Brevet FR2535117A1 — publié le 19840427

Circuit de protection de cellule à combustible ". La présente invention concerne un circuit de pro- tection de cellule à combustible et notamment un circuit de protection pour commander un groupe de cellules à combustible branchées en parallèle et en particulier pour protéger les cellules à combustible au cours d'opérations de démarrage, d'arrêt et pour les phases transitoires. Les cellules ou piles à combustible donnent du courant continu avec des caractéristiques de tension et d'intensité qui peuvent varier selon un grand nombre de facteurs tels que le combustible (pression, quantité ettype) de l'oxydant (pression et quantité) de l'âge de la cellule à combustible, de la température de la cellule à combus- tible etc Lorsque plusieurs cellules à combustible sont branchées en parallèle sur une ligne de courant continu, une certaine cellule à combustible peut être endommagée si elle subit des tensions transitoires extrêmes Les dispositifs de connexion doivent être dimensionnés pour couper le courant correspondant à un court-circuit perma- nent Dans les conditions accidentelles, les courants très élevés peuvent se produire pendant quelques millise- condes Il faut donc un moyen pour protéger chaque cellule contre un accident au cours de tels phénomènes transi- toires. En outre, il peut être nécessaire de faire l'entre- tien d'une cellule sans couper la ligne d'alimentation de tension continue Il faut donc un moyen permettant de débrancher et de rebrancher chaque cellule à combustible sans agir sur la ligne générale de tension continue Le courant continu et les ondes de tension n'ont pas de point de passage à zéro, naturel comme les courbes de courant alternatif et cela complique leur coupure Lors- que les contacts d'un commutateur de courant continu s'ou- vrent, on éteint l'arc qui se forme et le courant qui passeen procédant de trois manières: ( 1) en augmentant la longueur de l'arc et en le refroi- dissant, ( 2) en envoyant des impulsions antagonistes (injection d'une impulsion de courant de polarité opposée à travers les contacts) pour créer un état de zéro momentané, ( 3) en coupant le passage du courant en un autre point du circuit. Les commutateurs à coupure mécanique commandés manuellement ou par des moteurs permettent facilement d'effectuer la fermeture et les fonctions de traitement de puissance nécessaires mais ils sont lents et ne peuvent être dimensionnés pour les conditions d'interruption de charge de courant continu, particulières. Les disjoncteurs de circuits alternatifs sont par- fois utilisés pour une alimentation de tension continue. Dans ce cas, il faut effectuer des essais particuliers pour déterminer les possibilités de traitement de la ten- sion continue dans l'application particulière Certaines données sont disponibles pour les petits disjoncteurs de circuit mais il n'en existe aucune pour des puissances importantes. Un disjoncteur de tension continue monopolaires pour une intensité de 4000 Ampères sous une tension de 3000 volts en continu est fabriqué en Europe par AEG Telefunken, mais de tels calibrages sont plus élevés que nécessaire et les calibrages de tension sont plus faibles. Il faudrait des circuits de déclenchement et de commande particuliers, si bien que de tels disjoncteurs connus ne constituent pas la solution idéale. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un circuit de pro- tection de cellule à combustible comportant un détecteur de tension et un générateur de signal pour détecter la tension de sortie de la cellule à combustible et générer un signal correspondant, une charge de protection et un moyen de branchement d'une charge recevant le signal pour brancher la charge de protection sur la cellule à combus- tible lorsque la tension de sortie de la cellule atteint un niveau prédéterminé, de façon à limiter toute excur- sion en surtension de la cellule de combustible en créant un chemin de courant pour la sortie de la cellule à com- bustible. La présente invention concerne également un circuit de protection d'un système à cellule à combustible avec un détecteur de tension et un générateur de signal pour détecter la tension de sortie de la cellule à combustible et générer un signal correspondant, une charge de protec- tion et un moyen de branchement d'une charge recevant le signal pour brancher la charge de protection sur la cellule à combustible lorsque la tension de sortie de la cellule à combustible atteint un niveau prédéterminé, de façon à limiter l'excursion en surtension de la cellule à combustible en créant un chemin de courant pour la sortie de la cellule à combustible. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma-bloc d'un poste de - puissance à cellule à combustible, classique. la figure 2 représente les courbes caractéristi- ques tension/intensité d'une cellule à combustible classi- que. la figure 3 est un schéma d'un système de cellule à combustible. Selon la figure 1, schématiquement un poste d'alimen- tation à cellules à combustible 20, caractéristique, com- porte des modules de cellule à combustible 22 branchés en parallèle sur une ligne de tension continue 24 La ligne 24 est reliée à un convertisseur courant continu/ courant alternatif qui peut être un inverseur 26 comme cela est connu L'inverseur 26 est lui-même relié à un transformateur 28 qui fournit le courant alternatif à un ensemble de câbles 30 triphasés, de haute tension. Un module 22 de cellule à combustible, distinct peut de façon caractéristique fournir en sortie 350 ampè- res sous une tension continue de 1100 volts Comme repré- senté à la figure 1, il y a deux ensembles 32, 34 de dix modules à cellule à combustible 22, un coté étant relié à la masse commune 36 pour chaque ensemble 32, 34 Cela donne une tension continue de 2200 volts pour l'inverseur 26 avec une capacité correspondant à une intensité de 3500 ampères. La figure 2 montre un ensemble de courbes caracté- ristiques tension (E) /intensité (I) pour une cellule à combustible caractéristique Chacune des courbes A, 0, C, D et E représente la relation tension/intensité pour une combinaison particulière de caractéristiques de combusti- ble et d'oxydant La forme caractéristique de chacune des courbes peut varier suivant que le combustible et l'oxy- dant sont fournis à la cellule à combustible sous des pressions, des températures et des quantités différentes en général, la courbe monte de la droite vers la gauche à partir d'un point d'ordonnée zéro. Il est intéressant de remarquer les points particu- liers suivants: Aucune des tensions de charge n'est élevée, de façon caractéristique de 60 à 70 pourcent de plus que la 2535117. tension de fonctionnement normale. L'intensité de sortie atteint une limite de façon caractéristique 60-80 pourcent de plus que le courant de fonctionnement normal. Lorsque le débit de gaz (air et combustible) est réduit et que la quantité de gaz laissée dans une cellule diminue, la tension et l'intensité diminue- ront. * Une diminution du rapport combustible/air a le même effet que la diminution des deux portionnellement. Lorsque la température et la pression dans la cellule diminuent, le signal de sortie fourni par la cellule diminue. La figure 2 montre la plage de fonctionnement F dans laquelle la cellule à combustible est légèrement chargée et sa tension de sortie est relativement élevée. Le fonctionnement soutenu dans de telles conditions en- dommage la cellule à combustible et doit pour cela être évité. Dans des conditions transitoires telles qu'un court- circuit sur la sortie, des courants très élevés ( 15 à 20 fois ceux correspondant à la charge maximale) peuvent se produire pendant quelques millisecondes. Selon la figure 3, on voit qu'un module de cellule 22 est branché entre une ligne de tension continue 24 et la masse 36 De même, il y a une diode de blocage 38 et un commutateur de coupure 40 branchés en série avec le module 22 de la cellule à combustible sur la ligne de ten- sion continue 24 ainsi qu'un thyristor 42 et une charge résistive 44 en série, l'ensemble étant en parallèle sur le module à cellule à combustible 22 Le thyristor 42 est commandé par un moyen 46 détectant la tension et générant un signal comme cela est bien connu Ce moyen 46 détectant la tension et générant un signal peut également donner un signal au moyen de coupure 48 de la cellule à combus- 2535117. tible pour interrompre l'alimentation en combustible ou en oxydant ou les deux pour le module 22 de la cellule à combustible. Pour un module de cellule à combustible 22 dont les caractéristiques sont de 350 ampères pour 1100 V de ten- sion continue, les composants représentés à la figure 3 sont choisis de façon caractéristique comme suit: 1) diode 38: 700 ampères sous une tension continue de 2000 volts; 2) thyristor 42: 70 ampères sous une tension continue de 2000 volts; 3) disjoncteur 40: 350 ampères en continu; tension d'attente 2000 volts en continu; 4) Charge résistive 44: 16 ohms ou environ 1,0 kilowatt de charge pour un temps de coupure de cellule de 10 minutes à partir de l'arrêt d'alimentation en combus- tible. Le fonctionnement est le suivant: si la tension du module 22 de la cellule à combustible est inférieure à celle entre la ligne de tension continue 24 et la masse 36, la diode de blocage 38 évite que le module 22 de la cellule à combustible ne soit soumis au passage d'un courant inverse Comme il n'y a pas de passage de courant, le commutateur de coupure 40 peut être