Brevet FR2349221A1 — publié le 19771118

L'invention concerne les accessoires utilisés dans les piles à combustibles pour assurer un fonctionnement continu de la cellule électrolytique, c'est-a-dire la pompe qui établit la circulation et la mise sous pression de l1électrolyte,de la potasse par exem ple; les circulateurs de gaz, notamment d'air et d'hydrogène lors que la pile est alimentée avec ces deux gaz, les dispositifs des tinés å la récupération des fuites d'électrolyte issues de la cel lule électrolytique et à leur réinjection dans la circulation prin cipale, la fuite calibrée d'hydrogène prévue pour évacuer les im puretés présentées dans ce dernier. Pour faciliter l'exposé du fonctionnement des accessoires, objets de l'invention et des avantages présentés par leur utilisa tion, on considérera par la suite exemple d'une pile a combustible hydrogène-air, en combinaison avecde#potasse comme électro lyte. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée au cadre de cet exemple et qu'elle pourra être utilisée dans toutes piles à combustible dont le fonctionnement fait intervenir des gaz pour son alimentation et un électrolyte liquide. Dans un type de pile connu utilisant les fluides précédemment désignés, lthydrogène et l'air sont mis séparement en circulation continue pour que les électrodes en combinaison avec chacun des gaz soient balayées pendant le fonctionnement de la pile par un flux gazeux continu, destiné a faciliter les réactions électro chimiques. Dans les piles connues, chaque circulation stopère en boucle et est entretenue par une pompe électrique appelée généralement circulateur de boucle; ces pompes sont constituées par une turbine centrifuge ou périphérique entraînée à grande vitesse par un moteur électrique.Ces circulateurs présentent des inconvenients dûs à la grande vitesse de rotation et aux faibles jeux imposéspotzr le fonctionnement, entre la turbine ou la roue et le corps de pompe. La grande vitesse de rotation induit des couples gyroscopiques importants, de nature à user rapidement les paliers, elle nécessite des moteurs coûteux et le fonctionnement est bruyant, les faibles jeux provoquent des blocages de la turbine soude la roue lorsque la vapeur d'eau comprise dans lesgaz se condense et gèle, immobilisant ainsi la partie tournanteavec)e#ps de pompe.Pour compléter la description des circuits gazeux, 1' hydrogène nécessaire å l'alLnentation est injecté sous pression constante dans la boucle dt:hydrogène et l'air est introduit dans son circuit en amont de la cellule électrolytique,p;r l'aspiration du circulateur, l'air appauvri en oxygène est rejeté dans l'atmos phère en sortie de cellule par un ajutage placé sur la boucle. Afin de conférer une proportionnalité entre les flux gazeux pour balayer les électrodes et l'intensité du courant débité par la pile, la vitesse de chaque moteur de circulateur est asservie à l'intensité par un ensemble complexe qui fait intervenir un débitmètre et une électronique de commande. Ces ensembles coûteux sont nécessités par l'absence de caractéristique volumétrique des circulateurs qui impose la mesure du débit pour commander chaque moteur. Pour éliminer les impuretés contenues dans la boucle d'hydrogène, cette dernière comporte une fuite d'évacuation dont le débit est proportionnel à celui de la consommation afin d'éviter la mesure de cette consommation pour régler automatiquement le débit de fuite, on utilise un asservisse ment qui proportionne la fuite ou l'intensite du courant débité par la pile, ce courant étant lui-même une fonction de la consommation d'hydrogène. Un mode de réalisation connu de cet asservissement utilise une électrovanne fonctionnant par impulsions interposée entre la boucle et l'évacuation.La durée et la fréquence d'ouverture de la vanne sont déterminées par une électronique qui établit la corrélation entre le courant de la pile et la séquence d'ouverture de l'électrovanne, nécessaire pour obtenir le débit de fuite recherché. Ce moyen utilisé pour obtenir l'évacua tion d'hydrogène est coûteux car il met en jeu une électrovanne qui doit être très fiable par son facteur de marche élevé et une électronique élaborée, en outre, il présente l'inconvénient de n assurer la proportionnalité entre la fuite et l'alimentation d'hydrogène que pour une pression donnée. Dans les piles connues, la potasse est mise en circulation en boucle par une pompe électrique qui établit une pression constante dans la cellule électrolytique et provoque un débit dans un refroi disseur destiné à l'évacuation dans l'atmosphère de l'énergie caloportée par la potasse après son passage dans le bloc électro chimique, afin de refroidir ce dernier.Les piles colportent géné- ralement une seconde pompe pour aspirer les fuites de potasse issues du bloc électrochimique et recueillies å la base de ce der nier- dans des réservoirs différents situés, l'un sur la sortie d'hydrogène, l'autre sur la sortie d'air, pour chaque cellule électrochimique.Des détecteurs de niveaux mettent en route la pompe lorsque le niveau de