FR2874911A1 - Systeme de reformage et procede d'alimentation en gaz riche en hydrogene pour une pile a combustible - Google Patents
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Abstract
Système de reformage pour l'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, comprenant un dispositif 7 de reformage catalytique et un dispositif 8 de reformage par plasma froid montés en parallèle en amont de la pile à combustible, et une unité de commande 9 pour piloter le fonctionnement des dispositifs de reformage, caractérisé par le fait qu'un moyen d'échange thermique 15 est monté entre le dispositif 8 de reformage par plasma et le dispositif 7 de reformage catalytique de façon à récupérer les calories provenant du dispositif de reformage 8 par plasma pour élever la température des fluides alimentant le dispositif 7 de reformage catalytique.
Description
Système de reformage et procédé d'alimentation en gaz riche en hydrogène pour une pile à combustible.
La présente invention a pour objet un système de reformage et un procédé pour l'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, en particulier d'une pile à combustible équipant un module de puissance pour véhicule automobile à traction électrique.
Un générateur d'énergie électrique hybride comprend généralement une pile à combustible, un dispositif de reformage capable de recevoir différents carburants (essence, gas-oil, éthanol, etc.) associée à un turbocompresseur et une batterie d'accumulation électrique, l'ensemble étant piloté par une unité de commande électronique. On peut utiliser un tel générateur d'énergie électrique pour la traction d'un véhicule automobile ou comme source auxiliaire de puissance. Dans le cas d'un véhicule automobile, un tel générateur d'énergie électrique peut également être utilisé pour alimenter différents dispositifs consommateurs d'énergie électrique dont le véhicule est équipé.
D'une manière générale, une pile à combustible est un générateur électrochimique alimenté en gaz riche en hydrogène et en gaz riche en oxygène, par exemple l'air ambiant. On peut utiliser, en particulier dans l'industrie automobile, des piles à combustible à membrane échangeuse de protons, dites PEMFC. On peut également utiliser d'autres types de piles à combustible, par exemple des piles à oxyde solide, dites SOFC, dont le fonctionnement est plus simple. Dans tous les cas, le gaz riche en hydrogène destiné à alimenter la pile à combustible peut être stocké à bord du véhicule dans un réservoir, ce qui limite l'autonomie de fonctionnement, compte tenu de la taille suffisamment restreinte d'un tel réservoir. On peut également produire le gaz riche en hydrogène à bord du véhicule à partir d'un carburant hydrogéné au moyen d'un dispositif de reformage.Une telle solution permet d'obtenir une autonomie comparable à celle d'un véhicule conventionnel et de bénéficier du réseau de distribution de carburant existant tout en réduisant les émissions de CO2 et de gaz polluants.
Les dispositifs de reformage habituellement utilisés comprennent des réacteurs de reformage catalytique et des dispositifs d'échange de chaleur. Dans une première étape, on procède au reformage catalytique du carburant préalablement réchauffé par passage à travers un échangeur de chaleur. On procède ensuite à une étape de purification de l'hydrogène formé. Cette purification permet de diminuer la quantité de monoxyde de carbone présente dans les gaz issus de l'étape de reformage, afin de ne pas empoisonner la pile à combustible.
De préférence, la pression de l'air d'alimentation du dispositif de reformage est augmentée par l'utilisation d'un compresseur. De préférence, on fait fonctionner le dispositif de reformage en régime stationnaire au voisinage de conditions de fonctionnement autothermiques qui représentent un point d'équilibre énergétique entre le vapo-reformage et l'oxydation partielle. A cet effet, on commande de manière appropriée les quantités de fluide amenées à l'entrée du dispositif de reformage, c'est-à-dire le carburant hydrocarboné, l'air contenant l'oxygène et de la vapeur d'eau produite par élévation de température de l'eau contenue dans un réservoir généralement embarqué dans le véhicule.
Le reformat produit par un dispositif de reformage catalytique auto-thermal (dit ATR) traverse ensuite de préférence deux étages de purification destinés à éliminer le monoxyde de carbone, par une réaction de gaz à l'eau, connue sous l'appellation WGS ( Water Gas Shift , en langue anglaise) pouvant comporter deux étapes, la première à haute température (HTS) et la seconde à température plus basse (LTS). Les gaz traversent ensuite un étage d'oxydation préférentielle PrOx, l'ensemble de ces étapes permettant de convertir en gaz carbonique CO2 la plus grande partie du monoxyde de carbone CO présent dans les gaz produits par le dispositif de reformage catalytique.
Pour fonctionner à leur meilleur rendement, les différents éléments du dispositif de reformage doivent être portés à une température optimale de fonctionnement. Par exemple, dans le cas d'un reformage d'essence, la température optimale est de l'ordre de 800.C pour le dispositif de reformage auto-thermal (ATR), de 400[deg]C pour l'étape de réaction du gaz à l'eau (WGS) et de 150[deg]C pour l'étape d'oxydation préférentielle (PrOx).
Après purification, les gaz riches en hydrogène sont amenés sur la pile à combustible et partiellement convertis par une réaction électrochimique produisant de l'énergie électrique. Les gaz riches en hydrogène non consommés par la pile, c'est-à-dire excédant le rapport de réaction stoechiométrique, sont ensuite utilisés dans un brûleur catalytique afin d'apporter les calories nécessaires à la vaporisation de l'eau alimentant le dispositif de reformage ainsi que le chauffage des réactifs alimentant le dispositif de reformage, c'est-à-dire essentiellement le carburant et l'air comprimé.
Lors de la phase de démarrage à froid, pendant laquelle il est nécessaire de porter les différents organes du système de reformage à leur température de fonctionnement optimale, le brûleur est utilisé pour apporter à ces différents organes l'énergie thermique nécessaire. Compte tenu de l'inertie thermique relativement importante, on constate que la montée en température est relativement longue et prend généralement entre 2 et 5 minutes, ce qui présente des difficultés considérables dans le cadre d'une alimentation électrique d'un véhicule automobile.
A titre d'exemple de générateur d'hydrogène pour alimenter en énergie électrique un véhicule automobile au moyen d'une pile à combustible, on peut citer la demande de brevet WO-A-00/42671, le brevet US-A-5 335 628 ou la demande de brevet US-A-2002/4152.
La demande de brevet WO-A-00/31816 décrit un système de reformage comportant plusieurs modules de puissances différentes adaptés à des types de fonctionnement spécifiques, par exemple des vitesses différentes du véhicule.
On connaît également des dispositifs de reformage par plasma froid ou plasma non-thermique qui permettent une ionisation d'un carburant hydrogéné et remplacent ainsi le catalyseur utilisé lors d'un reformage catalytique.
La demande de brevet WO-A-98/28223 décrit par exemple une chambre de réaction à plasma froid pour un tel reformage.
Dans le brevet US-A-5 852 927, se trouve décrit un générateur d'hydrogène comportant un dispositif reformeur à plasma froid alimenté en air comprimé par un turbocompresseur.
L'utilisation de tels dispositifs de reformage par plasma froid pour alimenter une pile à combustible ou pour alimenter un moteur en gaz riche en hydrogène, a déjà été décrite, par exemple dans les brevets US-A-5 409 784, US-A-4 690 743 ou US-A-5 437 250.
Dans tous les cas, la production d'un plasma froid est obtenue au moyen d'une ou plusieurs électrodes excitatrices raccordées à une source d'alimentation électrique à haute tension créant des arcs électriques dans la zone de reformage.
