FR2968462A1

FR2968462A1 - Dispositif de production d'electricite par pile a combustible.

Info

Publication number: FR2968462A1
Application number: FR1060097A
Authority: FR
Inventors: David Olsommer
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Societe de Technologie Michelin SAS
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-06-08
Anticipated expiration: 2030-12-06
Also published as: JP6022474B2; US20130302706A1; JP2014506375A; WO2012076445A1; CN103250292A; FR2968462B1; EP2649663A1; CN103250292B

Abstract

L'invention concerne un dispositif de production d'électricité par pile à combustible, comprenant des moyens de production (1) de gaz carburant et comburant, au moins un ensemble de conditionnement (2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10), pour l'un des gaz carburant ou comburant. L'ensemble de conditionnement comprend au moins un moyen de dessiccation (3) avant stockage sous pression du gaz, au moins un moyen de stockage sous pression du gaz (5) et au moins un moyen d'humidification après déstockage du gaz. Selon l'invention, le moyen de dessiccation (3) assure au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, par restitution au moins partielle de l'eau extraite du gaz le traversant en mode de fonctionnement production-stockage de gaz.

Description

-1 [0001] L'invention concerne un dispositif de production d'électricité par pile à combustible. [0002] L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de production d'électricité par pile à combustible de type « boucle fermée » ou « système intégré », c'est-à-dire dans lequel les moyens de production des gaz alimentant la pile à combustible, les moyens de conditionnement et de stockage de ces gaz, ainsi que la pile à combustible elle-même sont réunis dans un même dispositif. Les documents US2004126641 et WO03041204 présentent de tels systèmes intégrés. [0003] L'invention est plus particulièrement décrite, mais de manière non limitative, pour des applications dans le domaine de l'automobile, dans lequel cette technologie fait l'objet d'importantes recherches et semble prometteuse. L'invention peut aussi être utilisée avantageusement dans les domaines naval ou aéronautique. [0004] Ces applications peuvent être mobiles, dans le cas où le dispositif de production d'électricité par pile à combustible est embarqué dans le véhicule, ou stationnaires, dans le cas où le dispositif de production d'électricité par pile à combustible est un moyen extérieur au véhicule et destiné à fournir de l'énergie à un véhicule dans une station. L'application peut également être utilisée dans le domaine stationnaire pour le stockage d'énergie. [0005] Dans le cas d'une application mobile, le dispositif de production d'électricité par pile à combustible est généralement associé à une autre source d'énergie qui peut être de nature électrique, par exemple et de manière non limitative, provenant de panneaux photovoltaïques. Un tel dispositif de production d'électricité par pile à combustible permet ainsi de produire et de stocker de l'énergie, et de fournir de l'énergie électrique à la demande lorsque la source principale d'énergie n'est pas disponible ou insuffisante. [0006] Il est connu que les piles à combustible permettent la production directe d'énergie électrique par une réaction électrochimique d'oxydoréduction à partir d'un gaz carburant, tel que l'hydrogène gazeux, et d'un gaz comburant, tels que l'oxygène gazeux ou l'air, sans passer par une conversion en énergie mécanique. 2968462 -2 [0007] Les piles à combustible sont dites de type hydrogène-oxygène lorsque les gaz respectivement carburant et comburant sont l'hydrogène gazeux et l'oxygène gazeux, ou de type hydrogène-air lorsque les gaz respectivement carburant et comburant sont l'hydrogène gazeux et l'air. 5 [0008] Une pile à combustible comporte généralement une association en série d'éléments unitaires, chaque élément unitaire étant constitué essentiellement d'une anode et d'une cathode séparées par un électrolyte. Un type classique d'électrolyte, utilisé dans les applications du domaine de l'automobile est un électrolyte solide constitué essentiellement par une membrane polymère, permettant le passage d'ions ro de l'anode à la cathode. Un type particulier de ces membranes est proposé par exemple par la société DuPont sous l'appellation commerciale «Nafion ». Ces membranes doivent présenter une bonne conductivité ionique car elles sont traversées par les protons hydrogènes et elles doivent être électriquement