Brevet FR2085154A1 — publié le 19711224

La présente invention a pour objet un procédé d'alimentation d'une pile à combustible en un réactif fluide, notamment en un gaz oxygéné tel que, par exemple, l'air, ainsi qu'un dispositif pour la -.lise en oeuvre de ce procédé. L'alimentation d'une pile à combustible en gaz oxygéné pose des 5 proMc-iscs en raison de l'intcrGc qui s'attache au maintien d'un débit relativement élevé de ce gaz au contact des électrodes, avec une. valeur sensiblement constante de ce débit et une température peu variable: du gaz, quelle que soit l'intensité du courant électrique débité par la pile, ceci afin de Maintenir en permanence les électrodes dans des conditions voisines de leurs conditions 10 optimales de fonctionnement éleetrochimique, indépendamment des variations de la puissance fournie. Une solution à l'ensemble de ces problèmes pourrait consister dans l'alimentation de la pile par un débit élevé, sensiblement constant et à température uniforme, de gaz oxygéné, mais ceci présenterait l'inconvénient de 15 nécessiter le traitement, notai'anent'la décarbonatation, d'une quantité d'air importante, même aux faibles débits de la pile (par exemple dans le fonctionnement à vide), alors que la quantité d'oxygène nécessaire au fonctionnement de la pile serait très réduite, d'où une consommation excessive en réactif de décarbonatation. 20 L'objet de l'invention est par suite de fournir un procédé d'alimen tation, d'une pile à combustible, qui ne présente, pas l'inconvénient de la solution indiquée ci-dessus. Cet objectif est atteint selon l'invention avec un procédé comportant la mise en circulation du réactif fluide tel qu'un gaz oxygéné suivant une 25 boucle fermée sur laquelle on interpose la pile à combustible, l'introduction dans cette boucle fermée d'un appoint de fluide frais et l'évacuation d'une fraction du fluide résultant sortant de la pile avec un asservissement des débits respectifs de l'appoint de fluide frais et de la fraction de fluide évacuée à l'intensité du courant électrique débité par la pile, 30 Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comportera une canalisation de recirculation dont les deux extrémités sont respectivement connectées à la tubulure d'alimentation de la pile en fluide, tel qu'un gaz oxygér-éj et à la tubulure de sortie de ce fluide, cette canalisa- * tion étant munie de moyens de Taise en circulation du fluide pouvant être coris-35 titués par un ventilateur dans le cas d'un gaz oxygéné et étant connectée à des moyens d'introduction d'un appoint de fluide frais dans ladite canalisation, pouvant consister en un ventilateur d'alimentation associé à un dispositif de décarbonatation lorsque le fluide considéré est l'air, lesdits moyens d'introduction du fluide frais comportant des moyens de réglage du débit de fluide 40 frais introduit, des moyens d'évacuation d'une fraction de la quantité de BAD ~'NAl7 69 35561 * 2085154 fluide sortant de la pile, munis de"moyens de réglage du débit do fluide évacué, et un système d'asservissement desdits moyens de réglsge du débit de fluide frais introduit et du débit de la fraction de fluide évacuée à l'intensité du courant électrique débité par la pile. 5 Dans ces conditions le débit de gaz oxygéné s•écoulant au contact des électrodes -de la pile peut être relativement élevé en restant sensiblement constant même pour une faible valeur du débit d'introduction dans le circuit du gaz oxygéné, tel que, par exemple l'air décarbonaté, ce débit d'introduction étant limité sensiblement aux besoins de la pile. 10 La température du gaz oxygéné recirculé est, en raison de l'écbauffe- ment se produisant dans la pile, suffisamment élevée à son entrée dans celle-ci pour qu'il en résulte une amélioration très appréciable du rendement électro-chimique de la pile par rapport à la valeur qui serait obtenue pour ce rendement si le gaz oxygéné alimentait directement la pile, à la température ambiante. 