L'avantage d'un tel reformage par plasma froid est de diminuer les températures de réaction et de permettre un démarrage quasi instantané du reformage et de la production de gaz riche en hydrogène. Cependant, on constate que les dispositifs de reformage par plasma présentent l'inconvénient d'un faible rendement si on les compare aux dispositifs de reformage catalytique habituellement utilisés.
La demande de brevet européen EP-A-1 193 218 décrit l'utilisation combinée d'un dispositif de reformage catalytique et d'un dispositif de reformage par plasma froid. Les deux dispositifs de reformage peuvent être montés en parallèle et leur fonctionnement peut être piloté de façon que le reformeur par plasma froid soit utilisé pendant une phase de démarrage du véhicule automobile, le dispositif de reformage catalytique étant utilisé lors du fonctionnement normal du véhicule automobile. Le réacteur de reformage par plasma est ainsi activé jusqu' à ce que la chambre de reformage catalytique ait atteint une température convenable. Le dispositif de reformage catalytique est en outre associé à un brûleur pour la vaporisation du carburant et de l'eau alimentant le dispositif.
La présente invention a pour objet un dispositif de reformage et un procédé d'alimentation en gaz riche en hydrogène pour une pile à combustible, notamment dans un véhicule automobile, qui présente une simplicité accrue et un rendement amélioré par rapport aux dispositifs connus. L'invention a également pour objet un système permettant de raccourcir le temps de démarrage en accélérant la production d'hydrogène.
A cet effet, le système de reformage pour l'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, comprend un dispositif de reformage catalytique et un dispositif de reformage par plasma froid montés en parallèle en amont de la pile à combustible, et une unité de commande pour piloter le fonctionnement des dispositifs de reformage. Un moyen d'échange thermique est monté entre le dispositif de reformage par plasma et le dispositif de reformage catalytique de façon à récupérer les calories provenant du dispositif de reformage par plasma pour élever la température des fluides alimentant le dispositif de reformage catalytique.
Le dispositif de reformage par plasma peut ainsi remplacer le brûleur généralement utilisé pour générer la vapeur d'eau amenée à l'entrée du dispositif de reformage catalytique et pour élever la température du carburant et de l'air d'alimentation du dispositif de reformage catalytique. Cela est obtenu en pilotant convenablement le dispositif de reformage par plasma, par exemple en faisant varier la tension du courant électrique envoyé sur les électrodes générant les arcs électriques du dispositif de reformage. Lorsque la tension d'alimentation est comprise entre + 5 000 V et + 10 000 V, le dispositif de reformage crée un milieu dans lequel le carburant, l'eau et l'oxygène se décomposent prioritairement en hydrogène.Lorsque la tension d'alimentation est comprise entre - 5 000 V et + 5 000 V, la combustion du mélange d'air, de carburant et d'hydrogène en excès est initiée dans le dispositif de reformage qui fonctionne alors comme un brûleur classique.
Une vanne d'orientation commandée par l'unité de commande est de préférence montée en aval du dispositif de reformage par plasma pour orienter le flux gazeux issu du dispositif de reformage par plasma, soit vers la pile à combustible lors d'une phase de démarrage, soit vers l'échappement lors du fonctionnement normal. Le dispositif de reformage par plasma est ainsi préférentiellement utilisé lors du démarrage à froid de la pile à combustible, de façon à bénéficier des qualités de rapidité de production d'hydrogène du reformage par plasma.De plus, lors du fonctionnement normal, l'utilisation du dispositif de reformage catalytique permet de bénéficier du rendement élevé de ce type de reformage, tout en utilisant le dispositif de reformage par plasma comme dispositif de combustion en remplacement du brûleur généralement prévu en association avec le dispositif de reformage catalytique pour réchauffer les fluides d'alimentation de ce dispositif.
Un dispositif de vanne de régulation commandé par l'unité de commande est également de préférence monté en amont du dispositif de reformage par plasma pour commander l'alimentation en air, en carburant et éventuellement en vapeur d'eau du dispositif de reformage par plasma. Ce dispositif de vanne de régulation est également avantageusement monté en amont du dispositif de reformage catalytique pour commander l'alimentation en air, en carburant et vapeur d'eau du dispositif de reformage catalytique.
Dans un mode de réalisation préféré, un capteur de température est associé au dispositif de reformage catalytique, pour fournir un signal représentatif du fonctionnement du dispositif de reformage catalytique à l'unité de commande.
Il est ainsi possible de commander le fonctionnement des dispositifs de reformage selon la phase de démarrage ou en fonctionnement normal, en fonction de paramètres de fonctionnement, comprenant par exemple la température du dispositif de reformage catalytique ou une durée de mise en route après démarrage.
L'unité de commande comprend avantageusement des moyens pour piloter le fonctionnement du dispositif de reformage par plasma afin de transformer le reformage par plasma en combustion de l'excès d'hydrogène issu de la pile à combustible.
Le dispositif de reformage par plasma peut comprendre des électrodes alimentées en courant électrique à haute tension pour générer des arcs électriques au sein du dispositif et un moyen de régulation du courant électrique pour l'obtention, soit d'un plasma froid, soit d'une combustion du mélange gazeux traversant le dispositif.
Selon un procédé d'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, conforme à l'invention, dans une phase de démarrage, on alimente essentiellement la pile à combustible en gaz riche en hydrogène produit par reformage par plasma froid, tout en initiant un reformage catalytique. Dans une phase ultérieure, on modifie les conditions de fonctionnement du reformage par plasma froid afin de récupérer des calories par combustion de l'excès d'hydrogène provenant de la pile à combustible pour élever la température des fluides d'alimentation du reformage catalytique.
On bénéficie ainsi des avantages de rapidité de mise en u̇vre du reformage par plasma froid et du rendement élevé du reformage catalytique.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure annexée, qui représente schématiquement les principaux éléments d'un module de puissance pour véhicule automobile comprenant une pile à combustible.
Tel qu'il est illustré sur la figure, le module de puissance comprend une pile à combustible référencée 1 dans son ensemble et présentant un empilement de cellules individuelles schématisées sur la figure sous la forme d'un compartiment cathodique 2 et d'un compartiment anodique 3, l'ensemble étant en outre refroidi par la circulation d'un fluide de refroidissement dans une zone de refroidissement 4, le circuit de refroidissement 5 comportant un radiateur 6 pour l'élimination des calories excédentaires.
Le compartiment anodique 3 de la pile à combustible 1 peut être alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif de reformage catalytique 7, par exemple du type auto-thermal (ATR) et par un dispositif de reformage par plasma froid 8. Le dispositif 8 peut comprendre par exemple différentes électrodes alimentées en courant électrique à haute tension et capables de générer des arcs électriques pour la création d'un plasma froid au sein du dispositif. On pourra se référer à cet égard par exemple à l'état de la technique mentionné dans l'introduction.
Le dispositif 8, schématisé sur la figure, comprend en réalité un réacteur et une source de courant électrique. Le pilotage du fonctionnement du dispositif 8 et en particulier de la tension électrique appliquée aux électrodes, est fait par une unité de commande 9 par l'intermédiaire d'une connexion schématisée en 10 sur la figure. Pour procéder à la commande du fonctionnement du dispositif 8, l'unité de commande 9 reçoit différentes informations sur le fonctionnement du module de puissance et en particulier, dans l'exemple illustré, un signal représentatif de la température de fonctionnement du dispositif de reformage catalytique 7. Ce signal, qui provient par exemple d'un capteur de température associé au dispositif de reformage catalytique 7, est amené par la connexion 11 à l'entrée de l'unité de commande 9.