isolantes afin que les électrons cheminent par le circuit électrique extérieur à la pile. On sait 15 que, non seulement pour les membranes du type indiqué ci-dessus mais également pour d'autres membranes utilisées comme électrolyte solide dans des piles à combustible, la conductibilité des membranes est fonction de leur teneur en eau. C'est la raison pour laquelle les gaz d'alimentation de la pile doivent être suffisamment humides. Ainsi une pile à combustible doit être alimentée en gaz 20 carburant et comburant avec une teneur en eau suffisante, mais pas excessive. [0009] A cette fin, les gaz carburant et comburant humides alimentant la pile à combustible peuvent résulter d'un procédé en plusieurs étapes, décrites ci après dans le cas d'une pile à combustible de type hydrogène-oxygène. [0010] La première étape, dans le cas d'une pile à combustible de type 25 hydrogène-oxygène, consiste à produire de l'hydrogène gazeux et de l'oxygène gazeux, à l'aide d'un moyen de production de gaz par électrolyse d'eau ou électrolyseur, l'eau pouvant être récupérée en sortie de pile à combustible, tel que décrit dans le document WO 2010/024594. L'hydrogène gazeux et l'oxygène gazeux issus de l'électrolyseur sont alors saturés en vapeur d'eau. A l'issue de cette première 2968462 -3- étape, les gaz hydrogène et oxygène sont conditionnés séparément et les étapes décrites ci-après sont décrites pour un gaz donné. [0011] La deuxième étape consiste en une dessiccation de chaque gaz avant son stockage sous pression, c'est-à-dire un séchage ou une extraction au moins partielle 5 de l'eau contenue dans le gaz. La dessiccation du gaz est nécessaire, car les condensats d'eau sont préjudiciables à la fois à la durée de vie des compresseurs, éventuellement utilisés pour comprimer le gaz avant stockage, et à celle des réservoirs de stockage du gaz. Habituellement, le gaz est séché soit par refroidissement et condensation du gaz, soit par passage du gaz dans un moyen de to dessiccation. Le séchage par refroidissement et condensation du gaz nécessite un apport en énergie. Le séchage par passage du gaz dans un moyen de dessiccation utilise, usuellement, un moyen de dessiccation comprenant un matériau dessiccatif en phase solide. En particulier, le moyen de dessiccation peut être une colonne de dessiccation, généralement remplie de granulés dessiccatifs, par exemple, de type 15 silicagel, tels que mentionnés dans le document WO2007050447. Le séchage par passage du gaz dans une colonne de dessiccation nécessite un entretien des granulés dessiccatifs. En effet, les granulés dessiccatifs, après un certain nombre de passages du gaz à sécher, deviennent saturés en eau et donc inopérants dans leur fonction de dessiccation. Ces granulés dessiccatifs sont alors soit renouvelés périodiquement, ce 20 qui nécessite une intervention normale d'entretien, soit régénérés, c'est-à-dire séchés de manière automatique, en purgeant une partie du gaz produit par l'électrolyseur et traversant la colonne de dessiccation, ce qui entraîne une perte en volume de gaz produit par l'électrolyseur d'environ 10%. [0012] La troisième étape consiste à comprimer le gaz séché, issu du moyen de 25 dessiccation, au moyen d'un compresseur et à stocker le gaz séché comprimé dans un réservoir de stockage sous pression. Typiquement, la pression de stockage de l'hydrogène gazeux, après dessiccation, est comprise entre 200 bars et 350 bars, alors que la pression de stockage de l'oxygène gazeux, après dessiccation, est d'environ 130 bars. Une solution alternative pour le stockage de l'hydrogène est le stockage, sous forme d'hydrures métalliques, à basse pression, c'est-à-dire à une pression comprise entre 5 bars et 15 bars. Cette pression de stockage correspond sensiblement 2968462 -4 à la pression de l'hydrogène gazeux en sortie du moyen de dessiccation, ce qui rend superflu l'usage d'un compresseur. Les hydrures métalliques, composés, à titre d'exemple, de nickel et de lanthane, et sous forme de fine poudre, ont la particularité d'absorber l'hydrogène gazeux sous une certaine pression, avec un léger dégagement 5 de chaleur. Pour libérer ensuite l'hydrogène, un apport de chaleur est nécessaire : par exemple, par utilisation des pertes thermiques de la pile à combustible. Une fois libéré, l'hydrogène est donc à nouveau sous forme d'hydrogène gazeux pur. [0013] La quatrième étape consiste à déstocker le gaz séché comprimé et à le détendre au moyen d'un détendeur, éventuellement couplé à une vanne de sécurité.