potasse les atteint et arrête la pompe quand les réservoirs sont vides, cette potasse est réinjectée dans le circuit principal. Un second procédé connu pour vider les réservoirs consiste à utiliser la pompe à potasse qui assure la circulation générale d'electrolyte et à lui conférer un pouvoir d' aspiration suffisant pour que la vidange des réservoirs soit effectuée par elle-nême, dans ce cas, une électrovanne est interposée entre chaque réservoir et la pompe, elle est commandée par le détecteur de niveau du réservoir attenant. L'invention concerne:une pompe à anneau liquide destinée à remplacer la pompe de potasse qui assure la circulation dtélectrolyte, l'ensemble des dispositifs prévus pour réinjecter les fuites de potasse dans le circuit principal, un circulateur. Le second circulateur est réalisé par une autre pompe à anneau liquide. L'ensemble de ces pompes peut être entraîné par un seul moteur. En outre, l'invention prévoit une fuite dthydrogbne par un régulateur de débit piloté par le courant de la pile. Dans l'invention, les circulations gazeusessontproduitespar des pompes å anneau liquide dont les anneaux sont constitués par 1' électrolyte de la pile, la potasse dans l'exemple considére;la caractéristique volumétrique propre à ce type de pompe permet de pro#portionner le débit gazeux à l'intensité du courant débité par la pile en asservissant directement la vitesse de rotation du moteur d'entrainement,au courant de la pile. L'invention élimine ainsi l'utilisation du débitmètre nécessaire pour établir cette fonction dans les systèmes connus mentionnés précédemment. Dans l'invention, les fuites d'électrolytes issues d'une partie de la cellule électrochimique sont aspirées par la pompe avec le gaz qui circule dans cette partie. Le mélange gaz-liquide parvient dans les cavités de volume variable de la pompe et, selon le processus de fonctionnement de cette dernière, est entrainé en rotation. Cette rotation conduit à une acc#lération centrifuge impor- tante qui projette la partie liquide du mélange vers la périphérie donc vers l'anneau liquide, on voit ainsi que la pompe assure la séparation entre l'électrolyte et le gaz qui est ensuite réin jecté vers la cellule électrochimique. Les fuites, séparées du gaz, dans la pompe augaentent le volume de l'anneau liquide, pour que ce volume reste constant, l'invention prévoit sur une des flaques de la pompe, un orifice d'évacuation relié au réservoir de stockage de l'électrolyte. Dès que la surface libre de l'anneau liquide dépasse le niveau de cet orifice, la pression qui règne dans l'anneau provoque l'évacuation du liquide dont le niveau diminue jusqu'à ce que la surface libre affleure l'orifice. Afin d'éviter que le gaz emprunte la canalisation d'évacuation vers le réservoir de stockage-de l'électrolyte, cette canalisation comporte un siphon alimenté par l'électrolyte qui le traverse, prévu pour que la pression propre i la hauteur manométrique soit supérieure à celle de refoulement du gaz par la pompe. Dans l'invention, la circulation de l'électrolyte qui s'effectue sous pression dans les parties électrochimiques et le refroidisseur, est réalisée par une des deux pompes à anneau liquide utili sée pour les circulations des gaz. Cette pompe comporte deux orifices qui débouchent dans l'anneau liquide a des distances radiales différentes, la distance radiale étant déterminée par rapport à l'axe de rotation de la roue de la pompe. Pendant le fonctionnement, la différence de pression entre ces deux orifices provoque la circulation recherchée, la circulation d'électrolyte s'opérant ainsi en passant par l'anneau liquide. Dans l'invention, les deux pompes à anneau liquide peuvent être entraînées par un seul moteur, le dimensionnement des pompes confurent les caractéristiques recherchées pour l'ensemble de la pile et l'asservissement du moteur à I1 intensité du courant débité par la pile réalise la proportionnalité entre les débits gazeux et l'activité électrochimique. Pour obtenir un faible couple de démarrage, les pompes sont disposées de manière que leur axe de rotation soit vertical. Les differents orifices empruntes par les canalisations de liquide et de gaz sont pratiqués dans le flasque situé dans la partie haute de la pompe. Dans cette position, le liquide qui constitue l'anneau liquide repose dans la partie basse de la pompe.A la mise en marche, le liquide est entraîné en rotation puis sous l'effet de la force centrifuge se répartit sur la périphérie de la pompe pour arriver à la constitution de l'anneau. Il y a formation progressive de l'anneau liqui de et l'énergie nécessaire au démarrage est réduite par rapport à une solution à axe horizontal. Cette disposition est particules rement intéressante lorque le démarrage s'effectue à froid, alors que l'électrolyte est visqueux, elle permet l'utilisation de moteur à faible couple de démarrage.Une disposition technologique propre à l'invention consiste à faire tourillonner la ou les portées de l'axe de la roue de la pompe dans un ou plusieurs paliers lubrifiés sous