Un dispositif de vanne de régulation, référencé 12 dans son ensemble, est monté en amont du dispositif de reformage par plasma 8 et du dispositif de reformage catalytique 7, de façon à commander l'alimentation des deux dispositifs 7 et 8.
Une vanne d'orientation 13 est montée en aval du dispositif de reformage par plasma 8 afin d'orienter le flux gazeux issu du dispositif 8, soit vers la pile à combustible 1, soit vers l'échappement 14.
Un échangeur de chaleur 15 est disposé en amont de l'alimentation des deux dispositifs de reformage 7 et 8. De plus, la conduite de sortie 16 du dispositif 8 peut être mise en communication par l'intermédiaire de la vanne d'orientation 13 avec une conduite 17 qui permet de ramener le flux gazeux issu du dispositif 8 vers l'échangeur thermique 15, de façon à y céder ses calories avant d'être amené par la conduite 18 en sortie de l'échangeur de chaleur 15, vers une turbine 19 qui récupère l'énergie résiduelle des gaz d'échappement avant leur élimination par la conduite d'échappement 14.
Pour l'alimentation en air des dispositifs de reformage 7 et 8, l'air provenant de la conduite d'entrée 20 subit une première compression dans un premier étage de compression 21 entraîné par un moteur 22. L'air comprimé à moyenne pression véhiculé par la conduite 23 cède une partie de ses calories dans un échangeur de chaleur de récupération 24 monté dans un circuit de refroidissement 25 qui comprend un radiateur 26. L'air comprimé, ainsi partiellement refroidi, est amené par la conduite 27 à l'entrée du deuxième étage de compression 28 qui fait partie d'un turbocompresseur comprenant également la turbine 19 montée sur le même arbre mécanique 29 que le compresseur haute pression 28, de façon à entraîner celui-ci.L'air comprimé à haute pression issu du deuxième étage de compression 28 est alors amené par les conduites 30 et 31 sur l'échangeur de chaleur 15, de façon à y être encore réchauffé. A la sortie de l'échangeur de chaleur 15, l'air comprimé à haute température peut être amené sur le dispositif de reformage catalytique 7 par la conduite 32 ou sur le dispositif de reformage par plasma 8 par la conduite 33. La commande d'alimentation se fait par le dispositif de vanne de régulation 12 qui peut comporter par exemple deux vannes trois voies, schématisées sous les références 12a et 12b.
Du carburant liquide contenu dans un réservoir embarqué sur le véhicule, non représenté sur la figure, est amené par la conduite 34 sur l'échangeur de chaleur 15 afin d' y être vaporisé. Le carburant ainsi vaporisé peut être amené à l'entrée du dispositif de reformage catalytique 7 par la conduite 35 et à l'entrée du dispositif de reformage par plasma froid 8 par la conduite 36, selon la position des différentes vannes 12a, 12b constituant le dispositif de vanne de régulation 12.
De l'eau, provenant d'un réservoir embarqué sur le véhicule, additionnée éventuellement d'eau produite par le fonctionnement du module de puissance lui-même, est amenée sous forme liquide par la conduite 37 à l'entrée de l'échangeur de chaleur 15 afin d'y être vaporisée, puis amenée à l'entrée du dispositif de reformage catalytique 7 par la conduite 38. Dans l'exemple illustré, le dispositif de reformage par plasma froid 8 ne reçoit pas de vapeur d'eau. En variante et selon le type de reformage par plasma, il serait possible également d'envisager une alimentation en vapeur d'eau du dispositif 8 par l'intermédiaire du dispositif de vanne de régulation 12. Dans l'exemple illustré, de l'eau liquide est amenée à l'échangeur de chaleur 15 par la conduite 37 après avoir été alimentée par les conduites 39 et réchauffée dans différents échangeurs de chaleur 40.
Les gaz riches en hydrogène produits par le dispositif de reformage catalytique 7 sortent du dispositif 7 par la conduite 41, puis, après avoir cédé une partie de leurs calories à l'eau liquide alimentée dans l'échangeur de chaleur 40, sont amenés à l'entrée du premier étage de réaction de gaz à l'eau à haute température HTS dans un réacteur 42. En sortie du réacteur 42, les gaz riches en hydrogène, en partie purifiés, traversent un deuxième échangeur de chaleur 40 pour réchauffer l'eau d'alimentation, puis sont amenés par la conduite 43 à un deuxième étage de purification par réaction de gaz à l'eau à température plus basse LTS dans un réacteur référencé 44.Après cette conversion du monoxyde de carbone, les gaz issus du réacteur 44 sont amenés par la conduite 45 à un réacteur d'oxydation préférentielle 46 après avoir traversé un échangeur de chaleur 40 où une partie de leur chaleur sert à réchauffer l'eau d'alimentation provenant d'une canalisation 39. Le réacteur d'oxydation préférentielle PrOx, référencé 46, reçoit également de l'air comprimé, par la conduite 47 qui est reliée par la conduite 30 au deuxième étage de compression constitué par le compresseur 28.
A la sortie du réacteur d'oxydation préférentielle 46, les gaz sont amenés par la conduite 48 sur un condenseur pré-anodique 49 où l'eau qu'ils contiennent est en majeure partie éliminée. Les gaz sont ensuite amenés par la canalisation 50 à l'entrée du compartiment anodique 3 de la pile à combustible 1. A la sortie du compartiment anodique, les gaz véhiculés par la canalisation 51 traversent un condenseur anodique 52 où ils sont débarrassés de la majeure partie de l'eau qu'ils contiennent avant d'être ramenés par la conduite 53 à l'entrée du dispositif de reformage par plasma 8. L'excès d'hydrogène, qui n'a pas été utilisé dans la pile à combustible, se trouve ainsi ramené dans le dispositif 8.
Le compartiment cathodique 2 de la pile à combustible 1 reçoit, quant à lui, par la conduite 54, de l'air comprimé provenant du deuxième étage de compression matérialisé par le compresseur 28. En sortie du compartiment cathodique 2 de la pile à combustible 1, les gaz de combustion sont amenés par la conduite 55 à un condenseur cathodique 56 où ils sont débarrassés de la majeure partie de l'eau qu'ils contiennent, puis amenés par les conduites 57 et 58 à l'entrée de la turbine 19 avant de s'échapper par la conduite d'échappement 14.
Les différents condenseurs 49, 52 et 56 sont tous refroidis par un circuit de refroidissement 59 comprenant un radiateur 60, les différents condenseurs étant montés en parallèle dans le circuit, comme on le voit sur la figure annexée.
L'unité de commande 9 est capable de piloter le dispositif de vanne de régulation 12 par une connexion 61 et la vanne d'orientation 13 par une connexion 62.