10 Dans le cas particulier du déstockage d'hydrogène, stocké sous forme d'hydrures métalliques, cette étape consiste à libérer l'hydrogène, absorbé par les hydrures métalliques, sous forme gazeuse, tel que décrit précédemment. [0014] La cinquième étape consiste à humidifier le gaz séché détendu en vue de l'alimentation de la pile à combustible en gaz carburant hydrogène humide et en gaz 15 comburant oxygène humide. Un gaz humide est en effet nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible, en particulier pour ne pas réduire sa durée de vie. Il existe plusieurs techniques d'humidification qui peuvent être complexes, lourdes et coûteuses. On peut citer notamment, et de manière non exhaustive, la recirculation sur le circuit hydrogène, tel que décrite dans le document 20 US2003031906, l'échangeur d'humidité à microtubes de Nafion, la roue enthalpique, l'injection de brouillard d'eau. [0015] La sixième et dernière étape est l'alimentation de la pile en hydrogène et oxygène gazeux humides issus de leurs moyens d'humidification respectifs. [0016] Dans le cas d'une pile à combustible de type hydrogène-air, seul 25 l'hydrogène gazeux suit les six étapes de procédé précédemment décrites. Concernant la première étape relative à la production d'hydrogène gazeux par électrolyse de l'eau, l'oxygène gazeux, produit simultanément mais non destiné à alimenter la pile à combustible, peut, par exemple, être rejeté dans l'atmosphère. En ce qui concerne le gaz comburant, l'air, généralement issu d'un compresseur d'air, il 2968462 -5 peut être humidifié, avant d'entrer dans la pile à combustible, par l'air humide sortant de la pile à combustible, via un échangeur d'humidité. [0017] L'invention a pour objet de remédier aux désavantages des moyens de dessiccation décrits ci-dessus, en particulier à l'entretien périodique et/ou à la 5 régénération non optimisée du moyen de dessiccation, ainsi qu'à la complexité et au coût du moyen d'humidification. [0018] Le but de l'invention est de proposer un dispositif de production d'électricité par pile à combustible, garantissant à la fois un entretien automatique et performant des moyens de dessiccation et l'utilisation de moyens d'humidification 10 simplifiés. [0019] Ce but est atteint grâce à un dispositif de production d'électricité par pile à combustible, comprenant : - un moyen de production de gaz carburant et un moyen de production de gaz comburant, les gaz respectivement carburant et comburant étant destinés à alimenter 15 une pile à combustible dans laquelle ils réagissent chimiquement entre eux pour produire de l'énergie électrique, - au moins un ensemble de conditionnement pour l'un des gaz carburant ou comburant, comprenant au moins un moyen de dessiccation, destiné à extraire au moins en partie l'eau contenue dans le gaz le traversant avant un stockage sous 20 pression du gaz, au moins deux vannes respectivement en amont et en aval du moyen de dessiccation, au moins un moyen de stockage sous pression du gaz et au moins un moyen d'humidification après déstockage et décompression du gaz, - les vannes, dans un premier état, permettant de configurer le dispositif de production d'électricité en mode de fonctionnement production-stockage du gaz, en connectant 25 en série le moyen de production du gaz, le moyen de dessiccation et le moyen de stockage sous pression du gaz, - les vannes, dans un deuxième état, permettant de configurer le dispositif de production d'électricité en mode de fonctionnement pile à combustible, en autorisant le passage de l'un des gaz carburant ou comburant à travers le moyen de dessiccation 30 en vue de l'alimentation de la pile à combustible, 2968462 -6 et le moyen de dessiccation assurant au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, par restitution au moins partielle de l'eau extraite du gaz le traversant en mode de fonctionnement production-stockage de gaz. 5 [0020] Un dispositif de production d'électricité par pile à combustible comprend, en premier lieu, un moyen de production de gaz carburant et un moyen de production de gaz comburant. Ces moyens de production sont usuellement réunis en un seul moyen de production de gaz, dans le cas d'une pile à hydrogène-oxygène. Ce moyen de production de gaz commun est classiquement un électrolyseur, produisant 10 l'hydrogène et l'oxygène gazeux par électrolyse de l'eau. L'eau soumise à électrolyse est généralement stockée dans un réservoir d'eau, pouvant être éventuellement alimenté au moins en partie par une eau de recyclage, issue d'un condenseur éventuellement disposé en aval de l'électrolyseur et/ou issue de la pile à combustible. Dans le cas d'une pile à combustible hydrogène-air, les moyens de 15 production de gaz sont distincts : l'hydrogène gazeux est usuellement issu d'un électrolyseur alors que l'air provient généralement d'un compresseur d'air. [0021] Un dispositif de production d'électricité par pile à combustible de type hydrogène-oxygène comprend de plus un ensemble de conditionnement, pour chacun des gaz hydrogène et oxygène. Cet ensemble de conditionnement comprend au 20 moins un moyen de dessiccation avant stockage sous pression du gaz, au moins un moyen de stockage sous pression du gaz et au moins un moyen d'humidification après déstockage du gaz. Dans le cas d'une pile à combustible hydrogène-air, seul l'hydrogène gazeux dispose a priori d'un ensemble de conditionnement au sens de l'invention. 