pression par l'électrolyte, en utilisant la pression présente sur la périphérie du corps de pompe, pour réaliser cette lubrification, le liquide est amené au niveau des surfaces frottantes par des canaux radiaux. On voit que conformément à l'invention, l'utilisation de pompes à anneau liquide permet de réaliser les circulations de gaz et d'électrolyte, de pomper et renvoyer au réservoir de stockage les fuites d'électrolyte, les deux pompes réalisant les fonctions précé- dentes peuvent être entraînées par un seul moteur à faible couple de démarrage. Le fonctionnement des deux pompes s'effectuant dans la potasse rendant impossible la présence d'eau donc par conséquent le gel et le blocage de la pompe. Dans l'invention, le débit de la fuite d'hydrogène destinée à î'é- limination des impuretés, est déterminé par un régulateur de débit piloté par le courant de la pile. Ce dispositif est constitué d'un régulateur à membrane dont la force généralement créée par un ressort qui fixe la valeur du débit régulé, est modifiée par l'action d'un électro aimant dont la bobine est parcourue par le courant d6- livré par la pile ou par une partie de ce courant. On rappelle pour préciser la description du-dispositif objet de l'invention, la constitution d'un régulateur à membrane : ce type d'appareil comporte un clapet destiné à réguler le débit gazeux, commandé par le déplacement d'une membrane soumise aux actions de la pression différentielle qui apparait aux extrémités d'un diaphragme ou d'un capillaire traversé par le courant gazeux.Le débit nominal établi par le régulateur est obtenu en tarant la force d'un ressort dit de tarage qui s'oppose à la pression différentielle. Ce type de régulateur qui délivre un débit régulier de gaz lorsqu'il est alimenté par une pression variable est avantageusement utilisé par l'invention car il évite par cette caractéristique qui lui est propre, la modification du débit de fuite lorsque la pression varie dans le circuit d'hydrogbne. Pour conférer au régulateur une fonction reliant le débit régulé à l'intensité du courant débité par la pile, l'invention utilise un électro aimant dont la bobine est traversée par tout le courant de la pile ou une partie de ce courant, dans ce dernier cas le courant principal emprunte un shunt et la bobine est placé en dérivation aux bornes de ce shunt.Le noyau de électro aimant soumis a l'attraction magnétique, est lié mécaniquement à la membrane de manière que la force créée par l'électro aimant s'oppose à celle exercée par le ressort de tarage afin d' obtenir des variations du débit de la fuite proportionnelles a celles du courant fourni par la pile.Pour corriger la dérive en température du régulateur dûe à la variation de viscosité de l'hydrogène qui crée une non linéarité entre la pression différentielle et le débit qui traverse le diaphragme ou le capillaire, l'invention prévoit l'adjonction d'un élément électrique dont les caractéristiques dépendent de la température, en série ou en parallèle avec la bobine de l'électro aimant, cet élément peut être une résistance présentant une valeur variable avec la tempé- rature par exemple. Le schéma de la figure 1 planche 1 illustre les dispositions propres à l'invention, il représente une pile air-hydrogène munie des accessoires prévus par l'invention,dans l'exemple l'électro lyte est de la potasse. Sur ce dessin, la cellule électrolytique est schématisée par 1, la pompe a anneau liquide faisant circuler l'air par 2, la pompe a anneau liquide faisant circuler l'hydrogène et la potasse par 3; le réservoir de potasse par 4, le re- frigérant destiné à refroidir la potasse par 5, le régulateur de débit réalisant la fuite d'hydrogène par 6.Conformément å l'invention, la pompe 2 aspire les fuites issues de la partie de la cellule électrochimique dans laquelle s'effectue la circulation d'air, le circuit d'air est représenté par les canalisations sché matisées par deux traits continus parallèles, l'entrée et la sortie d'air sont identifiées par les flèches qui indiquent les circulations. La représentation sche-matique des pompes a anneau liqui de montre, par un cercleen trait plein, la périphérie de l'anneau liquide et par un cercle en trait interrompu la surface libre de l'anneau liquide. On voit que sur la pompe 2, l'entrée et la sortie d'air sont situées entre la surface libre et le centre de 1' anneau , les fuites de potasse sont évacuées par l'orifice 7, situé au niveau de la surface libre de l'anneau0 Sur le schima, le circuit de potasse est représenté par un trait simple continu. Les fuites évacuées par 2 empruntent un siphon 8 avant de parvenir dans la canalisation 9 de retour au réservoir de stockage 4. La pompe 3 assure la circulation d'hydrogène dont l'alimentation est effectuée en 10, l'aspiration et l'évacuation des fuites de potasse issues de la partie électrochimique en contact avec 1' hydrogène, la circulation générale de potasse. Les deux premières fonctions ctest-å-dire la circulation de gaz et l'évacuation des fuites d'électrolyte s'effectuent de la même