Brevet FR2198271A1 — publié le 19740329

L'invention concerne l'alimentation et la commande d'un générateur électrochimique consommant un fluide réactif. On connaît de nombreux types de générateurs électrochimiques qui produisent de l'électricité tout en consommant au moins un fluide réactif. Ce sont par exemple, les piles à combustible, les accumulateurs air-métal, les piles primaires à électrodes à air. Le fluide réactif peut être un gaz tel que 1 oxygène, l'air ou lthydrogene. Il peut aussi être un liquide tel que le méthanol ou une suspension de poudre de zinc dans une solution de potasse. On munit souvent les générateurs électrochimiques d'un moyen de commande de l'énergie produite, par exemple lorsque l'on désire stabiliser la tension de sortie ou lorsque l'on veut commander la puissance instantanée, notamment dans le cas où il s'agit de commander la vitesse d'un véhicule propulsé à l'aide de l'é- nergie fournie par le générateur électrochimique. On connaît des moyens de commande électroniques, qui agissent sur le circuit électrique de sortie du généra- teur électrochimique. Mais ils sont coûteux et encombrants. On connaît aussi des moyens de commande agissant sur le débit du fluide réactif qui circule au contact des électrodes. Mais ces moyens présentent des inconvénients liés à la nécessité de répartir uniformément le fluide réactif sur la surface des électrodes sur lesquelles ce fluide est consommé. En pratique, dans le cas où le fluide réactif est un gaz, les moyens de commande agissant sur le débit de ce gaz sont souvent, soit inutilisables, soit incompatibles avec une variation suffisamment large des puissances de sortie du générateur, soit encore excessivement couteaux. Plus précisément, dans le cas fréquent où le générateur électrochimique comporte un grand nombre d'électrodes à gaz, il est pratiquement très difficile de maintenir une répartition correcte du débit entre ces électrodes si ce débit doit pouvoir varier dans de larges proportions.De manière ana logue, une bonne répartition du débit sur les diverses parties d'une meme elec- trode n'est obtenue qu'au voisinage du débit nominal. Un remède connu aux difficultés de répartition d'un débit variable est cons titué par l'utilisation de profils aérodynamiques. Mais ces profils sont pratiquement très coûteux et de toutes manières, lorsque le débit est rendu très faible, sa répartition est grandement perturbée par la présence habituelle de défauts aléatoires des électrodes à gaz. De tels défauts peuvent être constitués par exemple par la présence de gouttes d'eau ou de dépôts, etc... La présente invention permet de remédier aux inconvénients qui viennent d'être indiqués. Le dispositif d'alimentation et de commande d'un générateur électrochimique selon l'invention, est caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour faire un mélange d'entrée en mélangeant le fluide réactif avec un fluide inerte, en proportions commandables, et des moyens pour fournir ce mélange d'entrée à ce générateur. Bien entendu, dans le cas où le générateur électrochimique consommerait deux fluides réactifs distincts, tels qu'un comburant et un carburant, la commande du générateur électrochimique pourrait être faite en agissant, selon les cas particuliers, sur l'un ou sur l'autre de ces fluides réactifs. L'avantage essentiel du dispositif selon l'invention tient au fait que le débit de fluide au voisinage des électrodes peut varier dans des proportions faibles ou même être constant tandis que le débit de fluide réactif seul varie dans de larges proportions. Il en résulte, si le fluide réactif et le fluide inerte sont de nature suffisamment voisine au point de vue physique, et si le mélange est homogène, que la répartition de fluide réactif sur les électrodes sera rendue pratiquement indépendante du débit de ce fluide réactif. A l'aide de la figure unique schématique ci-jointe, on va décrire ci-après, à titre illustratif et nullement limitatif, un mode de réalisation de la présente invention. Cette figure représente une pile à combustible 1 consommant de l'hydrogène, fourni sous pression constante à partir d'un réservoir 2, et de l'oxygène fourni à partir de l'atmosphère à travers un dispositif d'alimentation et de commande 4 selon l'invention. La pile à combustible 1 comporte trois éléments de réaction 10, 20 et 30, de constitutions identiques et divisés chacun en un compartiment à hydrogène tel que 11, un compartiment à électrolyte tel que 12, et un compartiment à air tel que 13. Les compartiments à hydrogène tels que 11 communiquent avec le réservoir d'hydrogène 2. Les compartiments à électrolyte tels que 12 contiennent une solution de potasse 8. Des moyens pour faire circuler cette potasse et pour la décarbonater ne sont pas représentés, car ils sont sans rapport avec la présente invention. Les compartiments