Brevet FR2063971A1 — publié le 19710716

Parmi les piles à combustible actuellement réalisées, il en existe certains types dans lesquels on peut faire varier la relation tension/intensité en fonction du débit de 1'électrolyte. Toutefois, les familles de relations ainsi obtenues ne permettent pas d'utiliser directement de telles piles par 5 simple -variation du débit d'électrolyte pour les applications dans lesquelles l'un des termes de la relation doit rester sensiblement constant, au moins pendant un certain laps de temps, cas, notamment, de l'application de telles piles pour la traction des véhicules et, plus généralement, pour l'alimentation d'un dispositif présentant une caractéristique d'utilisation variable de façon 10 sensiblement linéaire. En vue de remédier à ce défaut, la présente invention a pour objet un procédé de réglage énergétique d'un groupe de piles à combustible alimentant un dispositif à caractéristique d'utilisation variable de façon sensiblement linéaire et nécessitant, au moins momentanément, une intensité quasi constante 15 du courant fourni par ce groupe, qui consiste à monter les piles du groupe électriquement en série, à alimenter en permanence en électrolyte la première pile et, à faible débit, les autres piles sous line perte de charge déterminée et à alimenter progressivement ën parallèle ces piles en électrolyte sous un débit relativement important au fur et à mesure que les pertes de charge à 20 travers les ensembles successifs de piles ainsi obtenus atteignent des valeurs prédéterminées fonction de cette caractéristique variable. L'alimentation en parallèle des piles sous un débit relativement important d'électrolyte peut être progressivement croissante ou décroissante en vue d'obtenir un groupement progressif ou dégressif des piles du groupe. 25 Cette alimentation progressive en parallèle des piles en électro lyte est obtenue de préférence par variation du débit d'alimentation sous l'action de la caractéristique d'utilisation quasi linéairement variable transformable en tension électrique. De telles caractéristiques quasi linéairement variables transfor-30 mables en tension électrique appartiennent en particulier au groupe de grandeurs physiques comprenant vitesse, accélération, pression, débit, viscosité, contrainte, température, quantité de chaleur, intensité lumineuse, quantité de rayonnement, induction magnétique, etc. L'invention a, en outre, pour objet un appareillage permettant la 35 mise en oeuvre du procédé spécifié ci-dessus, cet appareillage comprenant une moto-pompe électrique pour l'alimentation en parallèle en électrolyte des piles du groupe montées électriquement en série, dont l'aspiration est connectée aux 69 35480 2 2063971 sorties de ces piles et dont le refoulement est relié en permanence à l'entrée de la première pile et à chacune de ces piles par_un orifice calibré, des soupapes tarées normalement fermées qui relient l'entrée de chaque pile à celle de la pile précédente et un moyen d'alimentation électrique de cette moto-5 pompe sous une tension fonction de la caractéristique d'utilisation quasi linéairement variable du dispositif alimenté par ces piles. L'invention a enfin pour objet les applications industrielles du procédé et de l'appareillage spécifiés ci-dessus, pour l'alimentation par piles à combustible de tout dispositif ayant une caractéristique d'utilisation varia-10 ble de façon sensiblement linéaire, transformable en tension électrique et nécessitant, au moins momentanément, une intensité quasi constante du courant fourni par ces piles, dans les domaines calorifique, électrique, chimique, nucléaire, mécanique et, plus particulièrement dans ce dernier domaine, pour l'alimentation des moteurs de traction des véhicules terrestres, aquatiques ou 15 aériens. En résumé, la présente invention a pour but d'incorporer aux piles à combustible des dispositifs basés sur l'utilisation des pertes de charge au sein de 1'électrolyte et permet de régler directement la caractéristique d'utilisation en agissant uniquement sur le débit de 1'électrolyte. 20 La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise en oeuvre et en fera apparaître d'autres particularités. La figure 1 est une représentation schématique d'un groupe de piles à combustibles élémentaires et de leur alimentation classique en électrolyte. 