Brevet FR2806837A1 — publié le 20010928

Système à pile à combustible L'invention concerne un système à pile à combustible, comportant une unité à pile à combustible et une installation pour humidifier les gaz de processus afin de fournir un combustible à l'unité à pile à combustible. Pour empêcher le séchage de la membrane d'électrode, il est nécessaire pour les piles à combustible, en particulier pour celles qui sont équipées de membranes à électrolyte à conductibilité des protons (cellules PEM), d'humidifier les gaz de processus, tel que par exemple l'air ou le gaz de combustion. On utilise pour assurer l'humidification entre autres l'eau de production qui se dégage dans la pile à combustible, eau qui usuellement est extraite des gaz d'échappement de la pile à combustible, au moyen d'un séparateur d'eau. Un tel système à pile à combustible est connu, par exemple, par le EP 0 629 014 B1. - En particulier pour les systèmes à pile à combustible équipés de membranes à électrolyte conduisant les protons, des exigences élevées sont imposées à la régulation de la gestion de l'eau.20 L'invention a comme but d'indiquer un système à pile à combustible dans lequel l'alimentation en eau de processus aux basses températures est améliorée. Ce problème est résolu pour un système à pile à combustible, par le fait que des conduites à fluide véhiculant de l'eau, appartenant à l'unité à pile à combustible, sont prévues au moins partiellement sous forme de conduites à fluide chauffables. Selon l'invention, on fournit un système à pile à combustible dans lequel, en aval d'une unité à pile à combustible, sont prévues des conduites à fiuide, qui sont au moins partiellement chauffables. L'avantage est que l'eau de processus, que l'on a dans les conduites à fluide, peut être maintenue liquide indépendamment des conditions ambiantes et qu'on évite le risque d'obturation des conduites à fluide et/ou des soupapes et pompes disposées dans les conduites à fluide, par le gel de l'eau. D'autres avantages et modes de réalisation ressortent de la description et sont caractérisés par le fait que - les conduites à fluide présentent un élément de conduite chauffable électriquement, - les conduites à fluide chauffables sont prévues en aval de l'unité à pile à combustible, - une conduite à fluide chauffable est disposée entre un séparateur d'eau, prévu pour assurer la séparation de l'eau depuis les gaz d'échappement des cathodes, et un point de dosage, prévu pour amener des fluides dans l'air des cathodes, - l'unité à pile à combustible présente une conduite de drainage, pour l'évacuation de l'eau hors de l'unité à pile à combustible. L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'aide d'un dessin, dans lequel: la figure 1 est une illustration schématique d'un agencement préféré, prévu en aval d'un séparateur d'eau, dans un système à pile à combustible selon l'invention, la figure 2 est une autre représentation schématique d'un agencement préféré en aval d'un séparateur d'eau, et la figure 3 est un autre agencement préféré d'une pile à combustible munie d'un dispositif d'élimination de l'eau. L'invention convient en particulier pour des systèmes à pile à combustible montés dans des installations mobiles. Un problème particulier rencontré avec de telles installations réside dans le fait que, pour les températures ambiantes inférieures au point de congélation, il y a un risque que l'eau existant dans le système gèle et bouche des conduites, ainsi que bloque des soupapes et des pompes. L'installation ne peut alors pas être mise en fonctionnement et il y a un risque que des composants soient endommagés par la glace produite. Selon l'invention, on prévoit dans le système à pile à combustible des conduites à fluide qui sont chauffables. De manière particulièrement préférée, au moins en aval d'une pile à combustible, sont prévues des conduites à fluide qui transportent de l'eau de processus liquide, et qui sont au moins partiellement chauffables. On a représenté sur la figure 1 un premier mode de réalisation préféré de l'invention. Un séparateur d'eau 2 est disposé dans le chemin d'écoulement 1, venant des gaz d'échappement des cathodes, d'une unité à pile à combustible non représentée. Au moins une partie de l'eau contenue dans les gaz d'échappement des cathodes est extraite dans le séparateur d'eau. L'eau dé processus est amenée par une conduite à fluide 3 à un dispositif d'humidification de l'air de processus. L'air de processus est amené en passant par un filtre à air 5, par une conduite 6, à l'aide d'un compresseur 7, au côté cathode d'une unité à pile à combustible non représentée. L'eau de processus, extraite des gaz d'échappement de cathode, est ajoutée de façon mélangée à l'air de processus dans la conduite 6. La totalité de la conduite à fluide 3 peut également être constituée par le tronçon de conduite 4 chauffable. De préférence, le tronçon de conduite 4 est chauffable électriquement. Il est avantageux que la conduite à fluide chauffable ou le tronçon de conduite 4 chauffable soit disposé entre un séparateur d'eau, devant séparer l'eau en l'extrayant des gaz d'échappement de cathodes, et un point de dosage pour l'amenée de fluides dans l'air de cathode. Il est avantageux d'alimenter le tronçon de conduite 4 chauffable en puissance électrique, depuis une batterie située côté véhicule, par exemple une batterie à 12 V, ou bien d'utiliser une puissance électrique issue de l'unité à pile à combustible. Dans le tronçon de conduite 4 chauffable, peut être disposée une soupape de régulation ou une pompe qui est prévue pour régler la quantité