15 En outre, le degré hygrométrique du gaz oxygéné recirculé se fixe automatiquement à une valeur ne dépendant pas uniquement du taux d'humidité du gaz oxygéné introduit dans le circuit. Par ailleurs l'eau entraînée à partir de la pile par le fluide en circulation peut être récupérée au moyen d'un condenseur disposé soit sur la 20 boucle formée par la canalisation de recirculation, soit sur la canalisation " d'évacuation. Grâce à l'asservissement réalisé, la concentration d'oxygène dans le gaz alimentant la pile est indépendante du débit dè ce gaz mis en cii"culation. L'invention sera décrite ci-après plus en détail en se référant aux 25 figures annexées qui illustrent un exemple non limitatif de réalisation de l'invention. La figure 1 représente schéraatiquement l'ensemble de ce mode de réalisation. La figure 2 montre schématiquement le double asservissement réalisé. 30 L'exemple de réalisation considéré est appliqué à l'alimentation en air d'une pile à combustible indiquée schématiquement par la référence 1-. Le dispositif comporte une canalisation 3 de circulation de l'air en boucle fermée, l'air entrant dans la pile en 4 et en sortant en 5. La circulation est réalisée par la pompe 6. 35 Un appoint d'air frais, correspondant au débit d'oxygène consommé dans la pile est admis en 7 et refoulé dans la pile par la pompe 8 par l'intermédiaire de la canalisation 9 après passage dans un décarbonateur 10. Une fraction du débit d'air sortant de la pile à combustible est évacuée par la canalisation 11. 40 Un condenseur 12 permet une récupération de l'eau entraînée par l'air BAD ORIGINAL 69 35561 ' 2085154 avant l'évacuation de celui-ci à l'atmosphère. Des papillons de réglage Ja et Ça commandés par un système de double asservissement tel que celui illustré par la figure 2 règlent respectivement le débit d'air frais introduit dans le circuit et le débit de gaz sortant de la pile, évacué par la canalisation 11. La cc.TCnande du degré d'ouverture des papillons j>a et 9a en fonction de l'intensité du courant débité par la pile peut être réalisée, comme illustré par les figures 1 et 2, en prélevant la tension électrique aux bornes de la pile par l'intermédiaire des conducteurs 13 et 14 connectés à une première paire de bornes d'entrée d'un comparateur 21 cette tension étant sensiblement proportionnelle à l'intensité du courant débité par la pile dans le circuit de charge 2. On réalise l'équilibrage de cette tension par un montage potentiomé-trique comportant par exemple, comme représenté schématiquement à la figure 2, une alimentation à tension constante E dont les bornes sont respectivement réunies par les conducteurs 15 et 16, à celles du potentiomètre 17. L'une des bornes de ce potentiomètre et le curseur 18 sont connectés par les conducteurs 19 et 20 respectivement à une seconde paire de bornes d'entrée du comparateur 21. Si une différence apparaît entre les deux tensions électriques appli quées au comparateur 21, un signal d'écart est produit par ce comparateur, sous la forme d'une tension électrique apparaissant entre les conducteurs 22 et 23 et dont la polarité est fonction du signe de la différence des deux tensions appliquées au comparateur 21. Les conducteurs 22 et 25 sont connectés à un relais adapté à commander l'alimentation électrique d'un petit moteur d'asservissement M, à partir de la source de courant e, par l'un ou l'autre des conducteurs 25 et 26, correspondant respectivement aux deux sens de rotation du moteur M, suivant la polarité du signal de sortie du comparateur 21. Lorsque ce signal est nul l'alimentation électrique du moteur est interrompue. Le curseur 18 du potentiomètre est entraîné en rotation par le moteur M et se déplace ainsi en fonction de la puissance délivrée par la pile 1. L'arbre 27 du moteur commande la rotation simultanée des