25 [0022] Comme décrit précédemment, un moyen de dessiccation est un moyen de séchage du gaz, c'est-à-dire d'extraction au moins partielle de l'eau contenue dans le gaz, avant sa compression éventuelle par un compresseur puis son stockage sous forme comprimé dans un moyen de stockage sous pression tel qu'un réservoir de stockage. En effet, un compresseur et un réservoir de stockage, comprenant 30 généralement des parties métalliques, présentent une sensibilité à la corrosion par 2968462 -7 l'eau éventuellement présente dans le gaz en contact, d'où la nécessité de sécher le gaz pour garantir la pérennité des parties métalliques du compresseur et du réservoir de stockage. En alternative pour l'hydrogène, le stockage peut être réalisé sous forme d'hydrures à basse pression, c'est-à-dire entre 5 bars et 15 bars, sans avoir recours à 5 un compresseur. Pour les hydrures, il est également nécessaire de sécher au préalable le gaz, pour garantir une durée de vie élevée du moyen de stockage. [0023] Un gaz, issu de l'électrolyse de l'eau et saturé en vapeur d'eau, peut éventuellement être partiellement séché par un passage dans un condenseur destiné à enlever une partie de l'eau du gaz avant passage dans le moyen de dessiccation. Ce lo condenseur peut avoir comme source froide l'air ambiant, ou alors plus avantageusement pour une application navale, l'eau de mer par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. [0024] Le moyen de stockage sous pression du gaz sec est généralement un réservoir de stockage, dimensionné pour résister à la pression du gaz. 15 [0025] Pour alimenter ensuite la pile à combustible, le gaz sec - hydrogène gazeux ou oxygène gazeux - est déstocké de son réservoir de stockage, décomprimé à travers un détendeur avant de passer à travers un moyen d'humidification, avant d'alimenter la pile à combustible. [0026] Selon l'invention, un système de vannes, comprenant au moins deux 20 vannes, positionnées respectivement en amont et en aval du moyen de dessiccation, permet de configurer le dispositif de production d'électricité selon deux modes de fonctionnement : un mode de fonctionnement production -stockage de gaz et un mode de fonctionnement pile à combustible. Ces vannes sont par exemple des vannes à trois voies. 25 [0027] Dans le mode de fonctionnement production-stockage de gaz, les vannes, configurées dans un premier état, connectent en série le moyen de production de gaz, le moyen de dessiccation avant stockage sous pression du gaz, et le moyen de stockage sous pression du gaz. Cette connexion permet de stocker chacun des gaz produits par électrolyse, puis séché et comprimé d'être stocké dans un réservoir de 2968462 -8- stockage. Dans le cas de l'hydrogène gazeux, celui-ci peut être stocké, de façon alternative, dans un réservoir, sous formes d'hydrures métalliques, sans compression préalable. [0028] Dans le mode de fonctionnement pile à combustible, les vannes, 5 configurées dans un deuxième état, autorisent le passage de l'un des gaz carburant ou comburant à travers le moyen de dessiccation en vue de l'alimentation de la pile à combustible. [0029] Selon l'invention, le moyen de dessiccation assure au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, 10 par restitution au moins partielle de l'eau extraite du gaz le traversant en mode de fonctionnement production-stockage de gaz. En d'autres termes, le moyen de dessiccation est utilisé comme moyen d'humidification. Ainsi le moyen de dessiccation présente l'avantage d'assurer les deux fonctions de dessiccation et d'humidification, ce qui simplifie le dispositif de production d'électricité par pile à 15 combustible. Corrélativement l'eau stockée par le moyen de dessiccation, lors du passage du gaz humide, en mode de fonctionnement production-stockage de gaz, est au moins en partie restituée au gaz traversant le moyen de dessiccation, en mode de fonctionnement pile à combustible. Par conséquent, l'élimination au moins partielle de l'eau stockée par le moyen de dessiccation permet l'entretien automatique, c'est- 20 à-dire sans intervention humaine, du moyen de dessiccation et au maintien ou à la régénération de sa capacité de dessiccation. Une conséquence bénéfique est l'augmentation du rendement énergétique global du dispositif de production d'électricité par pile à combustible, car la régénération du moyen de dessiccation est réalisée en utilisant l'énergie gratuite perdue de la pile à combustible. 