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FR3063181A1 - Procede pour demarrer un ensemble de pile a combustible, et ensemble correspondant - Google Patents

Procede pour demarrer un ensemble de pile a combustible, et ensemble correspondant Download PDF

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FR3063181A1
FR3063181A1 FR1851216A FR1851216A FR3063181A1 FR 3063181 A1 FR3063181 A1 FR 3063181A1 FR 1851216 A FR1851216 A FR 1851216A FR 1851216 A FR1851216 A FR 1851216A FR 3063181 A1 FR3063181 A1 FR 3063181A1
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heat exchanger
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FR1851216A
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English (en)
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Jochen Schurer
Gunther Kolb
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Original Assignee
Diehl Aerospace GmbH
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Publication date
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Abstract

L'invention concerne un procédé pour démarrer un ensemble de pile à combustible, comprenant un processeur de combustible et une pile à combustible (70), caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes : a) chauffage électrique d'un dispositif de chauffage du processeur de combustible, b) chauffage des composants (10, 20, 30, 40, 11, 21, 50) du processeur de combustible à une température de fonctionnement fixe, c) combustion catalytique d'un combustible vaporisé (B) dans le brûleur de démarrage (50), puis postcombustion d'hydrogène dans le post-brûleur (21), d) introduction du combustible (B) dans les composants préchauffés du processeur de combustible et arrêt de la combustion catalytique dans le brûleur de démarrage (50), e) démarrage d'au moins une réaction dans les composants du processeur de combustible, et f) mise en circuit de la pile à combustible (70).

Description

DESCRIPTION
L’invention concerne un procédé pour démarrer un ensemble de pile à combustible, et un ensemble de pile à combustible.
On connaît par exemple par le document DE 203 20 913 U1 un procédé pour démarrer un ensemble de pile à combustible, et un ensemble de pile à combustible. L’ensemble de pile à combustible connu comprend une réserve de combustible, un équipement de chauffage et un dispositif de pile à combustible. L’équipement de chauffage est un équipement de chauffage réalisé séparément du dispositif de pile à combustible, qui ne peut être utilisé que pour démarrer le dispositif de pile à combustible en produisant de l’eau chaude et/ou de l’air chaud. L’ensemble de pile à combustible peut fonctionner avec un combustible primaire constitué de butane ou de propane, qui sont habituellement également disponibles pour des brûleurs à gaz. De plus, l’ensemble de pile à combustible peut comprendre un accumulateur de chaleur latente pour préchauffer la pile à combustible après un redémarrage. Un reformeur, puis la pile à combustible par un gaz réchauffé dans le reformeur, sont alors chauffés.
En alternative, le document DE 203 20 913 divulgue également un équipement de chauffage fonctionnant au courant électrique. Cette publication prévoit en outre d’autres sources de chaleur, en particulier des sources de chaleur électriques, pour chauffer un reformeur et la pile à combustible. Le système proposé est compliqué et prend beaucoup de place. De plus, il ne convient pas pour des piles à combustible fonctionnant au propylène glycol.
Le document EP 1 703 578 Al divulgue un système de pile à combustible et de reformeur avec un brûleur externe, ainsi qu’un procédé pour démarrer le système de pile à combustible et de reformeur. Pour démarrer le système de pile à combustible et de reformeur, on a besoin d’un brûleur disposé à l’extérieur du système pour produire du gaz d’échappement chaud. Le gaz d’échappement ainsi produit passe à travers une partie du système de pile à combustible et de reformeur pour chauffer les composants du système de pile à combustible et de reformeur à une température spécifiée. Par le fait de prévoir un brûleur exclusivement utilisé pour démarrer le système, le système a besoin du brûleur supplémentaire et possède ainsi un volume accru. De plus, à la fin de la phase de démarrage, il
-2faut éviter un retour de gaz de processus dans le brûleur de démarrage, de sorte qu’une vanne supplémentaire est nécessaire. En outre, un tel brûleur produit souvent des particules de suie qui peuvent se déposer dans le système de reformeur en aval. Le recouvrement d’un revêtement catalytique par des particules de suie diminue l’efficacité et la durée de vie du revêtement catalytique et réduit le transfert de chaleur possible dans les échangeurs de chaleur. Cela augmente considérablement les besoins d’entretien d’un tel système.
L’invention a pour but d’éliminer les inconvénients de l’état de la technique. Elle doit notamment proposer un procédé efficace pour démarrer un ensemble de pile à combustible, dont les composants puissent être utilisés même pendant le fonctionnement continu de l’ensemble de pile à combustible.