ouvert ou fermé sans qu'il ne se produise un arc Cela permet de mettre chaque module de cellule de combustible 22 en place ou de le mettre hors service sans couper la ligne d'alimen- tation 24 en tension continue Cet état de basse tension peut se réaliser intentionnellement en réduisant le débit de combustible et/ou l'oxydant alimentant le module 22 de la cellule à combustible ou encore accidentellement dans le cas d'un incident dans le module 22 lui-même, ce qui peut se traduire par un état de basse tension. Si la tension du module 22 de la cellule à combusti- ble dépassait les limites acceptables, par exemple en cas 2535117. disparition de la charge, le module 22 de la cellule à combustible donne une tension de sortie qui tend à aug- menter à la valeur correspondant à l'ouverture du circuit pour le point particulier (voir figure 2) Cela diminue l'intensité, crée une haute tension et ne peut être évitée que par la coupure des gaz combustibles et de l'oxydant vers le module 22; le combustible qui se trouve déjà dans le module 22 doit être utilisé ou être évacué instan- tanément de manière différente En variante, on peut uti- liser un commutateur électronique à grande vitesse tel qu'un thyristor 42 pour brancher une charge résistive 44 sur le module pour créer une charge suffisante pour main- tenir la tension à un niveau bas, acceptable jusqu'à ce que le combustible soit éliminé du module 22 A la figure 3, cette tension est détectée par le-moyen 46 qui détecte la tension et génère un signal commandant le thyristor-42 pour le rendre conducteur Cela permet au module 22 de générer du courant et de revenir sur la courbe (figure 2) au point de fonctionnement en sécurité En même temps, le moyen de coupure 48 de la cellule à combustible qui peut être constitué par des vannes commandées par des bobines reioit un signal du module 46 détectant la ten- sion et générant un signal, pour arrêter le débit de com- Lustible et d'oxydant alimentant le module 22 et mettant au repos ce module 22. 31 G Il Sng WOJ V 3 lnl 13 J VI 30 3 Undn OJ 30 N 3 AOW IVNDIS Nn 1 NVU 3 N 39 13 NOISN 31 VI INV 133130 N 3 ÀOW dn 3 l VWUOJSNVUI 8 N 35 U 3 ANI 9 i, T sz 9 z c zz 319 iisnswoi V 3 inl 13 D V 3 incow 3 Un 5 l A3 DN 383338 3 GN 3931 : 53 un Di A Xn V 533 SIlIin sinûm WON 533 N 3833 U 1 i L k SúSZ R E V E N D I C A T I O N S ) Circuit de protection de cellule à combustible caractérisé en ce qu'il comporte un moyen ( 46) détectant la tension et générant un signal pour détecter la tension de sortie et une cellule à combustible ( 22) et générer un signal correspondant, une charge de protection ( 44) et un moyen de branchement ( 42) de la charge de protec- tion ( 44) pour brancher cette charge de protection ( 44) sur la cellule à combustible ( 22) lorsque la tension de sortie de la cellule à combustible atteint un niveau prédéterminé, de façon à limiter toute excursion en sur- tension de la cellule à combustible en créant un chemin de courant pour la sortie de la cellule à combustible. ) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de connexion ( 42) est un thyristor déclenché par un signal. ) Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit comporte un moyen de coupure ( 48) de la cellule à combustible ( 22) lorsque la tension de sortie de la cellule à combustible ( 22) atteint un niveau prédéterminé. ) Système à cellules à combustible caractérisé en ce qu'il comporte une cellule à combustion ( 22), un moyen ( 46) détectant la tension et générant un signal pour détecter la tension de sortie de la cellule à com- bustible et générer un signal correspondant, une charge de protection ( 44), un moyen de branchement de charge ( 42) recevant le signal pour brancher la charge de protection ( 42) sur la cellule à combustible ( 22) lorsque la tension de sortie atteint un niveau prédéterminé de façon à limi- ter toute excursion de surtension de la cellule à combus- tible en créant un chemin de courant pour la sortie de la cellule à combustible ( 22), un moyen de coupure ( 48) de la cellule à combustible répondant à ce signal pour couper le fonctionnement de la cellule à combustible ( 22) 2535117 - lorsque la tension de sortie atteint un niveau prédéter- miné, une ligne reliée à la sortie de la cellule à combus- tible et un moyen ( 38) évitant le passage d'un courant inverse dans la cellule à combustible ( 22) lorsque la tension de la ligne ( 24) dépasse la tension de sortie de la cellule à combustible ( 22). ) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de branchement de charge ( 42) est un thyristor déclenché par un signal. 60) Système selon l'une quelconque des revendica- tions 4 ou 5, caractérisé en ce que le moyen ( 38) évitant le passage du courant inverse est une diode.