à air tels que 13 comportent chacun une entrée telle que 14 et une sortie telle que 15.Les entrées d'air telles que 14, des éléments tels que 10, 20 et 30 communiquent avec une entrée 44 de la pile à combustible 1 par un distributeur d'entrée 46, et les sorties d'air telles que 15 des éléments tels que 10, 20 et 30, communiquent avec une sortie 45 de la pile à combustible 1 par un distributeur de sortie 47. L'entrée 44 de la pile à combustible et sa sortie 45 sont destinées respectivement à recevoir un mélange gazeux contenant de l'oxygène et de l'azote, et à permettre la sortie d'un mélange gazeux résultant du mélange précédent par consommation d'au moins une partie de son oxygène. Le distributeur 46 est ajusté en association avec le distributeur 47, selon des règles connues de l'homme de l'art, pour répartir également le débit de ces mélanges gazeux entre les divers éléments tels que 10, 20 et 30.L'égalité de cette répartition n'est obtenue avec précision qu'au voisinage d'un débit nominal du mélange gazeux que le distributeur 47 fournit à la sortie 45. Les compartiments à électrolyte tels que 12 sont séparés des compartiments à hydrogène tels que Il par une électrode à hydrogène telle que 16, et des compartiments à air tels que 13, par une électrode à air telle que 17. L'électrolyte à hydrogène 16 comporte un collecteur négatif 18 qui peut être constitué par exemple de nickel fritté. Les électrodes à air telles que 17 comportent un collecteur positif tel que 19, qui peut être également constitué de nickel fritté. Chacune de ces électrodes comporte en outre, du côté des compartiments à électrolyte tels que 12, une couche catalytique constituée de charbon actif additionné d'un catalyseur, et du côté des compartiments à hydrogène tels que 11, ou à air tels que 13, une couche hydrofuge qui peut être constituée par exemple de polytétrafluoréthylène fritté. Le collecteur positif tel que 19 de chacun des éléments de réaction tels que 10 et 20, est connecté électriquement par un conducteur tel que 48 au collecteur négatif de l'élément suivant tel que 20 et 30. Cependant, le collecteur positif de l'élément 30 est connecté à la borne de sortie positive 49 de la pile à conbustible, tandis que le collecteur négatif 18 de l'élément 10 est connecté à la borne négative 50 de cette pile, de manière à réaliser une connexion électrique en série des divers éléments tels que 10, 20 et 30. Des piles à combustible telles que celles qui viennent d'être décrites sont bien connues des spécialistes. Le dispositif d'alimentation et de commande 4 comporte une canalisation d'entrée 62 connectée à l'entrée 44 de la piles combustible 1, et une canalisation de sortie 64 connectée à la sortie 45 de la pile à combustible 1. Des moyens de circulation sont constitués par une pompe 66, qui aspire le mélange gazeux apparaissant à la sortie 45 de la pile à combustible 1. Cette pompe 66 est choisie pour avoir un débit sensiblement constant et égal au débit nominal précédemment mentionné. Les canalisations d'entrée 62 et de sortie 64 sont con nectées l'une à l'autre par un robinet 66, de manière à former avec la pile à combustible 1 un circuit d'alimentation fermé sur luimême à travers lequel la pompe 66 fait circuler le fluide dans le sens allant à l'intérieur de la pile 1, de l'entrée 44 à la sortie 45. La canalisation d'entrée 62 est munie d'un orifice d'admission 68 communiquant avec l'atmosphère à travers un filtre à air 70 dont le rôle est d'éliminer, non seulement les poussières de l'air mais encore son gaz carbonique, au moins partiellement, et son anhydride sulfureux. La canalisation de sortie 64 comporte un orifice d'échappement 72 communiquant avec l'atmosphère par l'intermédiaire d'un silencieux 74. Dans le circuit d'alimentation formé par les cana listions d'entrée 62 et de sortie 64 et par les compartiments à air tels que 13, les seules zones d'échange gazeux sont les orifices d'admission 68 et d'échappement 72 et les électrodes à air telles que 17. Ces dernières électrodes ne consommant que de l'oxygène, il en résulte que le débit d'azote entrant par l'ori- fice d'admission 68 est nécessairement égal au débit d'azote sortant par l'ori- fice d'échappement 72, le débit d'oxygène entrant par l'orifice 68 étant supé rieur au débit d'oxygène sortant par l'orifice d'échappement 72 en raison de la consommation d'oxygène au niveau des électrodes à air telles que 17. La composition du mélange gazeux pénétrant par l'orifice d'admission 68 est déterminée par celle de l'air atmosphérique, c'est-à-dire que les proportions de fluide réactif constitué par de l'oxygène et de fluide inerte constitué par de l'azote, sont prédéterminées.Au contraire, la composition du mélange gazeux s'échappant par l'orifice d'échappement 72 peut être comprise entre celle de l'air atmosphérique et celle de l'azote