25 [0030] Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif de production d'électricité par pile à combustible comprend un ensemble de conditionnement pour chacun des gaz respectivement carburant et comburant. Deux ensembles de conditionnement distincts permettent ainsi d'éviter tout contact et donc toute réaction chimique entre les gaz respectivement carburant et comburant avant 30 l'alimentation de la pile à combustible. 2968462 -9 [0031] C'est le cas en particulier d'un dispositif de production d'électricité par pile à combustible de type hydrogène-oxygène, dans lequel le gaz carburant - hydrogène gazeux- et le gaz comburant -oxygène gazeux- sont conditionnés par leurs ensembles de conditionnement respectifs. 5 [0032] Dans le cas d'un dispositif de production d'électricité par pile à combustible de type hydrogène-oxygène, les moyens de production de l'hydrogène gazeux et de l'oxygène gazeux sont confondus en un seul moyen de production par électrolyse de l'eau provenant d'un réservoir de stockage d'eau connecté à la pile à combustible. Ce moyen de production par électrolyse de l'eau est le moyen usuel et 10 économique de production simultanée de l'hydrogène gazeux et de l'oxygène gazeux. [0033] Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le dispositif de production d'électricité par pile à combustible comprend un ensemble de conditionnement seulement pour le gaz carburant. 15 [0034] C'est le cas notamment d'une pile à combustible de type hydrogène-air, dans laquelle seul l'hydrogène gazeux, produit par électrolyse de l'eau, a un ensemble de conditionnement au sens de l'invention. L'air, issu généralement d'un compresseur, donc d'un moyen de production distinct de celui de l'hydrogène gazeux, n'a pas besoin d'un tel ensemble de conditionnement. 20 [0035] Selon un mode de réalisation préférée de l'invention, le moyen de dessiccation, destiné à extraire au moins en partie l'eau contenue dans le gaz le traversant, avant le stockage sous pression du gaz, en mode de fonctionnement production-stockage de gaz, est traversé par le même gaz en mode de fonctionnement pile à combustible. En d'autres termes, le moyen de dessiccation 25 assurant le séchage du gaz le traversant, en mode de fonctionnement production-stockage de gaz, avant son stockage sous pression, assure l'humidification de ce même gaz après son déstockage et avant l'alimentation de la pile à combustible, en mode de fonctionnement pile à combustible. Ainsi, le moyen de dessiccation assure les deux fonctions de dessiccation et d'humidification pour le même gaz.

30 Avantageusement, le moyen de dessiccation est donc traversé par un gaz de même 2968462 -10 nature chimique, ce qui évite tout risque de réaction chimique au sein du moyen de dessiccation. Dans le cas d'une pile à combustible de type hydrogène-oxygène, les circuits d'hydrogène gazeux et d'oxygène gazeux sont ainsi parfaitement séparés. [0036] Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le moyen 5 de dessiccation, destiné à extraire au moins en partie l'eau contenue dans un premier gaz le traversant, avant le stockage sous pression du gaz, en mode de fonctionnement production-stockage de gaz, est traversé par un deuxième gaz en mode de fonctionnement pile à combustible. En d'autres termes, le moyen de dessiccation assurant le séchage d'un premier gaz le traversant, en mode de fonctionnement 10 production-stockage de gaz, avant son stockage sous pression, assure l'humidification d'un deuxième gaz après son déstockage et avant l'alimentation de la pile à combustible, en mode de fonctionnement pile à combustible. Ainsi, le moyen de dessiccation assure les deux fonctions de dessiccation et d'humidification mais pour des gaz différents. Par premier gaz, on entend le gaz traversant le moyen 15 de dessiccation en en mode de fonctionnement production-stockage de gaz, et, par deuxième gaz, on entend le gaz traversant le moyen de dessiccation en en mode de fonctionnement pile à combustible. A titre d'exemple, dans le cas d'une pile à combustible de type hydrogène-air, le moyen de dessiccation de l'hydrogène gazeux peut assurer l'humidification de l'air comprimé, qui assure en contrepartie le séchage 20 du moyen de dessiccation, ce qui pourrait rendre superflu le chauffage du moyen de dessiccation. Concernant l'hydrogène gazeux, qui n'est pas humidifié par son propre moyen de dessiccation, il peut alors être humidifié par recirculation du surplus d'hydrogène gazeux humide sortant de la pile à combustible. [0037] Un mode de réalisation préféré de l'invention est un dispositif de 25 production d'électricité par pile à combustible, dans lequel le moyen de dessiccation est constitué d'au moins une colonne de dessiccation comprenant des granulés dessiccatifs, qui est une technologie connue et maîtrisée. [0038] Selon une variante du mode de réalisation préféré précédent, les granulés dessiccatifs d'une colonne de dessiccation sont de type silicagel, qui est un matériau 30 usuellement utilisé dans ce type d'application. 