L’invention atteint ce but par un procédé pour démarrer un ensemble de pile à combustible, comprenant une processeur de combustible et une pile à combustible, sachant que le processeur de combustible comprend les composants suivants : un premier évaporateur, un reformeur disposé en aval du premier évaporateur, un réacteur de conversion à la vapeur d’eau, un réacteur PrOx, un premier échangeur de chaleur, un postbrûleur et un brûleur de démarrage, caractérisé par le fait que le procédé comprend les étapes suivantes :
a) chauffage électrique d’un dispositif de chauffage du processeur de combustible afin de réchauffer un premier gaz,
b) chauffage des composants du processeur de combustible à une température de fonctionnement fixe en faisant circuler le premier gaz réchauffé à travers au moins le premier échangeur de chaleur et le postbrûleur,
c) combustion catalytique d’un combustible vaporisé ou évaporé dans le brûleur de démarrage, puis postcombustion d’hydrogène dans le post-brûleur afin de poursuivre réchauffement du premier gaz via au moins un échangeur de chaleur,
d) introduction du combustible dans les composants préchauffés du processeur de combustible et arrêt de la combustion catalytique dans le brûleur de démarrage,
e) démarrage d’au moins une réaction dans les composants du processeur de combustible, jusqu’à ce qu’un gaz de sortie d’un réacteur PrOx présente une teneur en CO prédéterminée, et
-3 f) mise en circuit de la pile à combustible.
On entend par « processeur de combustible » un ensemble de réacteurs reliés en série dans lesquels un combustible est converti au moyen d’une ou plusieurs réactions de manière à produire un gaz contenant de l’hydrogène qui peut être introduit dans la pile à combustible. Lors des réactions, il faut notamment réduire la teneur en CO à une valeur donnée. Le propylène glycol est particulièrement indiqué comme combustible. Le premier gaz contient de l’oxygène. Le processeur de combustible comprend un évaporateur dans lequel le combustible est évaporé. De préférence, un mélange de propylène glycol et d’eau est évaporé dans l’évaporateur. Le terme « évaporation » désigne également la production de vapeur surchauffée.
Le reformeur est un composant du processeur de combustible. Dans le reformeur, le combustible évaporé, c’est-à-dire le deuxième gaz, est reformé par adjonction du premier gaz, de sorte qu’un troisième gaz contenant de l’hydrogène est produit. Le troisième gaz contient notamment des parts de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, d’eau et d’azote. Le reformeur est en échange de chaleur avec le post-brûleur, de sorte que le post-brûleur peut être utilisé comme chauffage pour le reformeur.
Un autre composant du processeur de combustible est ce qu’on appelle le réacteur de conversion à la vapeur d’eau. Le troisième gaz est converti dans le réacteur de conversion à la vapeur d’eau, avec adjonction du premier gaz, en un quatrième gaz contenant une plus faible proportion de monoxyde de carbone. Le quatrième gaz est introduit dans ce qu’on appelle le réacteur PrOx, un autre composant du processeur de combustible, où il est converti en un cinquième gaz par adjonction supplémentaire de premier gaz. Dans le réacteur PrOx, la teneur en monoxyde de carbone est encore réduite, en particulier par une oxydation préférentielle du monoxyde de carbone. Le cinquième gaz produit dans le réacteur PrOx peut alors être introduit dans la pile à combustible. Le cinquième gaz contient de l’hydrogène, à partir duquel on peut obtenir de l’énergie électrique et de l’eau dans la pile à combustible à l’aide d’un agent oxydant.
Le processeur de combustible comprend en outre au moins le premier échangeur de chaleur, qui est disposé de telle sorte qu’il permet de chauffer l’évaporateur. Le processeur de combustible comprend également le brûleur de démarrage, qu’on peut faire fonctionner avec le combustible. Au cours des étapes a) et b), les composants du processeur de combustible
-4sont chauffés en faisant circuler le premier gaz réchauffé, sachant que le premier échangeur de chaleur est réchauffé par le premier gaz qui afflue à travers l’évaporateur, et que ce premier gaz circule ensuite à travers les composants suivants du processeur de combustible : reformeur, réacteur de conversion à la vapeur d’eau et réacteur PrOx. Le premier gaz réchauffé qui s’écoule à travers le post-brûleur réchauffe le reformeur. Le procédé n’utilise que des composants qui peuvent être employés même pendant le fonctionnement en continu de l’ensemble de pile à combustible. Le procédé ne produit pas de substances nocives, en particulier pas de suie, qui restreindraient le fonctionnement de la pile à combustible.
De préférence, l’étape c) du procédé comprend l’introduction d’un combustible en aval du brûleur de démarrage et la postcombustion dans un post-brûleur de l’hydrogène et du combustible introduit. Par l’apport de combustible supplémentaire dans le post-brûleur, la température du gaz passant par le premier échangeur de chaleur est augmentée et le reformeur est plus fortement réchauffé.
Selon une configuration supplémentaire, l’étape c) du procédé comprend en outre l’utilisation d’un premier échangeur de chaleur présentant un revêtement catalytique, et l’introduction d’un combustible en aval du post-brûleur et la combustion catalytique du combustible dans le premier échangeur de chaleur à revêtement catalytique. La combustion catalytique dans le premier échangeur de chaleur génère de la chaleur supplémentaire qui, dans ce cas, peut être utilisée directement pour chauffer l’évaporateur. Le premier gaz affluant à travers l’évaporateur est ainsi amené à une température plus élevée.