pratiquement pur, selon les conditions de fonctionnement de la pile à combustible 1. Le robinet 66 constitue des moyens d'échange commandables pour faire pénétrer dans la canalisation d'entrée 62, par l'orifice d'admission 68 un débit fluide d'admission commandable, et pour faire sortir, de la canalisation de sortie 64 par l'orifice d'échappement 72 un débit fluide d'échappement commandable, correspondant au débit d'admission par le fait que les parties de ces deux débits constitués par du fluide inerte, c'est-à-dire par de l'azote, sont égales, comme il vient d'être expliqué. Il résulte de cette égalité, qui est indépendante de la position du robinet 66 sur le circuit d'#alimentation 66 et du réglage de ce robinet, qu'il suffit de commander l'un des deux débits d'admission ou d'échappement seulement, pour commander la pile à combustible 1.Il serait donc possible de placer les moyens d'échange commandables, que constitue, dans l'exemple décrit, le robinet 66 en tout point tel qu'il permette la commande, soit du débit d'admission soit du débit d'échappement. Ces moyens d'échange pourraient par exemple être constitués par un robinet placé à l'entrée du filtre à air 70. Les orifices d'admission 68 et d'échappement 72 sont disposés de manière que, dans la partie intermédiaire du circuit d'alimentation c'est-à-dire dans sa partie comprise entre ces deux orifices, et ne comportant pas la pile à combustible 1, le mélange gazeux circule dans le sens allant de l'orifice d'échappement 72 vers l'orifice d'admission 68. Cette disposition est évidemment nécessaire pour éviter que le débit d'échap- pement ne soit enrichi en fluide réactif, c'est-à-dire en oxygène, par le débit d'admission avant utilisation au moins partielle du gaz réactif contenu dans le débit d'admission. il est également bien clair que les moyens d'échange peuvent être constitués autrement que par robinet, par exemple par une pompe. Si l'on utilise un robinet, à travers lequel le sens du débit fluide n'est déterminé que par les pressions existant de part et d'autre, il faut évidemment veiller à ce que les pressions régnant de part et d'autre des orifices d'admission et d'échappement soient telles qu'un débit fluide pénètre au niveau de l'orifice d'admission et qu'un autre débit fluide s'échappe au niveau dudit orifice d'échappement, et non l'inverse. Il a été trouvé avantageux, conformément à ltinvention, de constituer au moins partiellement les moyens d'échange par un robinet apte à faire varier simultanément en sens contraire, une première et une deuxième aires, cette première aire étant celle d'une section de passage dudit circuit d'alimentation dans ladite partie intermédiaire, la deuxième aire étant celle d'une section de passage de l'un desdits orifices d'admission et d'échappement. Le robinet 66 décrit à titre d'exemple fait varier simultanément et en sens contraire l'aire de l'orifice d'échappement 72, et celle du circuit d'alimentation dans sa partie intermédiaire. Ces deux variations se font en sens contraire, ce qui permet d'obtenir, dans le circuit d'alimentation un débit sensiblement constant, car la pompe 66 a à vaincre une perte de charge sensiblement constante.En effet, si la perte de charge au niveau du robinet 66 s'accroît en ce qui concerne le débit d'échappement, elle diminue en ce qui concerne le débit de l'orifice d'admission 44. Ce résultat est obtenu grâce à l'utilisation d'un robinet 66 à double effet, dont l'entrée est connectée à la sortie de la pompe 66 et dont une première sortie est connectée à l'orifice d'échappement 72 tandis que sa seconde sortie est con nectée à la canalisation d'entrée 62. On sait qu'un robinet à double effet permet de diminuer la section de passage du circuit allant de son entrée à une première sortie lorsque l'on augmente la section de passage allant de l'entrée à la seconde sortie. Le robinet 66 est de préférence muni de moyens de commande tels qu'un moteur 76.La pompe 66 doit évidemment être disposée en dehors de la partie intermédiaire du circuit d'alimentation, car sans cela, elle provoquerait une inversion des sens souhaitables des débits d'admission et d'échappement. Lorsque l'on alimente et commande des piles a combustible telles que la pile 1 avec un dispositif tel que le dispositif décrit ici, la pression partielle d'oxygène dans le circuit d'alimentation peut être, lors du fonctionnement de la pile à pleine puissance, de l'ordre de 70 millibars. Le robinet 66 est alors réglé de manière à ce que la majeure partie du débit en provenance de la pompe 66 s'échappe par l'orifice d'échappement 72, c'est-à-dire que le débit pénétrant dans la pile par l'entrée 44 provient essentiellement de l'air atmosphérique aspire au niveau de l'orifice d'admission 68 sous l'action aspirante de la pompe 66. Lorsque la pile 1 fonctionne à puissance réduite, la pression