25 La figure 2 représente, d'une part, la relation tension/intensité du groupe de la fig. 1 à plein débit et à des débits réduits d'électrolyte et, d'autre part, la même relation pour un moteur de traction à alimenter par ce groupe de piles pour des vitesses nulle et croissantes. La figure 3 représente schématiquement l'appareillage pour la mise 30 en oeuvre du procédé de réglage énergétique suivant l'invention. La figure 4 est un schéma de l'une des soupapes tarées de l'appareillage de la fig. 3. La figure 5 est un diagramme de l'alimentation de la pompe de l'appareillage de la fig. 3. 35 La figure 6 représente, d'une part, la relation tension/intensité 69 35480 3 2063971 du groupe de la fig. 3 à des débits croissants et réduits en électrolyte et, d'autre part, la même relation pour un moteur de traction alimenté par cc groupe pour des vitesses croissantes depuis la vitesse nulle. Une pile à combustible est constituée par un certain nombre d'êlé-5 ments de construction modulaire qui peuvent être groupés en série et en parallèle. Plusieurs de ces éléments groupés en série constituent un polyélément désigné sous l'appellation de pile élémentaire. Pour simplifier l'exposé, on ne considérera par la suite que des groupes de piles élémentaires P^, P^, ..., P^ (fig. 1) montées électriquement en série en nombre suffisant pour obtenir 10 la tension maximale U désirée. Toutes ces piles élémentaires sont traversées m par la même intensité I dont la valeur maximale est I . m Généralement, de telles piles sont alimentées en électrolyte en parallèle par une moto-pompe unique comportant une pompe 1 dont on peut faire varier le débit Q en réglant la tension u du moteur 2 qui l'entraîne (fig. 1). 15 Sur le circuit de 1'électrolyte sont disposés divers appareils pour le maintien de sa teneur en produits combustible et comburant et pour l'élimination des déchets produits par la réaction. Ces appareils n'entrant pas dans le cadre de l'invention n'ont pas été représentés par mesure de simplification. „ Les caractéristiques ou relations tension/intensité d'un tel ensem-20 ble peuvent être représentées comme indiqué sur la fig. 2» La courbe 3 est la caractéristique du groupe de ln fig. 1 à plein débit Q d'électrolyte. Cette courbe comprend une première partie AS de fonctionnement normal, le groupe fournissant sa puissance maximale pour le débit Q en B. Puis, la tension du groupe diminue rapidement dans la deuxième partie BC de cette courbe 3 jusqu'à 25 la tension critique au point C et cette tension continue à décroître ainsi que l'intensité dans la troisième partie CD de la courbe 3, partie qui doit être considérée comme interdite à l'utilisation. Les courbes 4 et 5 représentent les caractéristiques du groupe de la fig. 1 à des débits réduits Q et 0(' Q. On constate qu'elles se dédui- 30 sent assez grossièrement de la courbe 3 par une anamorphose parallèle à l'axe des intensités. Il en résulte que la tension critique Uc est sensiblement la même à débit réduit et à plein débit. C'est dans ce phénomène que réside la difficulté d'utiliser directement ce type de piles par le réglage du débit d'électrolyte pour l'alimenta-35 tion d'un dispositif ayant une caractéristique d'utilisation quasi linéairement variable, tel qu'un moteur de traction d'un véhicule terrestre, aquatique ou marin. En effet, la force contre-électrômotrice d'un moteur de traction peut 69 35480 4 2063971 être représentée par une formule telle que : -V = RI + kv en appelant R la résistance interne du moteur, v sa vitesse et k une constante. Les caractéristiques d'un tel moteur sont donc schématiquement des 5 droites parallèles 6, 7, 8, ... correspondant à des vitesses 0, v^, v^, ... (fig. 2). Il apparaît, d'après la fig. 2, que si l'on a un groupe important de piles à combustible, tel que celui de la fig. 1, la caractéristique 6 du moteur de traction à vitesse nulle ne recoupe pas les caractéristiques 3,4,5 10 du groupe de piles dans une zone utilisable, telle que la zone AB ou BC de la courbe 3. On serait donc conduit à décomposer le groupe en piles élémentaires ayant chacune une tension critique bien inférieure à Uc, piles élémentaires que l'on pourrait grouper en série. Ce groupement pourrait évidemment se faire à l'aide de contacteurs, mais alors chaque pile élémentaire devrait comporter 15 son propre appareillage d'alimentation en électrolyte, d'épuration, de refroidissement, etc. La présente invention permet d'obtenir simplement le groupement progressif en série des piles élémentaires d'un groupe de piles à combustible par le jeu de leur alimentation en électrolyte. 