papillons 3a et 9a par l'intermédiaire de la roue dentée 28 et de ]a vis-tangente 29» prolongée par les tiges 30 et 31 s'articulant à leurs extrémités sur des leviers 32 et 33 de commande des papillons 3a et 9a> qui réalise bien-l'asser vissement de la position angulaire des papillons à l'intensité du courant électrique fourni par la pile. Un dispositif, par exemple constitué en réalisant la tige 30 en deux parties séparées pouvant être réunies par vissage aux extrémités d'un man chon 34 fileté intérieurement, permet éventuellement d'ajuster le déphasage 69 35561 2085154 entre les positions angulaires des papillons 3a et 9a, par simple rotation du manchon au moyen d'une clé appropriée. 11 sera bien entendu possible, sans sortir du cadre de l'invention, de corriger la valeur de la tension électrique appliquée au comparateur 21, 5 par tout montage électronique approprié, pour tenir compte du fait que la tension prélevée aux bornes de la pile n'est pas rigoureusement proportionnelle à l'intensité du courant électrique débité par la pile. On pourra également effectuer la commande par la tension qui est créée aux bornes d'un shunt disposé en série sur la pile. Dans ce cas, la 10 tension de commande est rigoureusement proportionnelle à l'intensité du courant débité par la pile. Les développements qui vont suivre ont pour but d'illustrer des exemples de mise en oeuvre.de l'invention, sans aucunement limiter celle-ci. On désigne .par q^ le débit de l'appoint d'air frais entrant en 7 15 dans le circuit, par q^ le débit de gaz évacué .par la, canalisation 11, par q^ le débit de gaz consommé dans la pile, par q^ et q^ les débits respectifs de gaz entrant et sortant de la pile, ces débits étant exprimés en volume par unité de temps et l'on désigne par C^, C^, et C,. les concentrations volumiques respectives en oxygène du gaz aux points correspondants du circuit 20 (on a Cj = 0,2 et = 1) puisque le gaz entrant en 7 est de l'air et le gaz consommé dans la pile de l'oxygène. On désigne par ailleurs par q^ le débit dans le circuit juste avant le point d'admission de l'appoint de gaz frais,, après le point d'évacuation d'une partie du gaz sortant de la pile (débit q^). 25 On a les relations de débit : ql = q3 + q2 q5 = % + q6 q4 = ql + q6 q4 = q3 + q5 Les débits q^ et q^ étant réglés simultanément de façon à varier dans le même sens par la tringlerie de commande des papillons 3a et 9a, on voit que si la consommation q^ d'oxygène dans la pile est faible, les débits q^ et q^ seront également faibles (taux de recyclage élevé) alors que le taux de recyclage de la pile sera faible si la consommation de la pile est élevée. On a également les relations de quantité d'oxygène : ql C1 = q3 C3 + q2 C2 q4 C4 = ql C1 + q6 C2 69 35561 2085154 On en déduit " ... ql C1 ~ q3 C3 °'2 ~ I3 12 " °'8 ql q = Q _ _ _ 5 2 q2 q2 q2 La concentration en oxygène dans le circuit en aval de la pile ne dépend donc que des débits d'entrée et de- sortie et du débit d'oxygène consom-5 mé, elle ne dépend pas du débit du recyclage. Si l'on désire par exemple que la concentration soit constante, la formule ci-dessus montre que ce résultat est atteint en maintenant constant qi le rapport des débits : q2 1 - ql = k q2 k = ~Ô78 10 c'est ce qui est réalisé selon l'invention. On a par ailleurs : q6 c2 + qx c1 4" ^4 la teneur en oxygène dans la boucle à l'entrée de la pile est donc fonction du débit de gaz recyclé. 