On utilise opportunément un mélange de propylène glycol et d’eau comme combustible. Comme premier gaz, on utilise de préférence de l’air.
Le processeur de combustible comprend opportunément un deuxième échangeur de chaleur, qui réchauffe le premier gaz en amont du brûleur de démarrage et qui refroidit le premier gaz ou un troisième gaz en aval du reformeur et en amont du réacteur de conversion à la vapeur d’eau. Cela signifie que le premier gaz peut être préchauffé dès avant le brûleur de démarrage, en particulier à partir de l’étape d), et qu’en même temps, un profil de température prédéfini peut être établi entre les différents composants du processeur de combustible.
-5Selon une configuration particulièrement préférée, un dispositif de chauffage est chauffé électriquement et/ou un combustible est brûlé par catalyse dans le brûleur de démarrage, au choix. La mise à disposition d’un dispositif de chauffage et d’un dispositif de combustion catalytique dans le brûleur de démarrage augmente à son tour le degré d’intégration de l’ensemble de pile à combustible, en permettant d’éviter un dispositif séparé supplémentaire.
Selon une configuration opportune, le brûleur de démarrage est activé pendant le fonctionnement de la pile à combustible. Si un premier gaz continue à circuler à travers le brûleur de démarrage, un reflux indésirable, en particulier d’hydrogène, peut être évité sans prévoir un autre composant.
L’invention concerne par ailleurs un ensemble de pile à combustible avec un processeur de combustible et une pile à combustible, comprenant :
un premier évaporateur, un reformeur disposé en aval du premier évaporateur, un réacteur de conversion à la vapeur d’eau, un réacteur PrOx et un premier échangeur de chaleur, caractérisé par le fait que le processeur de combustible comprend un brûleur de démarrage suivi d’un post-brûleur, qui est disposé en aval du réacteur PrOx et en amont du premier échangeur de chaleur, sachant que le premier échangeur de chaleur est préférentiellement relié en transmission de chaleur à l’évaporateur. La chaleur produite peut ainsi être utilisée pour évaporer le combustible. En particulier, la chaleur produite est utilisée là où elle est nécessaire. Cela augmente l’efficacité de l’ensemble de pile à combustible.
Au sens de l’invention, « relié en transmission de chaleur » signifie qu’un échange de chaleur a lieu entre les éléments reliés en transmission de chaleur. Il est opportun que deux éléments reliés en transmission de chaleur soient disposés dans un boîtier commun ou empilés l’un sur l’autre, ou qu’un des éléments soit intégré dans l’autre.
De préférence, le brûleur de démarrage comprend un dispositif de chauffage pour chauffer électriquement un premier gaz et un dispositif pour la combustion catalytique d’un combustible. Le dispositif de chauffage peut comprendre un accumulateur de chaleur et/ou un élément chauffant
-6électrique. Le brûleur de démarrage convient ainsi aussi bien pour générer une température basse pour une première phase de démarrage que pour générer une température plus élevée d’une deuxième phase de démarrage. Le brûleur de démarrage ainsi conçu peut en outre être également utilisé pendant le fonctionnement de la pile à combustible pour réguler la température de l’ensemble de pile à combustible ou pour réguler le gaz d’échappement provenant de la pile à combustible.
L’ensemble de pile à combustible selon l’invention permet un degré élevé d’intégration. La chaleur perdue peut être utilisée de manière optimale. L’ensemble de pile à combustible peut fonctionner sans suie. Cela réduit considérablement la dépense d’entretien de l’ensemble de pile à combustible.
Dans une configuration avantageuse, le brûleur de démarrage présente au moins une première chambre et une deuxième chambre, sachant que la première chambre destinée à la combustion catalytique présente un revêtement de catalyseur et que la deuxième chambre est conçue pour le préchauffage de gaz. La première chambre peut être disposée dans la deuxième chambre. Le revêtement de catalyseur convient pour la combustion d’un mélange vaporisé ou évaporé de propylène glycol et d’eau. Il convient également de préférence pour la combustion d’hydrogène. Cette caractéristique garantit qu’aucun hydrogène non brûlé ne peut s’échapper de l’ensemble de pile à combustible par le brûleur de démarrage si la contre-pression est insuffisante.
De préférence, la première chambre du brûleur de démarrage est précédée d’un dispositif d’atomisation ou d’évaporation du combustible. Le dispositif d’atomisation ou d’évaporation peut faire partie du brûleur de démarrage.
Le premier échangeur de chaleur comprend opportunément un dispositif pour la combustion catalytique d’un combustible. Ce dispositif peut notamment consister en ce que des surfaces internes et/ou des plaques disposées dans le premier échangeur de chaleur sont revêtues d’un revêtement catalytique, et le combustible est brûlé par catalyse sur ce revêtement catalytique.
