| JP2009032648 | FUEL CELL DEVICE |
| JP08111229 | PORTABLE FUEL CELL |
| JP10338501 | POWER GENERATING SYSTEM OF FUEL CELL |
MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. (Route Louis Braille 10, Granges-Paccot, CH-1763, CH)
DELFINO, Antonio (Manufacture Française des Pneumatiques Michelin, DGD/PI - F35 - Ladoux 1772, Clermont-Ferrand Cedex 9, F-63040, FR)
| REVENDICATIONS 1. Système de production et d'alimentation d'hydrogène et d'oxygène pour véhicule électrique comportant d'une part : • une pluralité de stations service (40) comprenant chacune au moins un électrolyseur au NaCI, prévues pour fournir à des véhicules susceptibles d'être reliés aux stations service une réserve d'hydrogène et une réserve de NaCI03 ; • une pluralité de véhicules (10) connectables aux dites stations service pour recevoir les dites réserves d'hydrogène et de NaCI03 pour stockage dans les véhicules dans des réservoirs distincts (réservoir d'hydrogène 21 , réservoir de chlorate de sodium 31 ) ; • les véhicules (10) comportant des moyens (13) pour transformer l'hydrogène et le NaCI03 en énergie électrique pour alimenter au moins un équipement électrique du véhicule. 2. Système de production et d'alimentation selon la revendication 1 , dans lequel l'équipement électrique est un moteur (1 1 ) servant à générer le déplacement du véhicule. 3. Système de production et d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les stations service (40) sont reliées à des sources d'alimentation électrique permettant de fournir l'énergie requise pour générer une réaction d'électrolyse. 4. Système de production et d'alimentation selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel les stations service (40) comportent des réservoirs de stockage intermédiaires (43, 44) pour le stockage de l'hydrogène et du NaCI03 avant livraison aux véhicules (10). 5. Système de production et d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la station service comprend : au moins un électrolyseur au NaCI, pour produire de l'hydrogène et du NaCI03 ; une alimentation en eau, pour la réaction d'électrolyse ; une alimentation en NaCI pour la réaction d'électrolyse ; une alimentation en énergie électrique, pour la réaction d'électrolyse ; une sortie de NaCI03 et une sortie de H2, issus de la réaction d'électrolyse, pour alimenter un véhicule connecté à ladite station service. 6. Système de production et d'alimentation selon la revendication 5, dans lequel la station service comprend par ailleurs des réservoirs de stockage intermédiaires (43, 44) pour le stockage d'hydrogène et de NaCI03 avant remplissage des réservoirs (réservoir d'hydrogène 21 , réservoir de chlorate de sodium 31 ) des véhicules (10). 7. Système de production et d'alimentation selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la station service comprend un équipement de collecte du chlorure de sodium stocké à bord du véhicule. |
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] La présente invention concerne un système de production et d'alimentation d'hydrogène et d'oxygène pour véhicule électrique à pile à combustible et elle concerne également une station service correspondante, partie d'un système de production et d'alimentation d'hydrogène et d'oxygène.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Les véhicules utilisant une pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène et à l'oxygène pur présentent plusieurs avantages par rapport à une pile à combustible fonctionnant à l'oxygène contenu dans l'air. Parmi ces avantages, on retrouve notamment les particularités suivantes : la densité de puissance est plus élevée (compacité), le système de gestion des gaz de la pile à combustible est fortement simplifié, il n'est pas nécessaire d'humidifier les gaz entrant dans la pile à combustible, le coût est inférieur pour une puissance donnée, le rendement du système est plus élevé, le compresseur d'air est supprimé, aucun gaz polluant n'est introduit dans la pile à combustible par l'air.
[0003] Certains inconvénients importants subsistent malgré tout. D'une part, le poids embarqué du réservoir d'oxygène sous haute pression est relativement élevé, d'autre part, l'utilisation de gaz sous pression présente certains risques. La pression doit être limitée car le gaz devient extrêmement dangereux lorsque la pression dépasse 200 bars. Lors d'une détente adiabatique, beaucoup de matériaux s'enflamment spontanément au contact de l'oxygène. [0004] Pour pallier ces différents inconvénients, l'invention prévoit différents moyens techniques.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0005] Tout d'abord, un premier but de l'invention consiste à prévoir un système de production et d'alimentation pour véhicule électrique qui soit écologique et sécuritaire ;
[0006] Un autre but consiste à prévoir une station service permettant d'alimenter les véhicules de façon optimale. [0007] Pour ce faire, l'invention prévoit tout d'abord un système de production et d'alimentation d'hydrogène et d'oxygène pour véhicule électrique comportant d'une part :
-une pluralité de stations service comprenant chacune au moins un électrolyseur au NaCI, prévues pour fournir à des véhicules susceptibles d'être reliés aux stations service une réserve d'hydrogène et une réserve de NaCI03 ;
-une pluralité de véhicules connectables aux dites stations service pour recevoir les dites réserves d'hydrogène et de chlorate de sodium pour stockage dans les véhicules dans des réservoirs distincts ;
-les véhicules comportant des moyens pour transformer l'hydrogène et le chlorate de sodium en énergie électrique pour alimenter au moins un équipement électrique du véhicule.