2968462 -11 [0039] Il est avantageux que la température de fonctionnement du moyen de dessiccation, assurant au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, soit comprise entre 60°C et 100°C, de préférence entre 60°C et 80°C. En effet, cette température de fonctionnement permet 5 de transformer en vapeur d'eau, l'eau récupérée par le moyen de dessiccation, au cours de l'étape de dessiccation. L'intervalle de températures préférentiel [60°C, 80°C] correspond aux températures de fonctionnement usuelles d'une pile à combustible. L'intervalle de températures [80°C, 100°C] correspond aux températures de fonctionnement vers lesquelles tendent les membranes des piles à 10 combustible en développement, ces températures plus élevées permettant avantageusement, par exemple, de réduire la quantité de platine nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible ou de refroidir plus facilement la pile à combustible. [0040] Il est encore avantageux que la température de fonctionnement du moyen 15 de dessiccation, assurant au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, soit obtenue au moins en partie par échange thermique avec le circuit de refroidissement de la pile à combustible. En effet, ce mode de réalisation permet d'utiliser une source de chaleur existante, le circuit de refroidissement de la pile à combustible, d'où un avantage économique. Il 20 permet par ailleurs d'atteindre le niveau de température de fonctionnement, entre 60°C et 100°C, de préférence entre 60°C et 80°C, nécessaire à la vaporisation de l'eau stockée dans le moyen de dessiccation. [0041] Un autre mode de réalisation avantageux est que la température du gaz entrant dans le moyen de dessiccation, assurant au moins en partie l'humidification 25 du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, est comprise entre 60°C et 100°C, de préférence entre 60°C et 80°C. En d'autres termes, le gaz sec et détendu entrant dans le moyen de dessiccation est préalablement chauffé jusqu'à une température permettant la vaporisation de l'eau stockée. Le chauffage du gaz peut être combiné au chauffage du moyen de dessiccation précédemment décrit. 2968462 -12 [0042] Comme pour le chauffage du moyen de dessiccation, il est également avantageux que la température du gaz entrant dans le moyen de dessiccation, assurant au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, est obtenue au moins en partie par échange 5 thermique avec le circuit de refroidissement de la pile à combustible. Comme précédemment, ce mode de réalisation permet d'utiliser une source de chaleur existante, le circuit de refroidissement de la pile à combustible, et permet, par ailleurs, d'atteindre le niveau de température, entre 60°C et 100°C, de préférence entre 60°C et 80°C, nécessaire à la vaporisation de l'eau stockée dans le moyen de 10 dessiccation. [0043] Il est encore avantageux que le moyen de stockage de l'hydrogène soit réalisé sous forme d'hydrures métalliques, car ce moyen de stockage rend superflu l'utilisation d'un compresseur, en aval du moyen de dessiccation. [0044] L'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif de 15 production d'électricité d'un dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon l'invention pour un véhicule automobile. [0045] Les caractéristiques et autres avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide des figures annexées 1 à 3 : - la figure 1 présente le circuit d'un des deux gaz d'alimentation de la pile à 20 combustible selon le premier mode de réalisation de l'invention, en mode de fonctionnement production-stockage de gaz. - la figure 2 présente le circuit d'un des deux gaz d'alimentation de la pile à combustible selon le premier mode de réalisation de l'invention, en mode de fonctionnement pile à combustible. 25 -la figure 3 présente les circuits des deux gaz d'alimentation de la pile à combustible selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, en mode de fonctionnement pile à combustible. [0046] Les figures 1 et 2 présentent schématiquement le circuit d'un seul des deux gaz respectivement carburant et comburant, ce circuit étant similaire pour 30 chacun des gaz. 2968462 -13 [0047] La figure 1 présente le circuit d'un des deux gaz d'alimentation de la pile à combustible selon le premier mode de réalisation de l'invention, en mode de fonctionnement production-stockage de gaz, entre le moyen de production de gaz (1) et le moyen de stockage sous pression (5). Ce circuit est décrit ci-dessous en 5 référence à l'hydrogène gazeux alimentant une pile à combustible de type hydrogène-oxygène. En outre, la partie de circuit en fonctionnement, pour un mode de fonctionnement donné, est représentée en traits pleins alors que la partie de circuit non en fonctionnement est