Selon une configuration supplémentaire opportune, le postbrûleur est relié en transmission de chaleur au reformeur. Le reformeur peut ainsi être chauffé par le post-brûleur.
-7Au sens de l’invention, « relié en transmission de chaleur » signifie qu’un échange de chaleur a lieu entre les éléments reliés en transmission de chaleur. Il est opportun que deux éléments reliés en transmission de chaleur soient disposés dans un boîtier commun ou empilés l’un sur l’autre, ou qu’un des éléments soit intégré dans l’autre.
Selon une configuration supplémentaire, le réacteur PrOx est relié en transmission de chaleur à un deuxième évaporateur et le deuxième évaporateur est conçu pour évaporer le combustible, sachant que le combustible évaporé peut être introduit en amont du reformeur. Dans le réacteur PrOx, de la chaleur est produite par la réaction PrOx, une réaction d’oxydation préférée. La chaleur ainsi produite peut être utilisée pour poursuivre l’évaporation du combustible. Cela augmente encore plus l’efficacité de l’ensemble de pile à combustible.
Un deuxième échangeur de chaleur est opportunément disposé en amont du brûleur de démarrage, et le deuxième échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur à contre-courant qui est conçu pour refroidir un gaz en aval du reformeur et en amont du réacteur de conversion à la vapeur d’eau. Le deuxième échangeur de chaleur permet en même temps de refroidir un gaz sortant du reformeur, le troisième gaz, avant l’introduction dans le réacteur de conversion à la vapeur d’eau, et en même temps de préchauffer un premier gaz, en particulier de l’air, qui doit être introduit dans le brûleur de démarrage.
Selon une configuration supplémentaire, le réacteur de conversion à la vapeur d’eau est relié à un troisième échangeur de chaleur qui est conçu pour préchauffer le premier gaz, sachant qu’une conduite d’alimentation du premier gaz réchauffé est disposée entre le brûleur de démarrage et le post-brûleur. Ce troisième échangeur de chaleur sert ainsi à refroidir le réacteur de conversion à la vapeur d’eau et en même temps à réchauffer un premier gaz à introduire dans le post-brûleur.
Une vanne à trois voies est opportunément disposée en aval du réacteur PrOx, par laquelle un gaz d’échappement du réacteur PrOx peut être conduit, au choix, en amont du brûleur de démarrage, en aval du brûleur de démarrage par un bypass de la pile à combustible, ou en aval du brûleur de démarrage par la pile à combustible.
Une telle vanne à trois voies permet de commuter entre différents états de fonctionnement de l’ensemble de pile à combustible. Cette vanne augmente le degré d’intégration de l’ensemble de pile à
-8combustible. Si le gaz d’échappement du réacteur PrOx est introduit en amont du brûleur de démarrage, les composants du processeur de combustible peuvent être d’abord chauffés à une première température de fonctionnement, afin de pouvoir démarrer les réactions dans les composants du processeur de combustible. En passant par un bypass, les réactions dans les composants du processeur de combustible peuvent être réglées de façon que le gaz d’échappement du réacteur PrOx présente la composition nécessaire pour être introduit dans la pile à combustible. La mise en circuit de la pile à combustible déclenche le fonctionnement de la pile à combustible.
Selon une configuration supplémentaire, le brûleur de démarrage est disposé en ligne entre le deuxième échangeur de chaleur et le post-brûleur. Le brûleur de démarrage est ainsi complètement intégré dans l’agencement de l’ensemble de pile à combustible.
L’exposé qui suit explique l’invention plus en détail par des dessins. Les dessins sont des représentations schématiques parmi lesquelles :
la figure 1 représente la structure d’un ensemble de pile à combustible selon l’invention avec un processeur de combustible, la figure 2 est une représentation schématique d’un processeur de combustible, la figure 3 est un schéma fonctionnel d’un ensemble de pile à combustible avec processeur de combustible, la figure 4 est un schéma fonctionnel du processeur de combustible pendant une première phase de la procédure de démarrage, la figure 5 est un schéma fonctionnel lors de la combustion catalytique dans le brûleur de démarrage, la figure 6 est un schéma fonctionnel lors du reformage à charge partielle, et la figure 7 est un schéma fonctionnel lors du fonctionnement de la pile à combustible.