[0008] Les moyens pour transformer l'hydrogène et le chlorate de sodium (NaCI03) en énergie électrique comportent de préférence une pile à combustible alimentée en oxygène pur et en hydrogène. Chaque véhicule comprend avantageusement un réacteur de décomposition de chlorate de sodium, qui permet d'embarquer dans un véhicule (sous-marin, avion, voiture, moto, etc) du chlorate de sodium afin de produire in situ de l'oxygène pour l'utiliser dans la pile à combustible et ainsi éviter les inconvénients liés au stockage sous haute pression et à la sécurité. [0009] Ainsi, l'invention offre une solution pratique pour la fabrication de l'oxygène autrement que par l'électrolyse de l'eau.
[0010] On remarque que les produits de décomposition du chlorate de sodium (NaCI03) sont du chlorure de sodium ou sel (NaCI) et de l'oxygène. Le sel peu éventuellement être à nouveau utilisé pour recréer du chlorate de sodium. L'oxygène est utilisé pour alimenter la pile à combustible. C'est un carburant propre, procurant un rendement élevé, contribuant d'une part à générer une quantité d'énergie importante, et d'autre part à assurer un respect de l'environnement dans lequel évolue le véhicule. [0011] Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, les stations service sont reliées à des sources d'alimentation électrique permettant de fournir l'énergie requise pour générer une réaction d'électrolyse.
[0012] L'invention prévoit par ailleurs un véhicule comprenant :
· une pile à combustible ;
• une alimentation de la pile à combustible à base d'hydrogène et d'oxygène fournis par un système d'alimentation d'hydrogène et un système d'alimentation d'oxygène embarqués ; • dans lequel le système d'alimentation en hydrogène comporte un réservoir à sensiblement basse pression pour stockage du gaz à l'aide d'hydrures métalliques, ledit réservoir étant en communication fluidique avec la pile à combustible pour alimenter celle-ci en hydrogène;
• et dans lequel le système d'alimentation en oxygène comporte un réservoir de NaCI03, un réacteur de décomposition du NaCI03 en communication fluidique avec le réservoir de NaCI03 et relié à la pile à combustible pour alimenter celle-ci en oxygène après décomposition du NaCI03.
[0013] De manière avantageuse, les réservoirs de NaCI03 et d'hydrogène comportent chacun des conduits de remplissage, connectables à une source externe pour remplissage des réservoirs.
[0014] Le système d'alimentation en oxygène est avantageusement prévu de façon à pouvoir fournir le NaCI03 sous forme sensiblement solide au réacteur de décomposition.
[0015] Selon une variante avantageuse, le NaCI03 est fourni au réacteur par un système d'alimentation mécanique, comme par exemple par une vis sans fin, ou par gravité.
[0016] L'invention prévoit enfin une station service pour véhicule, ladite station service comprenant :
au moins un électrolyseur au NaCI, pour produire de l'hydrogène et du NaCI03 ;
- une alimentation en eau, pour la réaction d'électrolyse ;
une alimentation en NaCI pour la réaction d'électrolyse ;
une alimentation en énergie électrique, pour la réaction d'électrolyse ;
une sortie de NaCI03 et une sortie de H2, issus de la réaction d'électrolyse, pour alimenter un véhicule connecté à ladite station service.