représentée en traits pointillés. [0048] L'hydrogène et l'oxygène gazeux sont produits à l'aide du moyen de 10 production de gaz (1), par électrolyse de l'eau stockée dans le réservoir d'eau (12). Le réservoir d'eau (12) est alimenté au moins en partie par une eau de recyclage issue du condenseur (2) disposé en aval de l'électrolyseur (1) et par une eau de recyclage issue de la pile à combustible (8). L'hydrogène gazeux, issu du moyen de production de gaz (1) et saturé de vapeur d'eau, est partiellement séché dans un 15 condenseur (2). Puis, la dessiccation effective est réalisée à température ambiante, c'est-à-dire entre 20°C et 25°C, dans le moyen de dessiccation (3). Le gaz ainsi séché, issu du moyen de dessiccation (3), est comprimé dans un compresseur (4), typiquement entre 200 bars et 350 bars pour l'hydrogène gazeux, puis stocké dans un moyen de stockage sous pression ou réservoir (5). En alternative pour 20 l'hydrogène, l'utilisation du compresseur (4) peut être superflue si le gaz est stocké dans un réservoir (5) sous forme d'hydrures, à une pression comprise entre 5 bars et 15 bars. Des vannes trois voies (6) et (7), respectivement disposées en amont et en aval du moyen de dessiccation (3), sont configurées en mode de fonctionnement production-stockage, c'est-à-dire qu'elles connectent en série le moyen de 25 production de gaz (1), le moyen de dessiccation avant stockage sous pression du gaz (3) et le moyen de stockage sous pression du gaz (5). [0049] La figure 2 présente le circuit d'un des deux gaz d'alimentation de la pile à combustible selon le premier mode de réalisation de l'invention, en mode de fonctionnement pile à combustible, allant du moyen de stockage sous pression (5) à 30 la pile à combustible (8). Comme pour la figure 1, ce circuit est décrit ci-dessous en 2968462 -14 référence à l'hydrogène gazeux alimentant une pile à combustible de type hydrogène-oxygène. [0050] En mode de fonctionnement pile à combustible, l'hydrogène gazeux sec est déstocké de son moyen de stockage sous pression (5), décomprimé à travers un 5 détendeur (9), ce détendeur étant associé à une vanne de sécurité (10) disposée en aval du détendeur (9). L'hydrogène gazeux sec décomprimé est alors humidifié lors de son passage dans le moyen de dessiccation (3) à une température de fonctionnement comprise entre 60°C et 100°C, de préférence entre 60°C et 80°C. Cette température de fonctionnement est obtenue par échange thermique entre le 10 moyen de dessiccation (3) et le circuit de refroidissement (11) de la pile à combustible (8). Le liquide de ce circuit de refroidissement est entraîné par la pompe (14). [0051] La figure 3 présente les circuits des deux gaz d'alimentation de la pile à combustible selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, en mode de 15 fonctionnement pile à combustible. C'est par exemple le cas d'une pile à combustible de type hydrogène-air. Selon ce mode de réalisation, l'hydrogène gazeux sec est déstocké de son moyen de stockage sous pression (5), décomprimé à travers un détendeur (9), ce détendeur étant associé à une vanne de sécurité (10) disposée en aval du détendeur (9). L'hydrogène gazeux sec décomprimé est alors 20 humidifié par recirculation du surplus d'hydrogène gazeux humide sortant de la pile à combustible (8). L'air, issu d'un compresseur (13), entre dans le moyen de dessiccation (3) de l'hydrogène gazeux, via la vanne (7), pour y être humidifié, avant d'alimenter la pile à combustible (8). [0052] La variante du deuxième mode de réalisation, comprenant un seul 25 ensemble de conditionnement uniquement pour l'hydrogène gazeux, dans laquelle l'hydrogène gazeux est humidifié par son propre moyen de dessiccation et l'air est humidifié par l'air humide sortant de la pile à combustible, via un échangeur d'humidité, n'est pas représentée. [0053] L'invention ne doit pas être interprétée comme étant limitée aux modes 30 de réalisation, présentés précédemment et illustrés sur les figures 1 à 3, mais peut 2968462 -15 être étendue à d'autres modes de réalisation, tels que à titre d'exemple et de manière non exhaustive: - un dispositif de production d'électricité par pile à combustible comprenant un moyen de dessiccation d'une colonne comprenant des granulés dessiccatifs, autres 5 que de type silicagel, - un dispositif de production d'électricité par pile à combustible comprenant un moyen de dessiccation comprenant un matériau dessiccatif en phase solide, autre que des granulés dessiccatifs, - un dispositif de production d'électricité par pile à combustible comprenant plusieurs lo moyens de dessiccation, de stockage ainsi que plusieurs piles à combustible. [0054] Enfin, un tel dispositif de production d'électricité par pile à combustible n'est pas limité à la fourniture d'énergie électrique pour un véhicule automobile mais peut être étendu à tout dispositif requérant une alimentation en énergie électrique.