La figure 1 représente les composants essentiels d’un ensemble de pile à combustible 1, qui comprend un processeur de combustible 2 et une pile à combustible 70. Le processeur de combustible 2 comprend les composants de processeur de combustible suivants : un premier évaporateur 10, un reformeur 20, un réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau et un réacteur PrOx 40. Un combustible B est évaporé par le premier évaporateur
-910. Le deuxième gaz sortant du premier évaporateur 10 est désigné par la référence G2. Le deuxième gaz G2 est introduit avec un premier gaz G1 dans le reformeur 20, dans lequel il est converti en un troisième gaz G3. En ajoutant un premier gaz Gl, le troisième gaz G3 peut être introduit dans le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau, où il est converti en un quatrième gaz G4. En ajoutant le premier gaz Gl, le quatrième gaz G4 est introduit dans le réacteur PrOx 40. Le gaz d’échappement du réacteur PrOx 40 forme un cinquième gaz G5, qui peut être introduit dans la pile à combustible 70. Un sixième gaz G6 est produit sous forme de gaz d’échappement de la pile à combustible 70, gaz qui est brûlé dans un postbrûleur 21 en ajoutant le premier gaz Gl et/ou le deuxième gaz G2. Un brûleur de démarrage 50 est nécessaire pour démarrer l’ensemble représenté de pile à combustible 1.
La figure 2 représente le processeur de combustible 2, qui comprend le premier évaporateur 10, le reformeur 20, le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau, le réacteur PrOx 40, le brûleur de démarrage 50, le post-brûleur 21 et un premier échangeur de chaleur 11. Les composants du processeur de combustible sont reliés fluidiquement entre eux dans l’ordre ci-dessus. Chacun de ces composants du processeur de combustible présente un boîtier, une entrée et une sortie. En particulier, chaque composant présente en outre une deuxième entrée. Le premier évaporateur 10 et le premier échangeur de chaleur 11 sont disposés de manière à ce que le premier évaporateur 10 puisse être chauffé par le premier échangeur de chaleur 11. Le reformeur 20 et le post-brûleur 21 sont reliés entre eux de manière à ce que le reformeur 20 puisse être chauffé par le post-brûleur 21. Le gaz d’échappement du premier échangeur de chaleur 11 est évacué de l’ensemble de pile à combustible 1. Le réacteur PrOx 40 comprend une deuxième sortie pour délivrer un gaz à la pile à combustible 70, ou une conduite reliée entre le réacteur PrOx 40 et le brûleur de démarrage 50 et dotée d’une dérivation de conduite, en particulier d’une vanne. Une entrée supplémentaire est prévue entre le brûleur de démarrage 50 et le post-brûleur 21, par laquelle on peut relier le réacteur PrOx 40 ou introduire de l’hydrogène.
La figure 3 représente schématiquement un exemple de réalisation de l’ensemble de pile à combustible 1. Le premier évaporateur 10 est couplé en transmission de chaleur au premier échangeur de chaleur
11. En option, un quatrième échangeur de chaleur 12 peut être en outre
- 10couplé au premier évaporateur 10 en transmission de chaleur. Le combustible B est introduit dans le premier évaporateur 10. La sortie du premier évaporateur 10 est fluidiquement reliée au reformeur 20 par l’intermédiaire d’une première conduite Ll. Une deuxième conduite L2, par laquelle le premier gaz Gl est introduit dans la première conduite Ll, débouche dans la première conduite Ll. La deuxième conduite L2 est reliée au quatrième échangeur de chaleur 12. Le troisième gaz G3 produit dans le reformeur 20 est acheminé par une troisième conduite L3 vers un deuxième échangeur de chaleur 60 puis, en aval du deuxième échangeur de chaleur 60, par une quatrième conduite L4 dans le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau. Une conduite pour l’alimentation du premier gaz Gl peut déboucher dans la quatrième conduite L4. Le quatrième gaz G4 produit dans le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau est introduit dans le réacteur PrOx 40 par une cinquième conduite L5. Une conduite d’alimentation pour le premier gaz Gl peut déboucher dans la cinquième conduite L5. Le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau est relié en transmission de chaleur à un troisième échangeur de chaleur 31.
Le réacteur PrOx 40 dispose d’une entrée supplémentaire pour introduire du premier gaz Gl. Dans la configuration représentée, le réacteur PrOx 40 est relié en transmission de chaleur à un deuxième évaporateur 41. Cela permet de dissiper la chaleur produite dans le réacteur PrOx 40. Le deuxième évaporateur 41 comprend une conduite d’alimentation pour l’introduction du combustible B, et une sortie qui débouche dans la première conduite Ll via une sixième conduite L6. Le premier évaporateur 10 et le deuxième évaporateur 41 peuvent être conçus alternativement ou en plus comme surchauffeurs.
Le gaz d’échappement produit dans le réacteur PrOx 40, le cinquième gaz G5, est conduit à une vanne à trois voies 80 par une septième conduite L7. Trois conduites partent en dérivation de la vanne à trois voies 80 : une huitième conduite L8 mène de la vanne à trois voies 80 à une conduite d’alimentation du brûleur de démarrage 50, qui est identifiée comme douzième conduite portant la référence L12, une neuvième conduite L9 débouche dans une conduite d’alimentation du post-brûleur 21, qui est la treizième conduite L13, et une dixième conduite L10 mène de la vanne à trois voies 80 à la pile à combustible 70. Le gaz d’échappement de la pile à combustible 70 est acheminé via une onzième conduite Lll vers la treizième conduite L13. La neuvième conduite L9 et la onzième conduite
- 11 Lll peuvent déboucher l’une dans l’autre, de sorte qu’une seule des deux conduites L9, Lll débouche dans la treizième conduite L13.
