manière à rendre rapidement opérationnel le module tout en limitant les émissions polluantes. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante de deux modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un module de puissance équipé d'un dispositif de mise en température selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un module de puissance équipé d'un dispositif de mise en température selon un deuxième mode de réalisation. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un module de puissance 1 selon l'invention. Le module 1 comprend une pile à combustible 12 alimentée en gaz riche en oxygène par un groupe compresseur 18 et en gaz riche en hydrogène par un module comprenant un vapo-reformeur membranaire 6, un échangeur de surchauffe 3 et un générateur de vapeur 2. Le vapo-reformeur membranaire 6 peut être par exemple constitué d'un réacteur de vapo-reformage comprenant une ou plusieurs membranes perméables principalement à l'hydrogène. Le générateur de vapeur 2 et le vapo-reformeur membranaire 6 sont en contact thermique avec deux réacteurs catalytiques 27, 24 dans lesquels sont brûlés les gaz de rejet de la membrane de séparation d'hydrogène, et éventuellement des gaz anodiques ou du carburant. Un brûleur à flamme 40 est monté de manière à alimenter en gaz chauds le module de formation du gaz riche en hydrogène ainsi que les réacteurs catalytiques associés. Le module 1 comprend le générateur de vapeur 2 alimenté en eau liquide et fournissant de la vapeur d'eau. Le générateur de vapeur 2 peut être par exemple un échangeur à plaques, un échangeur tubulaire ou un échangeur micro-structuré (c'est-à-dire comprenant des canaux dont le diamètre hydraulique varie de 200 microns à 3 millimètres). L'utilisation d'échangeurs micro-structurés permet d'augmenter fortement les échanges thermiques entre le fluide qui parcourt les canaux et les canaux. La vapeur d'eau formée par le générateur 2 présente par exemple une température de l'ordre de 400 C et alimente l'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 par exemple 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 la vapeur d'eau. Le mélange est surchauffé par exemple jusqu'à une température de l'ordre de 600 à 800 C, puis est injecté vers le vapo-reformeur membranaire 6 par une conduite 7. Le vapo-reformeur membranaire 6 peut comprendre un vaporeformeur catalytique ou un réacteur de vapo-reformage assisté par plasma. Il peut être un réacteur chimique à lit fixe, monolithique ou micro-structuré. Le vapo-reformeur membranaire 6 produit un reformat riche en hydrogène à partir du mélange de vapeur d'eau surchauffée et de carburant, acheminé par la conduite 7. Le reformat traverse alors une membrane associée au vapo-reformeur membranaire 6. La membrane permet d'obtenir à partir du reformat, d'une part un gaz très riche en hydrogène, et d'autre part des gaz de rejet appauvris en hydrogène. Les gaz de rejet, ou rétentat, sont acheminés par une conduite 8 vers le premier brûleur 24, tandis que le gaz riche en hydrogène, ou perméat, est acheminé vers la pile à combustible 12 grâce à une conduite 9. La membrane permet également de purifier le reformat des gaz toxiques qu'il contient. Ainsi, le monoxyde de carbone qui est susceptible de détériorer la pile à combustible de type PEM 12, ne traverse pas la membrane de séparation à hydrogène. Il n'est donc pas nécessaire de placer de purificateur supplémentaire entre le vapo-reformeur membranaire 6 et la pile à combustible 12. La pile à combustible 12 est de préférence une pile de type PEM (Proton Exchange 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 gaz riche en hydrogène par la conduite 9 reliée à la sortie du vapo-reformeur membranaire 6. Le compartiment cathodique 14 est alimenté en gaz riche en oxygène par une conduite 19 qui relie le compartiment cathodique 14 à la sortie du groupe de compression 18. Les gaz anodiques issus du compartiment anodique 13 sont renvoyés en entrée du compartiment anodique 13 par une conduite 17. En cas de purge du compartiment anodique 13, les gaz anodiques sont acheminés au premier brûleur 24 par une conduite 23 contrôlée par une vanne 16. 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 membranaire 6. En fonctionnement stationnaire, il est alimenté en gaz de rejet issus du vapo-reformeur membranaire 6 par la conduite 8, en carburant par une conduite 31, en air comprimé provenant du groupe de compression 18 par une conduite 33, et éventuellement en gaz anodiques par la conduite 23. Il peut réaliser, simultanément ou pas, la combustion des gaz de rejet, du carburant, de l'air comprimé et des gaz anodiques contenant de l'hydrogène. Le premier brûleur 24 permet ainsi de réaliser une première combustion des gaz de rejet jusqu'à une température par exemple de l'ordre de 750 à 850 C. Cette première combustion permet d'une part de réduire la toxicité des gaz produits par le module 1 avant leur rejet à l'échappement, et d'autre part de produire de l'énergie thermique pouvant être fournie au vapo-reformeur 6 en contact thermique avec le premier brûleur 24. 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 le 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 issus de l'échangeur thermique 3 par la conduite 28 et en carburant par une conduite 29. Il permet, en fonctionnement stationnaire, d'une part de compléter la combustion des gaz de rejet et des gaz brûlés produits par le brûleur à flamme 40, 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 de rejet 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 moins polluants. 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 et composés d'eau et d'air, 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 est amenée par une conduite 37 vers le générateur de vapeur 2. Le refroidisseur-séparateur 20 permet, en récupérant l'eau contenue 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, le premier brûleur 24 via la conduite 33 et le brûleur à flamme 40 via une conduite 41.