partielle d'oxygène peut être de quelques millibars seulement.Le robinet 66 est alors réglé de façon à ce que le débit d'échappement soit très faible, ctest-à-dire que le débit pénétrant dans la pile par l'entrée 44 provient essentiellement du débit sortant de cette pile par la sortie 45, et renvoyé sur cette entrée 44 par la pompe 66. Dans l'exemple qui vient d'être décrit, les compartiments à air tels que 13 sont en très légère dépression par rapport à l'atmosphère. Il est cependant bien évident que ces compartiments pourraient être en surpression par rapport à l'atmosphère à condition que l'on dispose la pompe 66 non pas du côté de la sortie 45, mais du coté de l'entrée 44. De manière plus générale, il est bien entendu que l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donne qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Procédé d'alimentation et de commande d'un générateur électrochimique consommant un fluide réactif, procédé selon lequel on fournit à ce générateur un débit commandable de ce fluide réactif, caractérisé en ce que l'on fait un mélange d'entrée en mélangeant ledit fluide réactif avec un fluide inerte en proportion commandable et on fournit ce mélange d'entrée à ce générateur. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on recueille le fluide de sortie fourni par ledit générateur et résultant de la consommation au moins partielle du fluide réactif contenu dans ledit mélange, et l'on fait ledit mélange d entrez en mélangeant en proportion commandable ledit fluide de sortie avec un mélange de régénération constitué par ledit fluide réactif et ledit fluide inerte en proportion non commandable. 3/ Dispositif d'alimentation et de commande d'un générateur électrochimique pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, ce générateur consommant un fluide réactif, dispositif comportant des moyens pour fournir à ce générateur un débit commandable dudit fluide réactif, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour faire un mélange d'entrée en mélangeant ledit fluide réactif avec un fluide inerte, en proportion commandable, et des moyens pour fournir ce mélange d'entrée à ce générateur. 4/ Dispositif selon la revendication 3, ledit générateur étant muni d'une entrée pour recevoir ledit fluide réactif et d'une sortie, dispositif comportant - des canalisations d'entrée et de sortie aptes à être connectées à ladite entrée et à ladite sortie respectivement, - des moyens de circulation pour faire circuler un fluide dans lesdites canalisations et ledit générateur dans le sens allant à l'intérieur de ce générateur de ladite entrée vers ladite sortie, - un orifice d'admission Situé sur ladite canalisation d'entrée pour permettre l'admission, dans cette canalisation, d'un mélange fluide contenant ledit fluide réactif, - un orifice d'échappement situé sur ladite canalisation de sortie pour permettre à du fluide de sortir de cette canalisation, - des moyens d'échange commandables pour faire pénétrer dans ladite canalisation d'entrée par ledit orifice d'admission un débit fluide d'admission commandable et pour faire sortir de ladite canalisation de sortie par ledit orifice d'échappement un débit fluide d'échappement commandable correspondant audit débit d'admission, dispositif caractérisé en ce que - lesdites canalisations d'entrée et de sortie sont connectées l'une à l'autre de manière à former, avec ledit générateur électrochimique, un circuit d'alimentation fermé sur lui-même et comportant lesdits orifices d'admission et d'échap- pement, - lesdits moyens de circulation étant aptes à faire circuler un fluide dudit ori fice d'échappement vers ledit orifice d'admission dans la partie intermédiaire dudit-circuit d'alimentation délimitée par ces orifices d'admission et d'échappe- ment et ne comportant pas ledit générateur. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'échange comportent - un robinet apte à faire varier simultanément en sens contraire une première et une deuxième aires, cette première aire étant celle d'une section de passage dudit circuit d'alimentation dans ladite partie intermédiaire, cette deuxième aire étant celle d'une section de passage de l'un desdits orifices d'admission et d'échappement, - lesdits moyens de circulation étant constitués par une pompe située dans ledit circuit en dehors de ladite partie intermédiaire. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits orifices d'admission et d'échappement font communiquer ledit circuit avec l'atmosphère extérieure. 7/ Générateur électrochimique muni d'un dispositif d'alimentation et de commande selon l'une des revendications 3, 4, 5 et 6, correspondantes et commandables du débit du gaz circulant dans ledit circuit, - ledit sens de circulation allant dudit orifice d'admissinaudit orifice d'é- chappement en passant par ladite électrode à gaz.