Par la douzième conduite L12, soit le cinquième gaz G5 soit le premier gaz G1 est introduit dans le brûleur de démarrage 50 et y est brûlé ou encore chauffé. Le gaz d’échappement du brûleur de démarrage 50 et/ou l’air chauffé dans le brûleur de démarrage 50 sont amenés au post-brûleur 21 via la treizième conduite L13. Le gaz d’échappement du post-brûleur 21 est amené dans le premier échangeur de chaleur 11 via une quatorzième conduite L14, éventuellement avec l’ajout de combustible supplémentaire B, et il quitte l’échangeur de chaleur 11 en tant que septième gaz G7.
Le premier échangeur de chaleur 11 est équipé d’un dispositif de combustion catalytique du combustible B. Le dispositif de combustion catalytique du premier échangeur de chaleur 11 est réalisé sous la forme d’un revêtement catalytique de plaques disposées dans le premier échangeur de chaleur 11.
Le brûleur de démarrage 50 comprend un dispositif de chauffage qui peut être chauffé électriquement, et un dispositif pour la combustion catalytique d’un combustible B. Le brûleur de démarrage 50 comprend de préférence une buse non représentée sur la figure 3 pour l’atomisation ou l’évaporation du combustible B, de sorte que la combustion peut avoir lieu avec un rendement plus élevé. Alternativement, le brûleur de démarrage 50 peut être équipé d’un évaporateur supplémentaire pour évaporer le combustible. En amont de la douzième conduite L12, le premier gaz G1 peut être dirigé à contre-courant à travers le deuxième échangeur de chaleur 60, de sorte que du premier gaz G1 déjà réchauffé peut être introduit dans le brûleur de démarrage 50.
La figure 4 est un schéma fonctionnel qui représente les composants du processeur de combustible de l’ensemble de pile à combustible 1 qui sont requis pour une première phase de démarrage, et la conduite de gaz associée. Dans une première phase de démarrage destinée à chauffer les composants du processeur de combustible, seul du premier gaz G1 est dirigé à travers les composants du processeur de combustible. Le premier gaz G1 est introduit par le premier évaporateur 10, ou opportunément par le quatrième échangeur de chaleur 12 thermiquement relié au premier évaporateur 10. Le premier gaz G1 passe successivement par le reformeur 20, le deuxième échangeur de chaleur 60 optionnellement présent, le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau et le réacteur PrOx
- 1240, et est amené du réacteur PrOx 40 au brûleur de démarrage 50. Le brûleur de démarrage 50 possède un dispositif de chauffage et réchauffe ainsi le premier gaz Gl. Le premier gaz G1 réchauffé dans le brûleur de démarrage 50 s’écoule à travers le post-brûleur 21 et le premier échangeur de chaleur 11. Le premier échangeur de chaleur 11 transfère la chaleur au premier évaporateur 10 et au quatrième échangeur de chaleur 12 éventuellement présent. Le post-brûleur 21 réchauffe le reformeur 20.
Si un deuxième échangeur de chaleur 60 est présent, il est possible d’introduire du premier gaz Gl supplémentaire dans le deuxième échangeur de chaleur 60 en amont de la douzième conduite 12. Les composants du processeur de combustible 2 sont amenés à une première température Tl par cette étape du procédé.
La deuxième phase de démarrage est représentée sur le schéma fonctionnel de la figure 5. Le brûleur de démarrage 50 est échauffé à une deuxième température T2 par combustion catalytique d’un combustible B. Le premier gaz Gl s’écoule à travers le premier évaporateur 10 et/ou le quatrième échangeur de chaleur 12. L’air qui y est réchauffé passe successivement par le reformeur 20, optionnellement le deuxième échangeur de chaleur 60, le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau ainsi que le réacteur PrOx 40, et est introduit en amont du brûleur de démarrage 50 dans la douzième conduite L12. Dans le brûleur de démarrage 50, le combustible B maintenant vaporisé ou évaporé est brûlé par catalyse. En option, le dispositif de chauffage peut être en outre chauffé électriquement. Le gaz d’échappement du brûleur de démarrage 50 est acheminé via la treizième conduite L13 jusqu’au post-brûleur 21. En option, du combustible supplémentaire B peut être introduit dans la treizième conduite L13. Le gaz d’échappement du brûleur de démarrage 50 ainsi que le combustible B éventuellement introduit sont brûlés dans le post-brûleur 21. Si, comme le montre la figure 5, le post-brûleur 21 est relié au reformeur 20 en transmission de chaleur, la chaleur perdue du postbrûleur 21 peut être utilisée pour un chauffage supplémentaire du reformeur 20. Le gaz d’échappement du post-brûleur 21 est acheminé via la quatorzième conduite L14 vers le premier échangeur de chaleur 11. Dans le cas d’un premier échangeur de chaleur 11 équipé d’un dispositif de combustion catalytique, on peut introduire du combustible supplémentaire B dans la quatorzième conduite L14, de sorte qu’une combustion catalytique supplémentaire du combustible B est effectuée dans le premier
- 13 échangeur de chaleur 11. Le gaz quittant le premier échangeur de chaleur est le septième gaz G7. La chaleur perdue alors produite est également utilisée pour chauffer le premier évaporateur 10 et le cas échéant le quatrième échangeur de chaleur 12.