Comme on le sait, un réacteur de reformage catalytique, comme le dispositif 7, atteint un haut rendement énergétique, compris généralement entre 80 et 90%. Toutefois, la mise en température d'un tel réacteur est assez longue et prend une durée de l'ordre de 2 à 5 minutes. Un réacteur de reformage par plasma, du type du dispositif de reformage 8, permet de convertir les composés hydrogénés en hydrogène. On connaît, d'une manière générale, les plasmas thermiques et les plasmas froids ou hors équilibre. Selon la présente invention, on utilise essentiellement un dispositif de reformage par plasma froid, qui présente une pluralité d'électrodes alimentées par une source électrique, non représentée sur la figure. Un tel dispositif de reformage par plasma présente un rendement énergétique relativement faible, généralement inférieur à 70%.Cependant, la réaction de reformage se développe quasi instantanément, de sorte qu'il est possible d'obtenir très rapidement en sortie, des gaz riches en hydrogène.
Le système de reformage, tel qu'il est illustré sur la figure, fonctionne de la manière suivante.
Lors d'une première phase de démarrage, on utilise essentiellement le dispositif de reformage par plasma 8 pour alimenter en hydrogène très rapidement la pile à combustible 1. A cet effet, dès le démarrage, l'unité de commande 9 pilote le dispositif de vanne de régulation 12, de façon à alimenter le dispositif de reformage par plasma 8 en air comprimé par la canalisation 33 et en carburant par la canalisation 36. Le fonctionnement du dispositif de reformage par plasma est également piloté par l'unité de commande 9 par l'intermédiaire de la connexion 10, de façon à adapter la tension appliquée aux électrodes pour la création d'un arc électrique réalisant un milieu dans lequel le carburant et l'air se décomposent prioritairement en hydrogène.Les conditions précises de fonctionnement sont bien connues de l'homme du métier et peuvent être aisément adaptées à chaque cas particulier. On peut envisager, bien que cela ne soit pas illustré sur la figure, d'alimenter également le dispositif de reformage par plasma avec une certaine proportion de vapeur d'eau.
L'hydrogène produit quasi instantanément par le dispositif de reformage par plasma 8 est dirigé, par l'intermédiaire de la vanne d'orientation 13, vers la pile à combustible 1 après avoir été convenablement purifié par les étages de conversion 42, 44 et le réacteur d'oxydation préférentielle 46.
Simultanément et dès le démarrage, le dispositif de vanne de régulation 12 est piloté par l'unité de commande 9, de façon à alimenter également le dispositif de reformage catalytique 7 en air comprimé par la canalisation 32, en carburant par la canalisation 35 et en vapeur d'eau par la canalisation 38. De cette manière, la réaction catalytique peut s'initier en sachant cependant qu'il est nécessaire d'attendre entre 2 et 5 minutes avant que le réacteur n'ait atteint la température de fonctionnement optimale par auto-combustion du carburant et de l'air sur le catalyseur prévu à l'intérieur du dispositif de reformage catalytique 7. Pendant cette phase de démarrage, le dispositif de reformage catalytique 7 ne produit pratiquement pas d'hydrogène et ne contribue que très peu, par la conduite 41, à l'alimentation en hydrogène de la pile à combustible 1.
Pendant cette phase de démarrage, une partie du flux gazeux issu du dispositif de reformage 8 est également amenée, par l'intermédiaire de la vanne d'orientation 13 et de la conduite 17, sur l'échangeur de chaleur 15, de façon à élever la température de l'air comprimé, du carburant et de la vapeur d'eau destinés à alimenter respectivement les deux dispositifs de reformage 8 et 7.
Lorsque la phase de démarrage est terminée, un signal, provenant par exemple d'un capteur de température situé dans le dispositif de reformage catalytique 7, est transmis par la connexion 11 à l'unité de commande 9. Celle-ci peut alors tenir compte de cet état de fonctionnement du dispositif de reformage catalytique 7 pour agir sur le dispositif de vanne de régulation 12 en coupant l'alimentation en carburant du dispositif de reformage 8 tout en maintenant l'alimentation en air comprimé, en carburant et en vapeur d'eau du dispositif de reformage catalytique 7. Simultanément, l'unité de commande 9 agit par la connexion 10 sur le dispositif de reformage par plasma 8 afin de modifier le fonctionnement de celui-ci.On peut par exemple modifier la tension d'alimentation des électrodes, de façon à transformer le dispositif de reformage par plasma froid 8 en un simple dispositif de combustion d'un mélange de carburant et d'air comme dans une chambre de combustion ou un brûleur de type classique.
Dans cette deuxième phase de fonctionnement, qui correspond au fonctionnement normal du dispositif de génération d'hydrogène par reformage, les gaz riches en hydrogène sont essentiellement fournis par le dispositif de reformage catalytique 7 et amenés par la conduite 41 vers la pile à combustible 1 après avoir traversé les différents réacteurs de purification 42, 44 et le réacteur d'oxydation préférentielle 46. L'excès d'hydrogène sur-stoechiométrique provenant du compartiment anodique 3 de la pile à combustible 1 est ramené par la conduite 53 à l'entrée du dispositif 8 qui joue alors le rôle d'un brûleur, compte tenu du fonctionnement commandé par l'unité de commande 9.Les gaz de combustion à haute température, issus du dispositif 8 par la conduite 16, traversent alors la vanne d'orientation 13 avant d'être ramenés par la conduite 17 à l'échangeur de chaleur 15, afin d'élever la température de l'air comprimé, du carburant et de la vapeur d'eau destinés à alimenter le dispositif de reformage catalytique 7 de type classique. A cet effet, l'unité de commande 9 pilote la vanne d'orientation 13, de façon à n'autoriser le passage du flux gazeux issu du dispositif 8 qu'en direction de l'échangeur de chaleur 15.
On comprend que, grâce à la présente invention, il est possible, pendant la phase de démarrage, d'obtenir immédiatement un gaz riche en hydrogène grâce à l'existence du dispositif de reformage par plasma froid 8. Puis, dans une phase ultérieure, après modification des conditions de fonctionnement du dispositif 8, on utilise ce même dispositif pour remplacer le brûleur classique destiné à élever la température de l'air, du carburant et de la vapeur d'eau alimentant le dispositif du reformage catalytique 7.
L'invention permet donc d'associer une rapidité de fonctionnement au démarrage à une grande simplicité, puisqu'il est possible de remplacer purement et simplement le brûleur habituellement utilisé en association avec le dispositif de reformage catalytique.
La présente invention a pour objet un système de reformage et un procédé pour l'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, en particulier d'une pile à combustible équipant un module de puissance pour véhicule automobile à traction électrique.
Un générateur d'énergie électrique hybride comprend généralement une pile à combustible, un dispositif de reformage capable de recevoir différents carburants (essence, gas-oil, éthanol, etc.) associée à un turbocompresseur et une batterie d'accumulation électrique, l'ensemble étant piloté par une unité de commande électronique. On peut utiliser un tel générateur d'énergie électrique pour la traction d'un véhicule automobile ou comme source auxiliaire de puissance. Dans le cas d'un véhicule automobile, un tel générateur d'énergie électrique peut également être utilisé pour alimenter différents dispositifs consommateurs d'énergie électrique dont le véhicule est équipé.