20 A cet effet, ainsi qu'illustré à la fig. 3, dans le groupe de piles élémentaires Pa, Pb, . „ „, Pm constituant le générateur électrique d'un véhicule, ces piles élémentaires sont électriquement montées en série et traversées, par suite, par la même intensité I. Elles sont alimentées en électrolyte par une pompe 9 entraînée par un moteur électrique 10. L'aspiration de la pompe 9 est 25 reliée aux sorties des piles tandis que son refoulement est relié en permanence à l'entrée de là première pile Pa par une canalisation 11 sur laquelle sont piquées des dérivations 12b, 12c, ..., 12m, destinées à alimenter en permanence les piles Pb, Pc, ..., Pm, à faible débit d'électrolyte par l'intermédiaire d'orifices calibrés 13b, 13c, ..., 13m qui créent une perte de charge détermi-30 née dans les dérivations correspondantes. Les piles Pb, Pc, ..., Pm sont alimentées en outre en électrolyte à l'aide d'un système de soupapes tarées 14b, 14c, ..., 14m, disposées en cascade et reliant chacune l'entrée d'une pile à celle de la pile précédente. Chaque soupape 14 (fig. 4) est constituée par un corps de soupape 35 cylindrique 15 auquel est fixée une membrane circulaire souple 16 repoussée par un ressort 17, une rondelle métallique 13 étant interposée entre la membrane 16 69 35480 5 2063971 et le ressort 17. La chambre 19 du fond de soupape est étanche et remplie d'air. Le corps de soupape 15 est relié par une tubulure 20 avec l'entrée de la pile P et par un tube 21 au corps de soupape de la pile suivante, Le tube 21 venant du corps de soupape précédent et disposé dans l'axe du corps de soupape 15 a un 5 orifice 22 de diamètre nettement inférieur à celui de ce corps de soupape 15 et normalement obturé par la membrane 16. En raison des différences de surface entre l'orifice 22 et la membrane 16, si cet orifice s'ouvre pour une pression d'électrolyte p0 il ne se referme que pour une pression d'électrolyte pj nettement plus faible que p0. Ce dispositif permet par ailleurs d'éviter le phéno-10 mène d'instabilité connu sous le nom de pompage. Le moteur 10 d'entraînement de la pompe est alimenté sous une tension u réglée comme indiqué sur la fig. 5. Cette tension est prise sur un potentiomètre 23 commandé par la manette d'accélération et alimenté par deux générateurs en série 24 et 25• Le générateur 24 est constitué par une batterie 15 fournissant une tension constante uQ, tandis que le générateur 25 est une dynamo tachymétrique fournissant une tension kv proportionnelle à la vitesse du véhicule. La tension u est donc comprise entre la valeur o et une valeur maximale : u = u„ + k v m ° tandis que le débit Q de la pompe est compris entre la valeur o et une 20 valeur proportionnelle à u^. Le fonctionnement de l'appareillage des figs. 3 à 5 est le suivant s Le nombre et la tension à vide des éléments de chaque pile élémentaire étant judicieusement choisi en fonction des caractéristiques du véhicule, au fonctionnement de la pile élémentaire Pa seule correspond une tension maxi-25 maie U^, au fonctionnement en série des piles Pa et Pb correspond une tension maximale et ainsi de suite ; l'intensité maximale fournie par 1'un quelconque des ensembles de piles en série est toujours 1^. Lorsqu'une pile élémentaire P est alimentée normalement en électrolyte par sa soupape 14, elle fournit une tension non nulle. Lorsque par contre 30 elle n'est alimentée que par l'orifice calibré 13 correspondant, elle fournit une tension sensiblement nulle, mais cet orifice calibré 13 est, en principe, déterminé de telle sorte que la résistance interne de la pile soit également négligeable. Toutefois, cet orifice pourrait être choisi pour que cette résistance interne ait une valeur déterminée s'ajoutant à la résistance interne du 35 moteur de traction en vue de faciliter le démarrage à la façon d'un rhéostat. Le débit minimum d'électrolyte fourni par l'orifice calibré 13 a également pour 69 35480 6 2063971 rôle d'éliminer les calories dues à la traversée de la pile par le courant I, 1'électrolyte étant refroidi par pilleurs par un échangeur placé sur le circuit commun et, non représenté, comme ne faisant pas partie de l'invention. Au départ, la caractéristique à plein débit q^ de la pile Pa 5 seule étant la courbe 26 (fig. 6), ses caractéristiques à débits réduits c>(i » ^2 ql ' ^3 q1 son,t représentées par les courbes 27a, 27b, 27ç. La. caractéristique 28 du moteur de traction à vitesse nulle coupe au moins une de ces courbes 27 en un point 29 pour lequel la tension u fournie par la pile 3- Pa est supérieure à la tension critique u de cette pile et l'intensité I 3C 3. 