La figure 6 présente un schéma fonctionnel de ce qu’on appelle le reformage à charge partielle, qui fait suite à la deuxième phase de démarrage alors que la pile à combustible n’est pas encore mise en circuit. Au cours de cette étape du procédé, le combustible B est en outre introduit dans le premier évaporateur 10. De plus, du combustible B peut également être introduit dans le deuxième évaporateur 41. Au cours de cette étape du procédé, les réactions prévues sont exécutées dans les différents composants du processeur de combustible 2, à savoir le reformeur 20, le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau et le réacteur PrOx 40. Le gaz d’échappement du réacteur PrOx 40, le cinquième gaz G5, est introduit dans cette étape du processus dans la treizième conduite L13 en aval du brûleur de démarrage 50 et en amont du post-brûleur 21. Dans cette étape du processus, le brûleur de démarrage 50 et le cas échéant le deuxième échangeur de chaleur 60 monté en amont servent à alimenter le premier gaz réchauffé Gl. Le brûleur de démarrage 50 peut éventuellement réchauffer davantage le premier gaz Gl par chauffage électrique du dispositif de chauffage.
La réaction dans le réacteur PrOx 40 est déclenchée soit en introduisant le premier gaz Gl dans la cinquième conduite L5, soit en introduisant le premier gaz Gl par une entrée supplémentaire dans le réacteur PrOx 40.
Pour mettre fin à la procédure de démarrage ou encore pour le fonctionnement complet de l’ensemble de pile à combustible 1, la pile à combustible 70 est couplée au processeur de combustible 2. Cela signifie que le gaz d’échappement du réacteur PrOx 40 est introduit dans la pile à combustible 70. Cela est représenté sur la figure 7. Le gaz d’échappement de la pile à combustible 70, en particulier un gaz d’échappement anodique de la pile à combustible 70, est renvoyé en aval du brûleur de démarrage 50 et en amont du post-brûleur 21 dans le processeur de combustible 2. Les autres réactions dans le processeur de combustible 2 se poursuivent dans le reformeur 20, le réacteur 30 de conversion à la vapeur d’eau et le réacteur PrOx 40. Le gaz d’échappement de la pile à combustible est soumis à une postcombustion dans le post-brûleur 21 éventuellement avec l’ajout de
- 14combustible B, ou brûlé par catalyse dans le premier échangeur de chaleur 11 avec l’ajout de combustible supplémentaire B. Le septième gaz G7 est évacué de l’échangeur de chaleur IL Dans cette étape du procédé également, du premier gaz G1 éventuellement préchauffé s’écoule encore à travers le brûleur de démarrage 50.
Les parties, composants, éléments et objets constitutifs de l’invention représentés sur les figures annexées sont référencés comme suit :
: ensemble de pile à combustible : processeur de combustible : premier évap orateur : premier échangeur de chaleur : quatrième échangeur de chaleur : reformeur : post-brûleur : réacteur de conversion à la vapeur d’eau : troisième échangeur de chaleur : réacteur PrOx : deuxième évaporateur : brûleur de démarrage : deuxième échangeur de chaleur : pile à combustible : vanne à trois voies
B : combustible
G1 : premier gaz
G2 : deuxième gaz
G3 : troisième gaz
G4 : quatrième gaz
G5 : cinquième gaz
G6 : sixième gaz
G7 : septième gaz
LI : première conduite
L2 : deuxième conduite
L3 : troisième conduite
L4 : quatrième conduite
L5 : cinquième conduite
L6 : sixième conduite
- 15L7 : septième conduite
L8 : huitième conduite
L9 : neuvième conduite
L10 : dixième conduite
Lll : onzième conduite
L12 : douzième conduite
L13 : treizième conduite
L14 : quatorzième conduite
Tl : première température
T2 : deuxième température
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé pour démarrer un ensemble de pile à combustible (I) , comprenant un processeur de combustible (2) et une pile à combustible (70), sachant que le processeur de combustible (2) comprend les composants suivants : un premier évaporateur (10), un reformeur (20) disposé en aval du premier évaporateur (10), un réacteur (30) de conversion à la vapeur d’eau, un réacteur PrOx (40), un premier échangeur de chaleur (II) , un post-brûleur (21) et un brûleur de démarrage (50), caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes :
    a) chauffage électrique d’un dispositif de chauffage du processeur de combustible (2) afin de réchauffer un premier gaz (Gl),
    b) chauffage des composants du processeur de combustible (2) à une température de fonctionnement fixe en faisant circuler le premier gaz réchauffé (Gl) à travers au moins le premier échangeur de chaleur (11) et le post-brûleur (21),
    c) combustion catalytique d’un combustible vaporisé ou évaporé (B) dans le brûleur de démarrage (50), puis postcombustion d’hydrogène dans le post-brûleur (21) afin de poursuivre l’échauffement du premier gaz (Gl) via au moins un échangeur de chaleur,
    d) introduction du combustible (B) dans les composants préchauffés du processeur de combustible (2) et arrêt de la combustion catalytique dans le brûleur de démarrage (50),
    e) démarrage d’au moins une réaction dans les composants du processeur de combustible (2), jusqu’à ce qu’un gaz de sortie d’un réacteur PrOx (40) présente une teneur en CO prédéterminée, et
    f) mise en circuit de la pile à combustible (70).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape c) comprend :
    introduction d’un combustible (B) en aval du brûleur de démarrage (50) et postcombustion dans un post-brûleur (21) de l’hydrogène et du combustible introduit (B).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’étape c) comprend :
    - 17utilisation d’un premier échangeur de chaleur (11) présentant un revêtement catalytique, et introduction d’un combustible (B) en aval du post-brûleur (21) et combustion catalytique du combustible (B) dans le premier échangeur de chaleur (11) à revêtement catalytique.