D'une manière générale, une pile à combustible est un générateur électrochimique alimenté en gaz riche en hydrogène et en gaz riche en oxygène, par exemple l'air ambiant. On peut utiliser, en particulier dans l'industrie automobile, des piles à combustible à membrane échangeuse de protons, dites PEMFC. On peut également utiliser d'autres types de piles à combustible, par exemple des piles à oxyde solide, dites SOFC, dont le fonctionnement est plus simple. Dans tous les cas, le gaz riche en hydrogène destiné à alimenter la pile à combustible peut être stocké à bord du véhicule dans un réservoir, ce qui limite l'autonomie de fonctionnement, compte tenu de la taille suffisamment restreinte d'un tel réservoir. On peut également produire le gaz riche en hydrogène à bord du véhicule à partir d'un carburant hydrogéné au moyen d'un dispositif de reformage.Une telle solution permet d'obtenir une autonomie comparable à celle d'un véhicule conventionnel et de bénéficier du réseau de distribution de carburant existant tout en réduisant les émissions de CO2 et de gaz polluants.
Les dispositifs de reformage habituellement utilisés comprennent des réacteurs de reformage catalytique et des dispositifs d'échange de chaleur. Dans une première étape, on procède au reformage catalytique du carburant préalablement réchauffé par passage à travers un échangeur de chaleur. On procède ensuite à une étape de purification de l'hydrogène formé. Cette purification permet de diminuer la quantité de monoxyde de carbone présente dans les gaz issus de l'étape de reformage, afin de ne pas empoisonner la pile à combustible.
De préférence, la pression de l'air d'alimentation du dispositif de reformage est augmentée par l'utilisation d'un compresseur. De préférence, on fait fonctionner le dispositif de reformage en régime stationnaire au voisinage de conditions de fonctionnement autothermiques qui représentent un point d'équilibre énergétique entre le vapo-reformage et l'oxydation partielle. A cet effet, on commande de manière appropriée les quantités de fluide amenées à l'entrée du dispositif de reformage, c'est-à-dire le carburant hydrocarboné, l'air contenant l'oxygène et de la vapeur d'eau produite par élévation de température de l'eau contenue dans un réservoir généralement embarqué dans le véhicule.
Le reformat produit par un dispositif de reformage catalytique auto-thermal (dit ATR) traverse ensuite de préférence deux étages de purification destinés à éliminer le monoxyde de carbone, par une réaction de gaz à l'eau, connue sous l'appellation WGS ( Water Gas Shift , en langue anglaise) pouvant comporter deux étapes, la première à haute température (HTS) et la seconde à température plus basse (LTS). Les gaz traversent ensuite un étage d'oxydation préférentielle PrOx, l'ensemble de ces étapes permettant de convertir en gaz carbonique CO2 la plus grande partie du monoxyde de carbone CO présent dans les gaz produits par le dispositif de reformage catalytique.
Pour fonctionner à leur meilleur rendement, les différents éléments du dispositif de reformage doivent être portés à une température optimale de fonctionnement. Par exemple, dans le cas d'un reformage d'essence, la température optimale est de l'ordre de 800.C pour le dispositif de reformage auto-thermal (ATR), de 400[deg]C pour l'étape de réaction du gaz à l'eau (WGS) et de 150[deg]C pour l'étape d'oxydation préférentielle (PrOx).
Après purification, les gaz riches en hydrogène sont amenés sur la pile à combustible et partiellement convertis par une réaction électrochimique produisant de l'énergie électrique. Les gaz riches en hydrogène non consommés par la pile, c'est-à-dire excédant le rapport de réaction stoechiométrique, sont ensuite utilisés dans un brûleur catalytique afin d'apporter les calories nécessaires à la vaporisation de l'eau alimentant le dispositif de reformage ainsi que le chauffage des réactifs alimentant le dispositif de reformage, c'est-à-dire essentiellement le carburant et l'air comprimé.
Lors de la phase de démarrage à froid, pendant laquelle il est nécessaire de porter les différents organes du système de reformage à leur température de fonctionnement optimale, le brûleur est utilisé pour apporter à ces différents organes l'énergie thermique nécessaire. Compte tenu de l'inertie thermique relativement importante, on constate que la montée en température est relativement longue et prend généralement entre 2 et 5 minutes, ce qui présente des difficultés considérables dans le cadre d'une alimentation électrique d'un véhicule automobile.
A titre d'exemple de générateur d'hydrogène pour alimenter en énergie électrique un véhicule automobile au moyen d'une pile à combustible, on peut citer la demande de brevet WO-A-00/42671, le brevet US-A-5 335 628 ou la demande de brevet US-A-2002/4152.
La demande de brevet WO-A-00/31816 décrit un système de reformage comportant plusieurs modules de puissances différentes adaptés à des types de fonctionnement spécifiques, par exemple des vitesses différentes du véhicule.
On connaît également des dispositifs de reformage par plasma froid ou plasma non-thermique qui permettent une ionisation d'un carburant hydrogéné et remplacent ainsi le catalyseur utilisé lors d'un reformage catalytique.
La demande de brevet WO-A-98/28223 décrit par exemple une chambre de réaction à plasma froid pour un tel reformage.
Dans le brevet US-A-5 852 927, se trouve décrit un générateur d'hydrogène comportant un dispositif reformeur à plasma froid alimenté en air comprimé par un turbocompresseur.
L'utilisation de tels dispositifs de reformage par plasma froid pour alimenter une pile à combustible ou pour alimenter un moteur en gaz riche en hydrogène, a déjà été décrite, par exemple dans les brevets US-A-5 409 784, US-A-4 690 743 ou US-A-5 437 250.
Dans tous les cas, la production d'un plasma froid est obtenue au moyen d'une ou plusieurs électrodes excitatrices raccordées à une source d'alimentation électrique à haute tension créant des arcs électriques dans la zone de reformage.
L'avantage d'un tel reformage par plasma froid est de diminuer les températures de réaction et de permettre un démarrage quasi instantané du reformage et de la production de gaz riche en hydrogène. Cependant, on constate que les dispositifs de reformage par plasma présentent l'inconvénient d'un faible rendement si on les compare aux dispositifs de reformage catalytique habituellement utilisés.
La demande de brevet européen EP-A-1 193 218 décrit l'utilisation combinée d'un dispositif de reformage catalytique et d'un dispositif de reformage par plasma froid. Les deux dispositifs de reformage peuvent être montés en parallèle et leur fonctionnement peut être piloté de façon que le reformeur par plasma froid soit utilisé pendant une phase de démarrage du véhicule automobile, le dispositif de reformage catalytique étant utilisé lors du fonctionnement normal du véhicule automobile. Le réacteur de reformage par plasma est ainsi activé jusqu' à ce que la chambre de reformage catalytique ait atteint une température convenable. Le dispositif de reformage catalytique est en outre associé à un brûleur pour la vaporisation du carburant et de l'eau alimentant le dispositif.
La présente invention a pour objet un dispositif de reformage et un procédé d'alimentation en gaz riche en hydrogène pour une pile à combustible, notamment dans un véhicule automobile, qui présente une simplicité accrue et un rendement amélioré par rapport aux dispositifs connus. L'invention a également pour objet un système permettant de raccourcir le temps de démarrage en accélérant la production d'hydrogène.
A cet effet, le système de reformage pour l'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, comprend un dispositif de reformage catalytique et un dispositif de reformage par plasma froid montés en parallèle en amont de la pile à combustible, et une unité de commande pour piloter le fonctionnement des dispositifs de reformage. Un moyen d'échange thermique est monté entre le dispositif de reformage par plasma et le dispositif de reformage catalytique de façon à récupérer les calories provenant du dispositif de reformage par plasma pour élever la température des fluides alimentant le dispositif de reformage catalytique.