10 est suffisante pour assurer le démarrage, A partir de ce moment, la vitesse du moteur de traction devenant non nulle et croissante, la caractéristique 28 va se déplacer en 28a parallèlement à elle-même, tandis que la caractéristique 27, par suite de l'augmentation du débit avec la vitesse, se modifie par anamorphose parallèle à l'axe 15 des intensités et le point de fonctionnement se déplace en 29a. correspondant à une intensité 1^, ceci jusqu'au moment où l'on atteint le débit q^ correspondant à la caractéristique 26 pour la pile et la caractéristique 28b pour le moteur. Ces courbes se coupent en un point 30 correspondant à une intensité peu différente de L, d 20 a ce moment, la vitesse du moteur de traction continuant à croître, le débit de la pompe 9 augmente également ainsi que les pertes de charge à travers la pile Pa. La pression en amont de Pa dépasse alors le seuil qui déclenche la soupape 14 b et le débit d'électrolyte se répartit alors entre les piles Pa et Pb en série. 25 La caractéristique de l'ensemble Pa + Pb à plein débit q^ étant une courbe 31 (fig. 6), celle de cet ensemble au débit de déclenchement q^ + £; = qg est une courbe 32a dérivée de la courbe 31 par anamorphose et qui coupe la courbe 28b du moteur en un point 33. Ce point 33 peut être voisin du point 30, si le rapport des tensions à vide de Pb et Pa est convenablement 30 calculé, et correspond à une intensité peu différente de I^0 Le débit de l'ensemble Pa + Pb continue à croître et les phénomènes précédemment analysés se reproduisent, d'abord pour les caractéristiques 28£ du moteur et 32b de cet ensemble correspondant à un débit {3^ puis, pour les caractéristiques 28d du moteur et 31 de l'ensemble Pa + Pb à plein ?5 débit q^ qui se coupent au point 34 correspondant à une intensité voisine de 1^. Par la suite, la soupape 14£ se déclenche en raison de l'accroissement des pertjs de charge de l'ensemble des pompes Pa et Pb. Le débit d'électrolyte se T bad original 69 35480 7 206397 î répartit alors entre les piles Pa, Pb et Pc_ en série. La caractéristique de l'ensemble Pa + Pb + Pc à plein débit q^ étant -une courbe 35 (fig. 6), celle de cet ensemble au débit de déclenchement q^ + f? = ^ q^ est la courbe 36a^ dérivée par anamorphose de la courbe 35. 5 Cette courbe 36a coupe la courbe 28d du moteur en un point 37 qui peut être voisin du point 34, si le rapport des tensions à vide des trois piles en série est convenablement déterminé et qui correspond à une intensité peu différente de !.. d La mise en série des piles du groupe par ensembles croissants 10 successivement en nombre se poursuit en utilisant le même processus, pendant toute la période de démarrage. Le démarrage s'effectue donc à intensité sensiblement constante, voisine de 1^. Cette intensité est fonction de la vitesse de la pompe 10 (fig. 3) réglée par le rhéostat 23 (fig« 5), mais croissant toujours, quelle 15 que soit la position de ce rhéostat, avec la vitesse du véhicule, grâce à l'alimentation représentée à la figure 5. Le démarrage étant terminé, l'intensité nécessaire au fonctionnement du moteur de traction est inférieure à 1^, les points de fonctionnement aux diverses vitesses se rapprochent de l'axe des tensions. Tant que la 20 vitesse croît, le processus précédemment analysé se reproduit, assurant ainsi la mise en série des piles du groupe par ensembles croissants successivement en nombre. Si, par contre, la vitesse décroît, le débit de la pompe 10 diminue lui aussi et les piles sont successivement mises hors circuit d'électrolyte par la fermeture successive des soupapes 14. Toutefois, compte tenu des carac-25 téristiques de ces soupapes, la mise hors circuit d'une pile s'effectue pour une vitesse plus faible que sa mise en circuit, ce qui permet l'utilisation de l'ensemble dans une grande partie du plan (i. u). L'appareillage décrit peut être assisté par un frein pour obtenir l'arrêt du véhicule. Le procédé et l'appareillage qui viennent d'être décrits dans le 30 cas de l'alimentation d'un moteur de traction de véhicule sont utilisables dans tous les cas où le dispositif à alimenter par un groupe de piles à combustible possède une caractéristique d'utilisation quasi linéairement variable et nécessite, au moins pendant un certain laps de temps, une constance de l'intensité du courant qui lui est fourni, à condition que cette caractéristique 35 d'utilisation variable soit transformable en tension électrique pour assurer 1'alimentation du moteur de la moto-pompe usuelle servant à l'alimentation des piles en électrolyte. 