Claims

REVENDICATIONS1 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible, comprenant: - un moyen de production (1) de gaz carburant et un moyen de production (1, 13) de gaz comburant, les gaz respectivement carburant et comburant étant destinés à alimenter une pile à combustible (8) dans laquelle ils réagissent chimiquement entre eux pour produire de l'énergie électrique, - au moins un ensemble de conditionnement (2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10) pour l'un des gaz carburant ou comburant, comprenant au moins un moyen de dessiccation (3), destiné à extraire au moins en partie l'eau contenue dans le gaz le traversant avant un stockage sous pression du gaz, au moins deux vannes (6, 7) respectivement en amont et en aval du moyen de dessiccation (3), au moins un moyen de stockage sous pression du gaz (5) et au moins un moyen d'humidification après déstockage et décompression du gaz, - les vannes (6, 7), dans un premier état, permettant de configurer le dispositif de production d'électricité en mode de fonctionnement production-stockage du gaz, en connectant en série le moyen de production (1) du gaz, le moyen de dessiccation (3) et le moyen de stockage sous pression du gaz (5), caractérisé en ce que les vannes (6, 7), dans un deuxième état, permettent de configurer le dispositif de production d'électricité en mode de fonctionnement pile à combustible, en autorisant le passage de l'un des gaz carburant ou comburant à travers le moyen de dessiccation (3) en vue de l'alimentation de la pile à combustible (8), et en ce que le moyen de dessiccation (3) assure au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, par restitution au moins partielle de l'eau extraite du gaz le traversant en mode de fonctionnement production- stockage de gaz. 2 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de production d'électricité par pile à combustible comprend un ensemble de conditionnement (2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10) pour chacun des gaz respectivement carburant et comburant. 15 2968462 -17 3 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que les gaz respectivement carburant et comburant sont l'hydrogène gazeux et l'oxygène gazeux. 5 4 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de production de l'hydrogène gazeux et de l'oxygène gazeux sont confondus en un moyen de production (1) par électrolyse de l'eau provenant d'un réservoir de stockage d'eau (12) connecté à la pile à combustible (8). 10 5 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de production d'électricité par pile à combustible comprend un ensemble de conditionnement (2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10) seulement pour le gaz carburant. 6 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 5, caractérisé en ce que les gaz respectivement carburant et comburant sont l'hydrogène gazeux et l'air. 20 7 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de production de l'hydrogène gazeux est un moyen de production (1) par électrolyse de l'eau provenant d'un réservoir de stockage d'eau (12) connecté à la pile à combustible (8), et en ce que le moyen de production de l'air est un compresseur d'air (13). 25 8 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le moyen de dessiccation (3), destiné à extraire au moins en partie l'eau contenue dans le gaz le traversant, avant le stockage sous pression du gaz, en mode de fonctionnement production-stockage de gaz, est 30 traversé par le même gaz en mode de fonctionnement pile à combustible. 2968462 -18 9 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le moyen de dessiccation (3), destiné à extraire au moins en partie l'eau contenue dans un premier gaz le traversant, avant le stockage sous pression du gaz, en mode de fonctionnement production-stockage de gaz, 5 est traversé par un deuxième gaz en mode de fonctionnement pile à combustible. 10 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le moyen de dessiccation (3) est constitué d'au moins une colonne de dessiccation comprenant des granulés lo dessiccatifs. 11 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 10, caractérisé en ce que les granulés dessiccatifs d'une colonne de dessiccation (3) sont de type silicagel. 15 12 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la température de fonctionnement du moyen de dessiccation (3), assurant au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, est 20 comprise entre 60°C et 100°C, de préférence entre 60°C et 80°C. 13 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 12, comprenant un circuit de refroidissement (11) de la pile à combustible (8), entrainé par une pompe (14), caractérisé en ce que la température de fonctionnement du moyen 25 de dessiccation (3), assurant au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, est obtenue au moins en partie par échange thermique avec le circuit de refroidissement (11) de la pile à combustible (8). 14 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon l'une 30 quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la température du gaz entrant dans le moyen de dessiccation (3), assurant au moins en partie l'humidification 2968462 -19 du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, est comprise entre 60°C et 100°C, de préférence entre 60°C et 80°C. 15 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon la revendication 5 14, comprenant un circuit de refroidissement (11) de la pile à combustible (8), entrainé par une pompe (14), caractérisé en ce que la température du gaz entrant dans le moyen de dessiccation (3), assurant au moins en partie l'humidification du gaz le traversant en mode de fonctionnement pile à combustible, est obtenue au moins en partie par échange thermique avec le circuit de refroidissement (11) de la pile à combustible (8). 10 16 Dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le moyen de stockage de l'hydrogène est réalisé sous forme d'hydrures métalliques. 15 17 Utilisation d'un dispositif de production d'électricité par pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 pour un véhicule automobile.