[0017] De manière avantageuse, une telle station service s'intègre dans un système précédemment décrit et comprend par ailleurs des réservoirs de stockage intermédiaires pour le stockage d'hydrogène et de NaCI03 avant remplissage des réservoirs des véhicules. DESCRIPTION DES FIGURES
[0018] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 4, présentées uniquement à des fins d'exemples non limitatifs, et dans lesquelles: -la figure 1 représente de façon schématique un véhicule à motorisation électrique avec réservoir d'hydrogène à basse pression selon l'invention;
-la figure 2 montre le même véhicule en relation avec une station service ;
-la figure 3 montre un exemple de moyen utilisé pour permettre d'acheminer le NaCI03, dans cet exemple, une vis sans fin ; -la figure 4 présente un exemple de station service pourvue de réservoirs de stockage intermédiaires.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
[0019] La figure 1 montre un exemple de véhicule 10 dont les moyens de propulsion, dans cet exemple des moteurs électriques 1 1 intégrés au niveau des roues 12, sont alimentés au moyen d'une pile à combustible 13. La pile à combustible fonctionne de façon classique, à base d'hydrogène et d'oxygène. La pile permet ainsi de générer du courant continu, envoyé via un convertisseur DC/DC 15 aux deux moteurs, prévus dans les roues avant du véhicule illustré. Le convertisseur DC/DC permet d'adapter la tension fournie par la pile à celle requise par les moteurs. Par exemple, pour une pile fournissant un voltage de 90 à 150 Volts, le convertisseur rehausse la tension par exemple à des valeurs pouvant se situer entre 250 et 300 Volts. Selon d'autres exemples de réalisation, on prévoit les moteurs intégrés au niveau des roues arrière du véhicule, ou encore un moteurs unique, couplé à des moyens de transmission de type connu.
[0020] L'hydrogène fourni à la pile 13 provient avantageusement d'un système d'alimentation en hydrogène 20 comportant un réservoir d'hydrogène 21 à sensiblement basse pression permettant le stockage au moyen d'hydrures métalliques. Ce mode de stockage avantageux permet d'optimiser la quantité de gaz, permettant par exemple de pouvoir stocker une importante quantité d'hydrogène à une pression relativement faible se situant entre 3 et 15 bars. Le système de stockage à hydrure métalliques est décrit plus en détails un peu plus loin dans la description.
[0021] Une conduite d'hydrogène 22 permet de relier le réservoir d'hydrogène 21 à la pile à combustible 13.
[0022] L'oxygène fourni à la pile provient avantageusement d'un réacteur 32 de décomposition de NaCI03 placé, au moyen d'une canalisation de transfert 35, en communication fluidique avec un réservoir de chlorate de sodium 31. La Figure 3 montre un exemple de moyen permettant d'effectuer l'approvisionnement de chlorate de sodium à partir du réservoir de chlorate de sodium 31 vers le réacteur 32. Dans cet exemple, une vis sans fin 50, disposée entre les deux éléments, est utilisée pour prélever le chlorate, sous forme de poudre, du réservoir de chlorate de sodium 31 et l'acheminer vers le réacteur 32. Dans une variante de réalisation non illustrée, le chlorate de sodium est acheminé au réacteur 32, disposé sensiblement sous le réservoir de chlorate de sodium 31 , par gravité.
[0023] Le chlorate de sodium embarqué est décomposé par le réacteur installé dans le véhicule à mesure de la demande en oxygène venant de la pile à combustible. La décomposition du chlorate de sodium est gouvernée par la réaction suivante : [0024] NaCI03 + « Chaleur » - NaCI + 302 ; cette réaction étant endothermique, elle consomme de l'énergie à bord du véhicule ; l'énergie nécessaire est prélevé à l'énergie électrique produite par la pile à combustible ; cependant, le rendement de cette réaction est très élevé et le bilan énergique global à bord de véhicule reste très intéressant, la part d'énergie prélevée à la pile à combustible pour l'alimenter ainsi en oxygène restant modeste.
[0025] L'oxygène issu de la réaction du réacteur 32 est acheminé à la pile à combustible 13 par une conduite à oxygène 36. Plutôt que de disperser le chlorure de sodium (NaCI) au fur et à mesure de sa production, il est stocké à bord du véhicule, dans un réservoir de stockage de chlorure de sodium 37, pour pouvoir le décharger, via un conduit de vidange 38, à la station servie et, dans une mise en œuvre tout particulièrement avantageuse, le recyclage de ce produit est effectué sur place, comme cela est expliqué ci-dessous. [0026] Les réservoirs de chlorate de sodium 31 et d'hydrogène 21 sont approvisionnés en chlorate de sodium d'une part et en hydrogène d'autre part lorsque le véhicule 10 est connecté à une station service 40 tel que présenté à la figure 2. La station service 40 est munie de deux emplacements 41 et 42 pour connexion aux conduits de remplissage 33 et 34 du véhicule. La station service 40 est aussi munie d'un branchement 45 pour connexion au conduit de vidange 38 du véhicule.
[0027] La station service 40 est prévue pour produire du chlorate de sodium et de l'hydrogène, à l'aide d'au moins un électrolyseur au NaCI. La station service doit par ailleurs être alimentée en eau, en sel et en énergie, pour permettre la réaction d'électrolyse. Ainsi, au niveau d'une station service, le sel (NaCI) mélangé à l'eau (H20), au moins en partie récupéré par vidange des véhicules comme exposé ci-dessus, est électrolysé de telle façon à produire du chlorate de sodium (NaCI03) et de l'hydrogène (H2). La réaction chimique suivante l'illustre.