  4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on utilise un mélange de propylène glycol et d’eau comme combustible (B).
  5. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on utilise de l’air comme premier gaz (Gl).
  6. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le processeur de combustible (2) comprend un deuxième échangeur de chaleur (60), qui réchauffe le premier gaz (Gl) en amont du brûleur de démarrage (50) et qui refroidit le premier gaz (Gl) ou un troisième gaz (G3) en aval du reformeur (20) et en amont du réacteur (30) de conversion à la vapeur d’eau.
  7. 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, au choix, un dispositif de chauffage est chauffé électriquement et/ou un combustible (B) est brûlé par catalyse dans le brûleur de démarrage (50).
  8. 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brûleur de démarrage (50) est activé pendant le fonctionnement de la pile à combustible (70).
  9. 9. Ensemble de pile à combustible (1) avec un processeur de combustible (2) et une pile à combustible (70), comprenant :
    un premier évaporateur (10), un reformeur (20) disposé en aval du premier évaporateur (10), un réacteur (30) de conversion à la vapeur d’eau, un réacteur PrOx (40) et un premier échangeur de chaleur (11), caractérisé en ce que le processeur de combustible (2) comprend un brûleur de démarrage (50) suivi d’un post-brûleur (21), qui est disposé en aval du réacteur PrOx (40) et en amont du premier échangeur de chaleur (11).
  10. 10. Ensemble de pile à combustible (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le brûleur de démarrage (50) comprend un dispositif
    - 18pour chauffer électriquement un premier gaz (Gl) et un dispositif pour la combustion catalytique d’un combustible (B).
  11. 11. Ensemble de pile à combustible (1) selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le premier échangeur de chaleur (11) comprend un dispositif pour la combustion catalytique d’un combustible (B).
  12. 12. Ensemble de pile à combustible (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le post-brûleur (21) est relié en transmission de chaleur au reformeur (20).
  13. 13. Ensemble de pile à combustible (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le réacteur PrOx (40) est relié en transmission de chaleur à un deuxième évaporateur (41) et le deuxième évaporateur (41) est conçu pour évaporer le combustible (B), sachant que le combustible évaporé (B) peut être introduit en amont du reformeur (20).
  14. 14. Ensemble de pile à combustible (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu’un deuxième échangeur de chaleur (60) est disposé en amont du brûleur de démarrage (50), et le deuxième échangeur de chaleur (60) est un échangeur de chaleur à contrecourant qui est conçu pour refroidir un gaz en aval du reformeur (20) et en amont du réacteur (30) de conversion à la vapeur d’eau.
  15. 15. Ensemble de pile à combustible (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que le réacteur (30) de conversion à la vapeur d’eau est relié à un troisième échangeur de chaleur (31) qui est conçu pour préchauffer le premier gaz (Gl), sachant qu’une conduite d’alimentation du premier gaz réchauffé (Gl) est disposée entre le brûleur de démarrage (50) et le post-brûleur (21).
  16. 16. Ensemble de pile à combustible (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce qu’une vanne à trois voies (80) est disposée en aval du réacteur PrOx (40), par laquelle un gaz d’échappement du réacteur PrOx (40) peut être conduit, au choix, en amont du brûleur de démarrage (50), en aval du brûleur de démarrage (50) par un bypass de la pile à combustible (70), ou en aval du brûleur de démarrage (50) par la pile à combustible (70).
  17. 17. Ensemble de pile à combustible (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que le brûleur de démarrage (50) est disposé en ligne entre le deuxième échangeur de chaleur (60) et le post-brûleur (21).
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