Le dispositif de reformage par plasma peut ainsi remplacer le brûleur généralement utilisé pour générer la vapeur d'eau amenée à l'entrée du dispositif de reformage catalytique et pour élever la température du carburant et de l'air d'alimentation du dispositif de reformage catalytique. Cela est obtenu en pilotant convenablement le dispositif de reformage par plasma, par exemple en faisant varier la tension du courant électrique envoyé sur les électrodes générant les arcs électriques du dispositif de reformage. Lorsque la tension d'alimentation est comprise entre + 5 000 V et + 10 000 V, le dispositif de reformage crée un milieu dans lequel le carburant, l'eau et l'oxygène se décomposent prioritairement en hydrogène.Lorsque la tension d'alimentation est comprise entre - 5 000 V et + 5 000 V, la combustion du mélange d'air, de carburant et d'hydrogène en excès est initiée dans le dispositif de reformage qui fonctionne alors comme un brûleur classique.
Une vanne d'orientation commandée par l'unité de commande est de préférence montée en aval du dispositif de reformage par plasma pour orienter le flux gazeux issu du dispositif de reformage par plasma, soit vers la pile à combustible lors d'une phase de démarrage, soit vers l'échappement lors du fonctionnement normal. Le dispositif de reformage par plasma est ainsi préférentiellement utilisé lors du démarrage à froid de la pile à combustible, de façon à bénéficier des qualités de rapidité de production d'hydrogène du reformage par plasma.De plus, lors du fonctionnement normal, l'utilisation du dispositif de reformage catalytique permet de bénéficier du rendement élevé de ce type de reformage, tout en utilisant le dispositif de reformage par plasma comme dispositif de combustion en remplacement du brûleur généralement prévu en association avec le dispositif de reformage catalytique pour réchauffer les fluides d'alimentation de ce dispositif.
Un dispositif de vanne de régulation commandé par l'unité de commande est également de préférence monté en amont du dispositif de reformage par plasma pour commander l'alimentation en air, en carburant et éventuellement en vapeur d'eau du dispositif de reformage par plasma. Ce dispositif de vanne de régulation est également avantageusement monté en amont du dispositif de reformage catalytique pour commander l'alimentation en air, en carburant et vapeur d'eau du dispositif de reformage catalytique.
Dans un mode de réalisation préféré, un capteur de température est associé au dispositif de reformage catalytique, pour fournir un signal représentatif du fonctionnement du dispositif de reformage catalytique à l'unité de commande.
Il est ainsi possible de commander le fonctionnement des dispositifs de reformage selon la phase de démarrage ou en fonctionnement normal, en fonction de paramètres de fonctionnement, comprenant par exemple la température du dispositif de reformage catalytique ou une durée de mise en route après démarrage.
L'unité de commande comprend avantageusement des moyens pour piloter le fonctionnement du dispositif de reformage par plasma afin de transformer le reformage par plasma en combustion de l'excès d'hydrogène issu de la pile à combustible.
Le dispositif de reformage par plasma peut comprendre des électrodes alimentées en courant électrique à haute tension pour générer des arcs électriques au sein du dispositif et un moyen de régulation du courant électrique pour l'obtention, soit d'un plasma froid, soit d'une combustion du mélange gazeux traversant le dispositif.
Selon un procédé d'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, conforme à l'invention, dans une phase de démarrage, on alimente essentiellement la pile à combustible en gaz riche en hydrogène produit par reformage par plasma froid, tout en initiant un reformage catalytique. Dans une phase ultérieure, on modifie les conditions de fonctionnement du reformage par plasma froid afin de récupérer des calories par combustion de l'excès d'hydrogène provenant de la pile à combustible pour élever la température des fluides d'alimentation du reformage catalytique.
On bénéficie ainsi des avantages de rapidité de mise en u̇vre du reformage par plasma froid et du rendement élevé du reformage catalytique.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure annexée, qui représente schématiquement les principaux éléments d'un module de puissance pour véhicule automobile comprenant une pile à combustible.
Tel qu'il est illustré sur la figure, le module de puissance comprend une pile à combustible référencée 1 dans son ensemble et présentant un empilement de cellules individuelles schématisées sur la figure sous la forme d'un compartiment cathodique 2 et d'un compartiment anodique 3, l'ensemble étant en outre refroidi par la circulation d'un fluide de refroidissement dans une zone de refroidissement 4, le circuit de refroidissement 5 comportant un radiateur 6 pour l'élimination des calories excédentaires.
Le compartiment anodique 3 de la pile à combustible 1 peut être alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif de reformage catalytique 7, par exemple du type auto-thermal (ATR) et par un dispositif de reformage par plasma froid 8. Le dispositif 8 peut comprendre par exemple différentes électrodes alimentées en courant électrique à haute tension et capables de générer des arcs électriques pour la création d'un plasma froid au sein du dispositif. On pourra se référer à cet égard par exemple à l'état de la technique mentionné dans l'introduction.
Le dispositif 8, schématisé sur la figure, comprend en réalité un réacteur et une source de courant électrique. Le pilotage du fonctionnement du dispositif 8 et en particulier de la tension électrique appliquée aux électrodes, est fait par une unité de commande 9 par l'intermédiaire d'une connexion schématisée en 10 sur la figure. Pour procéder à la commande du fonctionnement du dispositif 8, l'unité de commande 9 reçoit différentes informations sur le fonctionnement du module de puissance et en particulier, dans l'exemple illustré, un signal représentatif de la température de fonctionnement du dispositif de reformage catalytique 7. Ce signal, qui provient par exemple d'un capteur de température associé au dispositif de reformage catalytique 7, est amené par la connexion 11 à l'entrée de l'unité de commande 9.
Un dispositif de vanne de régulation, référencé 12 dans son ensemble, est monté en amont du dispositif de reformage par plasma 8 et du dispositif de reformage catalytique 7, de façon à commander l'alimentation des deux dispositifs 7 et 8.
Une vanne d'orientation 13 est montée en aval du dispositif de reformage par plasma 8 afin d'orienter le flux gazeux issu du dispositif 8, soit vers la pile à combustible 1, soit vers l'échappement 14.
Un échangeur de chaleur 15 est disposé en amont de l'alimentation des deux dispositifs de reformage 7 et 8. De plus, la conduite de sortie 16 du dispositif 8 peut être mise en communication par l'intermédiaire de la vanne d'orientation 13 avec une conduite 17 qui permet de ramener le flux gazeux issu du dispositif 8 vers l'échangeur thermique 15, de façon à y céder ses calories avant d'être amené par la conduite 18 en sortie de l'échangeur de chaleur 15, vers une turbine 19 qui récupère l'énergie résiduelle des gaz d'échappement avant leur élimination par la conduite d'échappement 14.