69 35480 2063971 8 De telles caractéristiques quasi linéairement variables transformables en tension électrique appartiennent en particulier au groupe de ran-deurs physiques comprenant vitesse, accélération, pression, débit, viscosité, contrainte, température, quantité de chaleur, intensité lumineuse, quantité 5 de rayonnement, induction magnétique, etc. La dynamo tachymétrique 25 de la fig. 5 est alors remplacée par un dispositif de transformation de la caractéristique d'utilisation variable en tension électrique, tel que dispositif piézométrique, débitmètre, dispositif thermoélectrique, cellule photoélectrique, etc. 10 Le procédé et l'appareillage suivant l'invention sont applicables en particulier dans les domaines mécanique , calorifique, électrique, chimique et nucléaire. 69 35480 9 2063971 REVENDICATIONS 1 - Un procédé de réglage énergétique d'un groupe de piles à combustible alimentant un dispositif à caractéristique d'utilisation variable de façon sensiblement linéaire et nécessitant, au moins momentanément, une 5 intensité quasi constante du courant fourni par ce groupe, qui consiste à monter les piles du groupe électriquement en série, à alimenter en permanence en électrolyte la première pile et, à faible débit, les autres piles sous une perte de charge déterminée et à alimenter progressivement en parallèle ces piles en électrolyte sous un débit relativement important au fur et à mesure 10 que les pertes de charge à travers les ensembles successifs de piles ainsi obtenus atteignent des valeurs prédéterminées fonction de cette caractéristique variable. 2 - Un procédé de réglage énergétique de piles à combustible suivant la revendication 1, dans lequel l'alimentation en parallèle des piles sous 15 un débit relativement important d'électrolyte est progressivement croissante ou décroissante en vue d'obtenir un groupement progressif ou dégressif des piles du groupe. 3 - Un procédé de réglage énergétique de piles à combustible suivant la revendication 1, dans lequel l'alimentation progressive en parallèle 20 des piles en électrolyte est obtenue par variation du débit d'alimentation sous l'action de la caractéristique d'utilisation quasi linéairement variable transformable en tension électrique. 4 - Un procédé de réglage énergétique de piles à combustible suivant la revendication 3, dans lequel les caractéristiques quasi linéairement 25 variables transformables en tension électrique appartiennent au groupe de grandeurs physiques comprenant vitesse, accélération, pression, débit, viscosité, contrainte, température, quantité de chaleur, intensité lumineuse, quantité de rayonnement, induction magnétique, etc. 5 - Un appareillage permettant la mise en oeuvre du procédé suivant 30 l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une moto-pompe électrique pour l'alimentation en parallèle en électrolyte des piles du groupe montées électriquement en série, dont l'aspiration est connectée aux sorties de ces piles et dont le refoulement est relié en permanence à l'entrée de la première pile et à chacune de ces piles par un orifice calibré, des 69 35480 10 2063971 soupapes tarées normalement fermées qui relient 1*entrée de chaque pile à celle de la pile précédente et un moyen d'alimentation électrique de cette moto-pompe sous une. tension fonction de la caractéristique d'utilisation quasi linéairement variable du dispositif alimenté par ces piles. 5 6 - Un appareillage suivant la revendication 5, dans lequel chaque soupape tarée comprend un corps cylindrique auquel est fixée une membrane circulaire souple repoussée par un ressort avec interposition d'une rondelle métallique, la chambre sans ressort étant reliée à l'entrée de la pile correspondante et par tua tube au corps de soupape de la pile suivante, le tube venant 10 du corps de soupape de la pile précédente débouchant centralement sur cette membrane, qui l'obture normalement, par un orifice de diamètre inférieur à celui du corps de soupape. 7 - Un appareillage suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel le moyen d'alimentation électrique de la moto-pompe sous une 15 tension fonction de la caractéristique d'utilisation variable appartient au groupe comprenant dynamo tachymétrique, dispositif piézométrique, débitmètre, dispositif thermoélectrique, cellule photoélectrique, etc. 8 - Un appareillage suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, applicable pour l'alimentation d'un moteur de traction de véhicule 20 terrestre, aquatique et aérien, dans lequel le moyen d'alimentation électrique de la moto-pompe sous une tension fonction de la caractéristiqae d'utilisation variable comprend un potentiomètre relié au moteur de la moto-pompe, commandé par la manette d'accélération et alimenté par deux générateurs en série comportant une batterie et une dynamo tachymétrique entraînée par le véhicule.