Le module 1 comprend également le brûleur à flamme 40 qui alimente en gaz chauds les éléments du module 1. Le brûleur 40 est alimenté en carburant et en air comprimé. L'air comprimé est produit par le groupe de compression 18 et est acheminé par une conduite 41 jusqu'au brûleur 40. L'injection d'air comprimé dans le brûleur à flamme 40 permet de contrôler la température des gaz chauds qui en sortent. En effet, afin d'éviter la formation d'oxydes d'azotes et afin de ménager les matériaux, il est préférable de maintenir la température des éléments 24, 6, 3, 27, 2 du module, en-dessous d'environ 900 C. L'ajout d'air en excès permet dediluer si nécessaire l'énergie thermique des gaz chauds de manière à ne pas atteindre une température trop élevée. Une vanne trois voies 42 est montée entre la sortie du groupe de compression 18 et les conduites 33 et 41. La vanne 42 est commandée par une unité de commande électronique (UCE) 43. L'unité 43 commande la vanne 42 selon les informations qui lui sont transmises par le capteur de température 44 qui mesure la température du premier brûleur catalytique 24. Le brûleur 40 fournit des gaz chauds qui sont acheminés au premier brûleur 24 par une conduite 45 et à l'échangeur thermique de surchauffe 3 par une conduite 46. Une vanne trois voies 47 est montée entre la sortie du brûleur 40 et les conduites 45 et 46. La vanne 47 est également commandée par l'unité de commande électronique 43. Lorsque le module 1 est démarré, le brûleur à flamme 40 est alimenté en carburant et en air et produit des gaz chauds. Les gaz sont dans un premier temps acheminés vers le premier brûleur 24 par la conduite 45 et vers le vapo-reformeur membranaire 6 par une conduite 48 reliant une sortie du premier brûleur 24 à une entrée du vaporeformeur membranaire 6. Les gaz chauds sont ensuite acheminés de la sortie du vapo-reformeur membranaire 6 vers le groupe de compression 18 par une conduite 49. Lorsque le premier brûleur 24 a atteint la température d'activation des catalyseurs de combustion qui est comprise par exemple entre 200 et 400 C, de l'air et du carburant sont injectés dans le premier brûleur 24 dans lequel ils sont brûlés, et la vanne 47 est activée de manière à rediriger les gaz chauds issus du brûleur à flamme 40 vers l'échangeur 3. La vanne 42 alimente donc en air comprimé à la fois le deuxième brûleur 27 et le brûleur à flamme 40. Les gaz chauds issus du brûleur à flamme 40 sont ensuite acheminés de l'échangeur 3 au deuxième brûleur 27, puis au groupe de compression 18 via les conduites 28 et 30 également utilisées, en fonctionnement stationnaire, pour acheminer les gaz brûlés issus du premier brûleur 24.

Sur la figure 2, un autre mode de réalisation est représenté dans lequel les éléments communs au premier mode de réalisation portent les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, le brûleur à flamme 40 produit des gaz chauds qui sont acheminés jusqu'au premier brûleur 24 par une conduite 45 et jusqu'au vapo-reformeur membranaire 6 par une conduite 51. Une vanne trois voies 50 est montée entre la sortie du brûleur 40 et les conduites 45 et 51, et est commandée par l'unité de commande électronique 43. Lorsque le module 1 est démarré, le brûleur à flamme 40 est alimenté en carburant et en air et produit des gaz chauds. Les gaz sont dans un premier temps acheminés vers le premier brûleur 24 par la conduite 45, puis vers l'échangeur thermique de surchauffe 3 par la conduite 26 puis vers le deuxième brûleur 27 par la conduite 27. Les gaz chauds sont alors évacués vers le groupe de compression 18 par la conduite 30. Lorsque le premier brûleur 24 a atteint la température voulue, la vanne 50 redirige les gaz chauds vers le vapo-reformeur membranaire 6 via la conduite 51. Les gaz sont ensuite acheminés vers l'échangeur 3 par une conduite 52 et vers le générateur de vapeur 2 par une conduite 53. Les gaz sont alors évacués vers le groupe de compression 18 par une conduite 54. Le vapo-reformeur membranaire 6 devra dans ce cas être compatible avec les gaz de combustion de manière à ne pas être endommagé par ces derniers. Selon une variante de l'invention, le carburant peut être vaporisé dans un échangeur thermique indépendant avant d'être injecté dans le surchauffeur. De même, selon une autre variante de l'invention, un purificateur ou plusieurs peuvent être placés à la suite du vaporeformeur. Dans ce cas, la membrane de séparation d'hydrogène peut être placée à la suite des purificateurs, ou bien peut leur être associée. Selon une autre variante, un troisième brûleur catalytique peut être associé à l'échangeur thermique de surchauffe.