Pour l'alimentation en air des dispositifs de reformage 7 et 8, l'air provenant de la conduite d'entrée 20 subit une première compression dans un premier étage de compression 21 entraîné par un moteur 22. L'air comprimé à moyenne pression véhiculé par la conduite 23 cède une partie de ses calories dans un échangeur de chaleur de récupération 24 monté dans un circuit de refroidissement 25 qui comprend un radiateur 26. L'air comprimé, ainsi partiellement refroidi, est amené par la conduite 27 à l'entrée du deuxième étage de compression 28 qui fait partie d'un turbocompresseur comprenant également la turbine 19 montée sur le même arbre mécanique 29 que le compresseur haute pression 28, de façon à entraîner celui-ci.L'air comprimé à haute pression issu du deuxième étage de compression 28 est alors amené par les conduites 30 et 31 sur l'échangeur de chaleur 15, de façon à y être encore réchauffé. A la sortie de l'échangeur de chaleur 15, l'air comprimé à haute température peut être amené sur le dispositif de reformage catalytique 7 par la conduite 32 ou sur le dispositif de reformage par plasma 8 par la conduite 33. La commande d'alimentation se fait par le dispositif de vanne de régulation 12 qui peut comporter par exemple deux vannes trois voies, schématisées sous les références 12a et 12b.
Du carburant liquide contenu dans un réservoir embarqué sur le véhicule, non représenté sur la figure, est amené par la conduite 34 sur l'échangeur de chaleur 15 afin d' y être vaporisé. Le carburant ainsi vaporisé peut être amené à l'entrée du dispositif de reformage catalytique 7 par la conduite 35 et à l'entrée du dispositif de reformage par plasma froid 8 par la conduite 36, selon la position des différentes vannes 12a, 12b constituant le dispositif de vanne de régulation 12.
De l'eau, provenant d'un réservoir embarqué sur le véhicule, additionnée éventuellement d'eau produite par le fonctionnement du module de puissance lui-même, est amenée sous forme liquide par la conduite 37 à l'entrée de l'échangeur de chaleur 15 afin d'y être vaporisée, puis amenée à l'entrée du dispositif de reformage catalytique 7 par la conduite 38. Dans l'exemple illustré, le dispositif de reformage par plasma froid 8 ne reçoit pas de vapeur d'eau. En variante et selon le type de reformage par plasma, il serait possible également d'envisager une alimentation en vapeur d'eau du dispositif 8 par l'intermédiaire du dispositif de vanne de régulation 12. Dans l'exemple illustré, de l'eau liquide est amenée à l'échangeur de chaleur 15 par la conduite 37 après avoir été alimentée par les conduites 39 et réchauffée dans différents échangeurs de chaleur 40.
Les gaz riches en hydrogène produits par le dispositif de reformage catalytique 7 sortent du dispositif 7 par la conduite 41, puis, après avoir cédé une partie de leurs calories à l'eau liquide alimentée dans l'échangeur de chaleur 40, sont amenés à l'entrée du premier étage de réaction de gaz à l'eau à haute température HTS dans un réacteur 42. En sortie du réacteur 42, les gaz riches en hydrogène, en partie purifiés, traversent un deuxième échangeur de chaleur 40 pour réchauffer l'eau d'alimentation, puis sont amenés par la conduite 43 à un deuxième étage de purification par réaction de gaz à l'eau à température plus basse LTS dans un réacteur référencé 44.Après cette conversion du monoxyde de carbone, les gaz issus du réacteur 44 sont amenés par la conduite 45 à un réacteur d'oxydation préférentielle 46 après avoir traversé un échangeur de chaleur 40 où une partie de leur chaleur sert à réchauffer l'eau d'alimentation provenant d'une canalisation 39. Le réacteur d'oxydation préférentielle PrOx, référencé 46, reçoit également de l'air comprimé, par la conduite 47 qui est reliée par la conduite 30 au deuxième étage de compression constitué par le compresseur 28.
A la sortie du réacteur d'oxydation préférentielle 46, les gaz sont amenés par la conduite 48 sur un condenseur pré-anodique 49 où l'eau qu'ils contiennent est en majeure partie éliminée. Les gaz sont ensuite amenés par la canalisation 50 à l'entrée du compartiment anodique 3 de la pile à combustible 1. A la sortie du compartiment anodique, les gaz véhiculés par la canalisation 51 traversent un condenseur anodique 52 où ils sont débarrassés de la majeure partie de l'eau qu'ils contiennent avant d'être ramenés par la conduite 53 à l'entrée du dispositif de reformage par plasma 8. L'excès d'hydrogène, qui n'a pas été utilisé dans la pile à combustible, se trouve ainsi ramené dans le dispositif 8.
Le compartiment cathodique 2 de la pile à combustible 1 reçoit, quant à lui, par la conduite 54, de l'air comprimé provenant du deuxième étage de compression matérialisé par le compresseur 28. En sortie du compartiment cathodique 2 de la pile à combustible 1, les gaz de combustion sont amenés par la conduite 55 à un condenseur cathodique 56 où ils sont débarrassés de la majeure partie de l'eau qu'ils contiennent, puis amenés par les conduites 57 et 58 à l'entrée de la turbine 19 avant de s'échapper par la conduite d'échappement 14.
Les différents condenseurs 49, 52 et 56 sont tous refroidis par un circuit de refroidissement 59 comprenant un radiateur 60, les différents condenseurs étant montés en parallèle dans le circuit, comme on le voit sur la figure annexée.
L'unité de commande 9 est capable de piloter le dispositif de vanne de régulation 12 par une connexion 61 et la vanne d'orientation 13 par une connexion 62.
Comme on le sait, un réacteur de reformage catalytique, comme le dispositif 7, atteint un haut rendement énergétique, compris généralement entre 80 et 90%. Toutefois, la mise en température d'un tel réacteur est assez longue et prend une durée de l'ordre de 2 à 5 minutes. Un réacteur de reformage par plasma, du type du dispositif de reformage 8, permet de convertir les composés hydrogénés en hydrogène. On connaît, d'une manière générale, les plasmas thermiques et les plasmas froids ou hors équilibre. Selon la présente invention, on utilise essentiellement un dispositif de reformage par plasma froid, qui présente une pluralité d'électrodes alimentées par une source électrique, non représentée sur la figure. Un tel dispositif de reformage par plasma présente un rendement énergétique relativement faible, généralement inférieur à 70%.Cependant, la réaction de reformage se développe quasi instantanément, de sorte qu'il est possible d'obtenir très rapidement en sortie, des gaz riches en hydrogène.
Le système de reformage, tel qu'il est illustré sur la figure, fonctionne de la manière suivante.
Lors d'une première phase de démarrage, on utilise essentiellement le dispositif de reformage par plasma 8 pour alimenter en hydrogène très rapidement la pile à combustible 1. A cet effet, dès le démarrage, l'unité de commande 9 pilote le dispositif de vanne de régulation 12, de façon à alimenter le dispositif de reformage par plasma 8 en air comprimé par la canalisation 33 et en carburant par la canalisation 36. Le fonctionnement du dispositif de reformage par plasma est également piloté par l'unité de commande 9 par l'intermédiaire de la connexion 10, de façon à adapter la tension appliquée aux électrodes pour la création d'un arc électrique réalisant un milieu dans lequel le carburant et l'air se décomposent prioritairement en hydrogène.Les conditions précises de fonctionnement sont bien connues de l'homme du métier et peuvent être aisément adaptées à chaque cas particulier. On peut envisager, bien que cela ne soit pas illustré sur la figure, d'alimenter également le dispositif de reformage par plasma avec une certaine proportion de vapeur d'eau.
L'hydrogène produit quasi instantanément par le dispositif de reformage par plasma 8 est dirigé, par l'intermédiaire de la vanne d'orientation 13, vers la pile à combustible 1 après avoir été convenablement purifié par les étages de conversion 42, 44 et le réacteur d'oxydation préférentielle 46.
