Brevet FR2782845A1 — publié le 20000303

i L'invention concerne un système de pile à combustible, du type comprenant une pile à combustible comportant une pluralité de cellules constituées chacune d'une anode, d'une cathode et d'un électrolyte solide disposé entre celles-ci, un dispositif d'alimentation en réactif tel qu'en hydrogène et oxygène ou air et des dispositifs auxiliaires,notamment ceux nécessaires pour le fonctionnement de la pile, tels qu'un ventilateur, une pompe à eau ou un compresseur, qui peuvent avoir des tensions nominales et des puissances différentes. Des systèmes à pile à combustible de ce type sont déjà connus et la figure 1 représente un tel système. Cette figure montre en 1 la pile à combustible et, associés à celle-ci, les dispositifs auxiliaires qui sont nécessaires pour son fonctionnement. La pile 1 comporte, juxtaposée entre les plaques terminales 2 et 3 une pluralité de cellules 4 séparées les unes des autres par des plaques bipolaires 5. L'empilement des cellules 4 est alimenté en réactifs de la manière indiquée schématiquement en 6 et 7 par des lignes fléchées. A la pile à combustible 1 configurée de cette façon connu en soi, sont associés comme dispositifs auxiliaires essentiellement un régulateur 9 du débit d'hydrogène H2, un compresseur 10 d'air, un humidificateur 11 pourvu d'un réservoir d'eau 12, qui reçoit l'hydrogène et l'air sous pression du régulateur 9 et du compresseur 10, une pompe à eau 13 associée au réservoir 12, un ventilateur 14 associé à un échangeur de chaleur 15 et un condensateur d'eau 16. La pile à combustible est destinée à alimenter en énergie électrique un moteur électrique 17 par l'intermédiaire d'un convertisseur 19 et sert également à recharger une batterie 18. Or, les dispositifs auxiliaires tels que le compresseur 10, la pompe à eau 13 et le ventilateur 14 doivent être alimentés en énergie électrique qui doit leur être fournie sous une tension spécifique à chaque appareil, par exemple de 12 V pour le ventilateur et la pompe à eau et de 48 V pour le compresseur, ce qui nécessite la transformation de l'énergie électrique fournie par la pile au travers d'un ou de plusieurs convertisseurs indiqués en 20. Le système connu, représenté sur la figure 1 présente donc l'inconvénient d'impliquer l'utilisation de convertisseurs qui provoquent des pertes et affectent donc le rendement global du système. La présente invention a pour but de proposer un système qui pallie l'inconvénient du système connu. Pour atteindre ce but, le système à pile à combustible selon l'invention est caractérisé en ce que chaque dispositif auxiliaire est branché directement sur une tranche de cellules comportant un nombre de cellules déterminé par la tension nominale du dispositif auxiliaire, et l'alimentation en réactifs de la pile est établie de façon que les cellules de cette tranche puissent fournir, en plus du courant nominal de la pile, le courant d'alimentation du dispositif auxiliaire. Selon une caractéristique de l'invention, le système comporte des moyens de mesure du courant ou de la puissance et de la tension de chaque dispositif auxiliaire et de la pile et des moyens de calcul pour établir la commande des vannes de débit des réactifs de la pile selon les demandes de puissance instantanées de celle-ci et des dispositifs auxiliaires. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un système à pile à combustible selon l'état de la technique; et - la figure 2 est une représentation schématique d'un système à pile à combustible selon la présente invention. La représentation du système de pile à combustible selon l'invention, sur la figure 2, est limitée aux éléments qui sont nécessaires pour la compréhension de l'invention, mais utilise les mêmes numéros de référence pour des éléments et dispositifs figurant déjà sur la figure 1. Ainsi la pile porte la référence 1, le moteur à alimenter en énergie électrique est indiqué en 17 et les dispositifs auxiliaires à alimenter en énergie tels que le compresseur, la pompe à eau et le ventilateur sont désignés respectivement par les références 10, 13 et 14. Les traits à l'intérieur du bloc 1 désignant la pile représentent chacun deux cellules du type indiqué en 4 sur la figure 1. Conformément à l'invention, chaque dispositif auxiliaire 10, 13 et 14 est branché directement sur