[0028] NaCI + 3H20 + 6e- ^ NaCI03 + 3H2
[0029] On remarque que cette réaction produit de l'hydrogène gazeux et du chlorate de sodium solide qui renferme trois atomes d'oxygène. Le chlorate de sodium peut être ainsi facilement stocké sans avoir recours à un réservoir sous pression avec toutes les contraintes liées à celui-ci. De plus le chlorate de sodium n'est pas dangereux. Par conséquent il peut être facilement transportable dans un véhicule sans danger. Des stockages intermédiaires pour l'hydrogène 43 et/ou pour le NaCI03 44 sont avantageusement prévus au niveau de la station service. La station service comporte également une cuve de stockage 450 pour le chlorure de sodium en provenance des véhicules par le branchement 45, le tout avec les moyens techniques appropriés pour assurer le transfert dudit chlorure de sodium (vis sans fin ou autre moyen adéquat). Ces réservoirs tampon et cuve de stockage permettent de produire l'hydrogène et le chlorate de sodium en toute liberté et avec plus de souplesse, sans contrainte d'approvisionnement en temps réel. Pour la station service, les contraintes de stockage de l'hydrogène sont moindres que sur un véhicule. Ainsi, le réservoir tampon d'hydrogène de la station service peut être soit un réservoir pressurisé, ou encore un réservoir avec des hydrures, similaire à celui d'un véhicule, mais de préférence avec un volume correspondant à une recharge de plusieurs véhicules. Des moyens d'acheminent de type connu, comme par exemple des tubes pourvus de vis sans fin, permettent de transvaser le NaCI03 du réservoir tampon vers le véhicule à alimenter. [0030] Soulignons encore que, puisque selon le schéma proposé par l'invention, chaque véhicule produit du chlorure de sodium (NaCI) et que chaque station service consomme du chlorure de sodium, de préférence, chaque station service dispose d'un équipement (non représenté aux dessins) de collecte du chlorure de sodium stocké à bord du véhicule, afin de le recycler en station service pour la production du chlorate de sodium (NaCI03).
[0031] A bord des véhicules, afin de stocker l'hydrogène de façon optimale, des réservoirs comprenant des hydrures métalliques sont avantageusement prévus. Avec de tels réservoirs, le composé métallique agit comme une éponge à hydrogène. Il existe plusieurs métaux et alliages métalliques qui ont la propriété d'absorber l'hydrogène dans leur réseau cristallin. Lors du remplissage d'un réservoir, l'hydrogène moléculaire H2 diffusant dans le métal est stocké sous forme atomique H. La liaison moléculaire est affaiblie et il s'ensuit un dégagement de chaleur (réaction exothermique). Il est donc avantageux de prévoir un moyen de refroidissement permettant de refroidir le réservoir pendant le remplissage. Sur l'exemple de la figure 1 , le réservoir d'hydrogène 21 est pourvu d'ailettes 23, qui permettent un refroidissement suffisant si le temps de charge n'est pas trop court. Pour un refroidissement plus efficace, un système de refroidissement à base de liquide peut être prévu.
[0032] Inversement, pour vider le réservoir, un apport énergétique est requis pour recréer la liaison moléculaire lorsque l'hydrogène atomique quitte l'hydrure. Pour pouvoir être effectuée, la réaction endothermique nécessite de puiser de l'énergie à l'environnement, de sorte que le réservoir se refroidit. De manière avantageuse, un apport en énergie permet d'optimiser l'expulsion de l'hydrogène. L'eau de refroidissement de la pile à combustible, une fois chargée en énergie calorifique, peut permettre de fournir une partie ou la totalité de l'énergie requise. [0033] Les hydrures métalliques les plus connus sont : FeTiH1.7, LaNi5H6, MgH2, Mg2NiH2.
[0034] La masse d'hydrogène stockée dans le réservoir par unité de volume est sans doute l'un des avantages les plus importants d'une telle configuration de réservoir avec des hydrures métalliques. La masse volumique d'hydrogène stocké se situe entre 60 g/l et 130 g/l. A titre de comparaison, l'hydrogène comprimé à 350 bars dans un réservoir en composite (par exemple en fibres de carbone résine) a une densité de 25 g/1. Pour de l'hydrogène liquide, on obtient 71 g/l. Cela revient à dire que la technologie des hydrures métalliques permet de stocker beaucoup d'hydrogène dans un petit volume.