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.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. 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 reformat gazeux, - une membrane de séparation d'hydrogène montée en aval ou couplée au 10 vapo-reformeur (6), et capable de produire un gaz plus riche en hydrogène que le reformat et des gaz de rejet, - un générateur de vapeur (2), monté en amont du vapo-reformeur (6), alimenté en eau et capable de produire de la vapeur d'eau, caractérisé en ce que le module de puissance (1) comprend également : 15 - un premier brûleur catalytique (24) en contact thermique avec le vaporeformeur (6) et alimenté par les gaz de rejet issus de la membrane de séparation d'hydrogène et éventuellement par les gaz issus de la pile à combustible (12) et/ou un gaz riche en oxygène et/ou du carburant, - un deuxième brûleur catalytique (27) en contact thermique avec le 20 générateur de vapeur (2) et alimenté par des gaz issus du premier brûleur (24) et éventuellement par du carburant, - un brûleur à flamme (40) alimenté en carburant et en gaz riche en oxygène, et capable de produire des gaz brûlés, - et en ce que le vapo-reformeur (6), les premier et deuxième brûleurs 25 catalytiques (24, 27) et le générateur de vapeur (2) sont montés de manière à pouvoir être chauffés par les gaz brûlés issus du brûleur à flamme (40).

2. Module de puissance (1) selon la revendication 1 dans lequel une vanne commandée à trois voies (47) est montée entre la sortie du 30 brûleur à flamme (40) et l'entrée des premier et deuxième brûleurs catalytiques (24,27); ladite vanne (47) étant commandée en fonction de la température du premier brûleur catalytique (24) mesurée par un capteur de température (44).

3. Module de puissance (1) selon la revendication 1 dans lequel une vanne commandée à trois voies (50) est montée entre la sortie du brûleur à flamme (40) et l'entrée du premier brûleur (24) et du vaporeformeur (6), ladite vanne (50) étant commandée en fonction de la température du premier brûleur catalytique (24) mesurée par un capteur de température (44).

4. Module de puissance (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le générateur de vapeur (2) comprend un système bouclé de circulation d'eau.

5. Module de puissance (1) selon l'une des revendications précédentes comprenant également un échangeur thermique de surchauffe (3) alimenté respectivement par la vapeur issue du générateur de vapeur (2) et par les gaz brûlés issus du premier brûleur (24), et fournissant respectivement de la vapeur d'eau surchauffée au vapo-reformeur (6) et des gaz brûlés au deuxième brûleur (27), l'échangeur thermique de surchauffe (3) étant monté de façon à pouvoir être chauffé par les gaz brûlés issus du brûleur à flamme (40).

6. Module de puissance (1) selon la revendication 5 dans lequel le premier brûleur (24), l'échangeur thermique de surchauffe (3), et le deuxième brûleur (27) sont montés en série sur le circuit d'évacuation des gaz brûlés.

7. Module de puissance (1) selon la revendication 5 ou 6 dans lequel le vaporeformeur (6), l'échangeur thermique de surchauffe (3), et le générateur de vapeur (2) sont montés en série sur le circuit d'évacuation des gaz brûlés.

8. Procédé de mise en oeuvre d'un module de puissance (1) comprenant une pile à combustible (12) alimentée en gaz riche en hydrogène par un vapo-reformeur (6) associé à un générateur de vapeur (2), caractérisé en ce que le module de puissance (1) comprend également : - un premier brûleur catalytique (24) en contact thermique avec le vaporeformeur (6), -un deuxième brûleur catalytique (27) en contact thermique avec le générateur de vapeur (2),et dans lequel : - dans une phase de démarrage, on utilise une source de chaleur extérieure (40) pour faire monter la température d'abord du premier brûleur catalytique (24) et du vapo-reformeur (6) jusqu'à une température de fonctionnement, puis du deuxième brûleur catalytique (27) et du générateur de vapeur (2).

9. Procédé de mise en oeuvre d'un module de puissance (1) selon la revendication 8 dans lequel, dans une phase de fonctionnement stationnaire, on cesse d'utiliser la source de chaleur extérieure (40).