manière que dans la pompe 2 dont elle possède les mêmes caractéristiques pour réaliser ces fonctions. La circulation de potasse est obtenue, conformément à l'invention par les deux orifices 11 et 12 qui débouchent dans l'anneau liquide à des distances radiales différentes.La pression résultante entre ces deux orifices génère la circulation qui emprunte dans l'exemple après 12 la cellule électrochimique 1 puis le refroidisseur Savant de parvenir au réservoir 4 dans lequel la potasse est pompée au travers de 11. Dans l'exemple, la fuite d'hydrogène est réalisée par le régula- teur 6, piloté par le courant dérivé dans la bobine 13, à l1exté- rieur du shunt 14, interposé sur le circuit électrique de la pile, ici sur le schéma, le shunt est placé en série avec la borne positive. La figure 2 planche 2 représente un exemple non limitatif de l'invention, de réalisation d'un régulateur piloté par un courant électrique qui assure la régulation de la fuite et un débit proportion nel au courant qui le traverse. Le régulateur de fuite comprend la membrane souple 1 sur laquelle s'appliquent les forces de pression dûtes à la présence du capillaire 2 sur le trajet du gaz. La membrane est solidarisée à un noyau 3 en métal à haute perméabilité magnétique et non rémanent par un sertissage 4 réunissant le plateau 5 et la rondelle 6 entre lesquels la membrane est serrée. Le plateau est destiné à éviter une déformation de la partie centrale de la membrane sous l'effet de la pression.L'extrémité du noyau opposée à celle qui est liée à la membrane est centrée dans le ressort 7, plat, en forme de diaphragme dont la périphérie est immo- bilisée sur le corps 8 du régulateur par le chapeau 9. La bobine 10 coaxiale au noyau est maintenue par la pièce en matière plastique Il, fixée sur le corps comme le ressort, 12 représente les connec-~ tions électriques avec cette bobine. La membrane est immobilisée sur le corps 8 par le fond 13 sur lequel sont fixés le capillaire 2 et l'ensemble clapet déterminé avec le corps 14 sur lequel stefw fectue l'arrivée d'hydrogène par la canalisation 15. Dans l'exemple le clapet est constitué par une bille 16 rappelée par un ressort conique vers le siège du corps 14. Le clapet est en contact avec l'extrémité du noyau liée à la membrane. Dans l'exemple, la fuite s'effectue à l'atmosphère en sortie de capillaire, une face de la membrane est mise à la pression atmosphérique par l'orifice 17. REVENDICATIONS 1- Perfectionnements apportés aux piles à combustible caractérisés par le fait que l'ensemble des circulations de gaz et d'électrolyte est réalisé par des pompes à anneau liquide et que la fuite du gaz combustible est obtenue par un régulateur de débit à membrane piloté par le courant de la pile. 2- Dispositif selon la' revendication 1 caractérisé par le fait que les anneaux liquides sont constitués par l'électrolyte de la pile. 3- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que chaque pompe à anneau liquide aspire continuellement lten- semble des fuites d'électrolyte et du gaz issu de la partie du bloc électrochimique concernée par le fonctionnement de la pompe. 4- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que les fuites d'electrolyte sont utilisées pour maintenir ltexistence de l'anneau liquide. 5- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que la pompe à anneau liquide assure la séparation entre lte- lectrolyte et le gaz aspiré. 6- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que la pompe comporte sur une de ses flasques un orifice d'é- vacuation de l1électrolyte provenant des fuites et qui détermine la position de la surface libre de l'anneau liquide. 7- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que la canalisation d'évacuation de l'électrolyte provenant des fuites comporte un siphon alimenté par l'électrolyte qui le traverse. 8- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la circulation de l'électrolyte sous pression est effectuée par la différence de pression entre deux orifices qui débouchent dans l'anneau liquide a des distances radiales différentes. 9- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les deux pompes sont entraînées par un seul moteur. 10- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les-pompes ont leur axe vertical. 11- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la lubrification de la pompe est effectuée sous pression par l'électrolyte. 12- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le régulateur réalisant la fuite du gaz combustible comporte un électro aimant. 13- Dispositif selon la revendication 12 caractérisé par le fait que le noyau de électro aimant est lié à la membrane. 14- Dispositif selon la revendication 12 caractérisé par le fait que la bobine de l'électro aimant est traversée par le courant produit par la pile ou une partie de ce courant. 15- Dispositif selon la revendication 12 caractérisé par le fait qu'un élément électrique de caractéristiques dépendantes de la température est mis en série ou en parallèle avec la bobine de l'électro aimant.