une tranche de plusieurs cellules. Ainsi le compresseur 10 est branché aux bornes d'une tranche 22 de a cellules, la pompe à eau sur les bornes d'une tranche 23 de b cellules et le ventilateur sur les bornes d'une tranche 24 de c cellules. A titre d'exemple, la pile 1 comporte 200 cellules de surface active de 250 cm2 possédant des performances de 0,5 A/cm2 à 0,7 volt. La tension totale de la pile sera de 0,7 x 200 = 140 V et le courant aura une valeur de 250 x 0,5 = 125 A. En supposant que le ventilateur 10 ait une tension nominale de 48 V et une puissance de 2000 W, la pompe à eau 13 une tension de 12 V et une puissance de 200 W et le ventilateur 14 une tension de 12 V et une puissance de W, la branche 16 de cellules d'alimentation du compresseur nécessiterait un nombre a = 69 cellules, la branche 17 de la pompe à eau 13 b = 17 cellules, et la branche 18 de ventilateur un nombre de c = 17 cellules. En effet, par exemple pour le ventilateur et la pompe à eau, il faut un montage en série de 17 cellules ayant chacune une tension nominale de 0,7 v pour produire la tension requise de 12 V. Le compresseur 10, la pompe à eau 13 et le ventilateur 14 doivent recevoir des courants respectivement de 42 A; 7 A et 4,2 A. Les tranches de cellules 22, 23 et 24 doivent fournir ces courants supplémentairement au courant nominal de 125 A de la pile. Par conséquent les cellules des différentes tranches doivent pouvoir répondre à des demandes de puissance différentes. Pour atteindre ce but, le débit des réactifs sera calculé en conséquence et ajusté en prenant en compte toutes les sollicitations en termes de courant et de nombres de cellules alimentés pour les différents dispositifs auxiliaires. Ainsi, on mesurera par exemple le courant et la tension de chaque dispositif auxiliaire et de la pile ou directement leur puissance, comme cela est schématiquement indiqué en 26, et asservira à ces valeurs les vannes de débit des réactifs en entrée de pile, par exemple en 27 pour l'hydrogène et en 28 pour l'oxygène ou l'air, à l'aide d'un dispositif de calcul et de commande 30, afin de s'assurer de l'approvisionnement en carburant et combustible de la pile quelle que soit la demande de puissance instantanée de la pile et des dispositifs auxiliaires. Par conséquent, l'invention permet de supprimer les convertisseurs des systèmes connus du type de la figure 1 et d'utiliser directement des dérivations de puissance par tranche de cellules sur la pile à combustible conformément à la figure 2. Le système selon l'invention permet l'alimentation de n'importe quel auxiliaire à sa tension nominale dans la mesure o cette tension est inférieure à celle de la pile. Rien n'interdit d'envisager que des mêmes cellules puissent être utilisées pour fournir de la puissance à plusieurs dispositifs auxiliaires à la fois dans la mesure o les performances de toutes les cellules sont plus ou moins équilibrées. L'invention procure donc de nombreux avantages dont une augmentation du rendement global du système, une réduction de son poids et de son volume, une réduction de la complexité électronique et une augmentation de la5 densité de puissance du système. REVENDICATIONS 1. Système de pile à combustible, du type comprenant une pile à combustible comportant une pluralité de cellules montées en série, un dispositif d'alimentation en réactif des cellules tel qu'en hydrogène et oxygène ou air et des dispositifs auxiliaires, qui peuvent avoir des tensions nominales et des puissances différentes, caractérisé en ce que chaque dispositif auxiliaire (10, 13, 14) est branché directement sur une tranche de cellules (22, 23, 24) comportant un nombre de cellules en série, déterminé par la tension nominale du dispositif auxiliaire, et l'alimentation en réactif de la pile (1) est établi de façon que les cellules de cette tranche puissent fournir, en plus du courant nominal de la pile, le courant d'alimentation du dispositif auxiliaire. 2. Système de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (26) de mesure des courants ou des puissances et des tensions de chaque dispositif auxiliaire (10, 13, 14) et de la pile (1) et des moyens de calcul (30) pour établir la commande des vannes de débit (27,28) des réactifs de la pile (1) selon les demandes de puissance instantanées de celle-ci et des dispositifs auxiliaires.