Simultanément et dès le démarrage, le dispositif de vanne de régulation 12 est piloté par l'unité de commande 9, de façon à alimenter également le dispositif de reformage catalytique 7 en air comprimé par la canalisation 32, en carburant par la canalisation 35 et en vapeur d'eau par la canalisation 38. De cette manière, la réaction catalytique peut s'initier en sachant cependant qu'il est nécessaire d'attendre entre 2 et 5 minutes avant que le réacteur n'ait atteint la température de fonctionnement optimale par auto-combustion du carburant et de l'air sur le catalyseur prévu à l'intérieur du dispositif de reformage catalytique 7. Pendant cette phase de démarrage, le dispositif de reformage catalytique 7 ne produit pratiquement pas d'hydrogène et ne contribue que très peu, par la conduite 41, à l'alimentation en hydrogène de la pile à combustible 1.
Pendant cette phase de démarrage, une partie du flux gazeux issu du dispositif de reformage 8 est également amenée, par l'intermédiaire de la vanne d'orientation 13 et de la conduite 17, sur l'échangeur de chaleur 15, de façon à élever la température de l'air comprimé, du carburant et de la vapeur d'eau destinés à alimenter respectivement les deux dispositifs de reformage 8 et 7.
Lorsque la phase de démarrage est terminée, un signal, provenant par exemple d'un capteur de température situé dans le dispositif de reformage catalytique 7, est transmis par la connexion 11 à l'unité de commande 9. Celle-ci peut alors tenir compte de cet état de fonctionnement du dispositif de reformage catalytique 7 pour agir sur le dispositif de vanne de régulation 12 en coupant l'alimentation en carburant du dispositif de reformage 8 tout en maintenant l'alimentation en air comprimé, en carburant et en vapeur d'eau du dispositif de reformage catalytique 7. Simultanément, l'unité de commande 9 agit par la connexion 10 sur le dispositif de reformage par plasma 8 afin de modifier le fonctionnement de celui-ci.On peut par exemple modifier la tension d'alimentation des électrodes, de façon à transformer le dispositif de reformage par plasma froid 8 en un simple dispositif de combustion d'un mélange de carburant et d'air comme dans une chambre de combustion ou un brûleur de type classique.
Dans cette deuxième phase de fonctionnement, qui correspond au fonctionnement normal du dispositif de génération d'hydrogène par reformage, les gaz riches en hydrogène sont essentiellement fournis par le dispositif de reformage catalytique 7 et amenés par la conduite 41 vers la pile à combustible 1 après avoir traversé les différents réacteurs de purification 42, 44 et le réacteur d'oxydation préférentielle 46. L'excès d'hydrogène sur-stoechiométrique provenant du compartiment anodique 3 de la pile à combustible 1 est ramené par la conduite 53 à l'entrée du dispositif 8 qui joue alors le rôle d'un brûleur, compte tenu du fonctionnement commandé par l'unité de commande 9.Les gaz de combustion à haute température, issus du dispositif 8 par la conduite 16, traversent alors la vanne d'orientation 13 avant d'être ramenés par la conduite 17 à l'échangeur de chaleur 15, afin d'élever la température de l'air comprimé, du carburant et de la vapeur d'eau destinés à alimenter le dispositif de reformage catalytique 7 de type classique. A cet effet, l'unité de commande 9 pilote la vanne d'orientation 13, de façon à n'autoriser le passage du flux gazeux issu du dispositif 8 qu'en direction de l'échangeur de chaleur 15.
On comprend que, grâce à la présente invention, il est possible, pendant la phase de démarrage, d'obtenir immédiatement un gaz riche en hydrogène grâce à l'existence du dispositif de reformage par plasma froid 8. Puis, dans une phase ultérieure, après modification des conditions de fonctionnement du dispositif 8, on utilise ce même dispositif pour remplacer le brûleur classique destiné à élever la température de l'air, du carburant et de la vapeur d'eau alimentant le dispositif du reformage catalytique 7.
L'invention permet donc d'associer une rapidité de fonctionnement au démarrage à une grande simplicité, puisqu'il est possible de remplacer purement et simplement le brûleur habituellement utilisé en association avec le dispositif de reformage catalytique.
REVENDICATIONS
1-Système de reformage pour l'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, comprenant un dispositif (7) de reformage catalytique et un dispositif (8) de reformage par plasma froid montés en parallèle en amont de la pile à combustible, et une unité de commande (9) pour piloter le fonctionnement des dispositifs de reformage, caractérisé par le fait qu'un moyen d'échange thermique (15) est monté entre le dispositif (8) de reformage par plasma et le dispositif (7) de reformage catalytique de façon à récupérer les calories provenant du dispositif (8) de reformage par plasma pour élever la température des fluides alimentant le dispositif (7) de reformage catalytique.
1-Système de reformage pour l'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, comprenant un dispositif (7) de reformage catalytique et un dispositif (8) de reformage par plasma froid montés en parallèle en amont de la pile à combustible, et une unité de commande (9) pour piloter le fonctionnement des dispositifs de reformage, caractérisé par le fait qu'un moyen d'échange thermique (15) est monté entre le dispositif (8) de reformage par plasma et le dispositif (7) de reformage catalytique de façon à récupérer les calories provenant du dispositif (8) de reformage par plasma pour élever la température des fluides alimentant le dispositif (7) de reformage catalytique.
Claims (1)
- 2-Système de reformage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une vanne d'orientation (13) commandée par l'unité de commande (9) est montée en aval du dispositif (8) de reformage par plasma pour orienter le flux gazeux issu du dispositif de reformage par plasma, soit vers la pile à combustible (1), soit vers l'échappement(14). 3-Système de reformage selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un dispositif de vanne de régulation (12) commandé par l'unité de commande (9) est monté en amont du dispositif (8) de reformage par plasma pour commander l'alimentation en air, en carburant et éventuellement en vapeur d'eau du dispositif de reformage par plasma. 4-Système de reformage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif de vanne de régulation (12) est également monté en amont du dispositif (7) de reformage catalytique pour commander l'alimentation en air, en carburant et vapeur d'eau du dispositif de reformage catalytique. 5-Système de reformage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un capteur de température est associé au dispositif de reformage catalytique, pour fournir un signal représentatif du fonctionnement du dispositif de reformage catalytique à l'unité de commande. 6-Système de reformage selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'unité de commande (9) comprend des moyens pour piloter le fonctionnement du dispositif de reformage par plasma pour transformer le reformage par plasma en combustion de l'excès d'hydrogène issu de la pile à combustible. 7-Système de reformage selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le dispositif (8) de reformage par plasma comprend des électrodes alimentées en courant électrique à haute tension pour générer des arcs électriques au sein du dispositif et un moyen de régulation du courant électrique pour l'obtention, soit d'un plasma froid, soit d'une combustion du mélange gazeux traversant le dispositif. 8-Procédé d'alimentation en gaz riche en hydrogène d'une pile à combustible, caractérisé par le fait que, dans une phase de démarrage, on alimente essentiellement la pile à combustible en gaz riche en hydrogène produit par reformage par plasma froid, tout en initiant un reformage catalytique et que, dans une phase ultérieure, on modifie les conditions de fonctionnement du reformage par plasma froid afin de récupérer des calories par combustion de l'excès d'hydrogène provenant de la pile à combustible pour élever la température des fluides d'alimentation du reformage catalytique.
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