1-5 Dans l'exemple de réalisation décrit ci-dessus et illustré par les figures, on a supposé que l'évacuation d'une fraction de la quantité de fluide sortant de la pile était effectuée en amont du point d'introduction de l'appoint de gaz frais. Une telle disposition semble la plus avantageuse mais ne doit cependant pas être considérée comme absolument limitative, cette évacua-20 tion d'une fraction du débit de gaz s'écoulant dans la canalisation de recirculation pouvant également être effectuée en aval du point d'introduction de l'appoint de gaz frais. On indique ci-dessous ce que deviennent les relations de débit et de quantité d'oxygène dans un tel cas, en désignant toujours par q^ le débit 25 de l'appoint d'air frais, par q^ le débit de gaz évacué, par q^ le débit de gaz consommé, par q^ et q^ les débits respectifs entrant et sortant de la pile. On désigne par Cp CC^, et C,. les concentrations volumiques en oxygène aux points correspondants du circuit, représentant ainsi la concentration volumique en oxygène du gaz sortant de la pile 30 Qn a les relations de débits : qi = q2 + q3 q4 = q3 + q5 69 35561 6 2085154 et les relations de quantités d'oxygène ql C1 = q3 C3 + q2 C4 q4 °4 = q3 S +q5 S • soit r - ql C1 ~ q3 C3 .. 0,2 ql " q3 4 . q2 q2 La concentration en oxygène dans le circuit en amont: de la pile: ne dépend donc que des débits d'entrée et de sortie et du débit d'oxygène consommé ; elle ne dépend pas du débit de recyclage. On a par ailleurs : q4 C4 q3 C3 10 Cc = -±— —- 5 q4 q3 La teneur en oxygène dans la boucle à la sortie de la pile est donc fonction du débit de gaz recyclé. 69 35561 7 2085154 REVENDICATIONS 1 - Procédé d'alimentation d'une pile à combustible en réactif fluide, notamment en gaz oxygéné, caractérisé en ce qu'il comporte la mise en circulation de ce fluide suivant une boucle fermée sur laquelle on inter-5 pose la pile, l'introduction dans cette boucle fermée d'un appoint de fluide frais l'évacuation d'une fraction du fluide résultant sortant de la pile et l'asservissement du débit de l'appoint de fluide frais à l'intensité du courant électrique débité par la pile, conjugué avec l'asservissement du débit de fluide évacué au débit de l'appoint de 10 fluide frais introduit. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évacuation de ; fluide est effectuée en amont du point d'introduction de l'appoint de gaz frais. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évacuation de 15 fluide est effectuée en aval du point d'introduction de l'appoint de gaz frais. 4 - Dispositif d'alimentation d'une pile à combustible en réactif fluide notamment en gaz oxygéné, caractérisé en ce qu'il comporte une canalisation de recirculation dont les deux extrémités sont respectivement connectées 20 à la tubulure d'alimentation de la pile en fluide et à la tubulure de sor tie de ce fluide, cette canalisation étant munie de moyens de mise en circulation du fluide et étant connectée à des moyens d'introduction d'un appoint de fluide frais dans ladite canalisation, lesdits moyens d'introduction de fluide comportant des moyens de réglage du débit de fluide introduit, des 25 moyens d'évacuation d'une fraction de la quantité de fluide sortant de la pile, munis de moyens de réglage du débit de fluide évacué et un système d'asservissement desdits moyens de réglage du débit de fluide frais introduit à l'intensité du courant électrique débité par la pile, en combinaison avec des moyens d'asservissement du débit de fluide évacué au débit du 30 fluide frais introduit. 5 - Dispositif selon la revendication2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage du débit de fluide frais introduit et des moyens de réglage du débit de fluide évacué, lesdits moyens de réglage étant reliés par des organes de commande simultanée à des moyens d'asservissement de 35 leur position à la valeur de la différence de potentiel aux bornes de la pile à combustible. 6 - Dispositif selon la revendication2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage du débit de fluide frais introduit et des moyens de 69 35561 8 2085154 réglage du débit* de fluide évacué, lesdits moyens de réglage étant reliés par des organes de commande simultanée à des moyens d'asservissement de leur position à la valeur de la différence de potentiel aux bornes d'un shunt disposé en série sur le circuit d'utilisation de la pile.