d'eau amenée à l'air de processus. On a représenté sur la figure 2 un autre mode de réalisation préféré de l'invention. L'agencement correspond notablement à celui de la figure 1; des éléments identiques sont caractérisés par les mêmes caractères de référence. Dans l'exemple de réalisation représenté, est prévu un processus d'humidification conduit dans un compresseur à deux étages. L'air de processus arrive par un filtre à air 5 dans une conduite 6 et est comprimé dans un premier compresseur 8 et retransporté à un deuxième turbocompresseur 9. L'eau de processus est introduite dans la conduite 6 par l'intermédiaire de la conduite à fluide 3 ou l'élément de conduite 4 chauffé, entre les deux compresseurs 8, 9. Au point de dosage auquel l'eau de processus a été introduite dans la conduite d'air de processus 6 est usuellement prévue une fine buse devant introduire l'eau de processus. L'élément de conduite 4 chauffé veille avantageusement à ce qu'aucun chauffage propre ne soit nécessaire pour cette buse. L'eau de processus empêche tout gel de l'eau sur la buse. Ceci vaut également pour d'éventuelles soupapes et/ou pompes devant régler la quantité d'eau de processus, qui sont disposées dans la conduite à fluide 3. Sur la figure 3 est représenté un autre agencement préféré. Une unité à pile à combustible 10 présente une plaque d'extrémité 11 sur laquelle une première conduite d'amenée de fluide 12, pour l'anode, et une conduite d'évacuation 14, pour les gaz d'échappement d'anodes, ainsi qu'une deuxième conduite d'amenée de fluide 13, pour la cathode, et une deuxième conduite d'évacuation 15, pour les gaz d'échappement de cathodes, sont prévues. Les détails sur la façon sur lesquels les écoulements de fluide sont répartis à l'intérieur de l'unité à pile à combustible 10 ne sont pas représentés. On a disposé en outre sur la plaque d'extrémité 11 deux conduites de purge d'eau 16, 17, qui sont prévues pour purger l'unité à pile à combustible 10. Il est avantageux également de munir ces conduites de purge 16, 17 d'éléments de conduite 18, 19 chauffables. Les conduites de purge véhiculent de l'eau qui se collecte dans l'anode ou la cathode de l'unité à pile à combustible 10, de préférence dans un réservoir collecteur d'un séparateur d'eau. Il est approprié qu'autant que possible toutes les conduites à fluide qui peuvent véhiculer de l'eau liquide soient munies d'éléments de conduite chauf.fables. Il est avantageux, lorsque l'on met à l'arrêt le système de pile à combustible, de veiller à ce que l'eau soit rincée des conduites à fluide, de sorte qu'aussi peu que possible d'eau subsiste dans le système. Un avantage de l'invention est qu'également, en cas d'arrêt de secours du système à pile à combustible, pour lequel il est impossible de procéder à l'enlèvement de l'eau du système, un redémarrage du système soit possible également pour de basses températures extérieures pour lesquelles l'eau restée dans le système se présente sous forme de glace. Les conduites chauffables peuvent être constituées de matériau flexible, ou bien être des conduites rigides. Elles peuvent être entourées d'une manchette chauffante appropriée, ou bien également présenter à l'intérieur de la conduite un conducteur chauffant approprié. De manière appropriée, est prévue une surveillance de température du système, de sorte qu'en cas de descente au-dessous d'une température critique, par exemple en cas de descente au-dessous du point de congélation, au début de la mise en fonctionnement du système à pile à combustible, il se fasse un chauffage des conduites à fluide chauffables, de sorte que l'eau gelée se liquéfie de façon sûre dans les conduites à fluide. De plus, la température ambiante peut être surveillée ou également une surveillance de température peut se faire sur les zones correspondantes, critiques en température, du système à pile à combustible, en particulier dans la zone des conduites à fluide véhiculant de l'eau, en utilisant un ou plusieurs capteurs de température. Il est également possible de prévoir quren cas de long arrêt du système, dans un environnement froid, de temps en temps les conduites à fluide chauffables soient chauffées dans le cas o le gel de l'eau menace, de sorte que la température des conduites à fluide véhiculant de l'eau soit maintenue notablement au-dessus du point de congélation de l'eau. REVENDICATIONS 1. Système à pile à combustible, comportant une unité à pile à combustible et une installation pour humidifier les gaz de processus afin de fournir un combustible à l'unité à pile à combustible, caractérisé en ce que des conduites à fluide (3, 16, 17) véhiculant de l'eau, appartenant à l'unité à pile à combustible (10), sont prévues au moins partiellement sous forme de conduites à fluide (4, 18, 19) chauffables. 2. Système à pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduites à fluide (3, 16, 17) présentent un élément de conduite (4, 18, 19) chauffable électriquement. 3. Système à pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduites à fluide (3, 4, 18, 19) chauffables sont prévues en aval de l'unité à pile à combustible (10). 4. Système à pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une conduite à fluide chauffable est disposée entre un séparateur d'eau (2), prévu pour assurer la séparation de l'eau depuis les gaz d'échappement des cathodes, et un point de dosage, prévu pour amener des fluides dans l'air des cathodes. 5. Système à pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité à pile à combustible (10) présente une conduite de drainage (18, 19), pour l'évacuation de l'eau hors de l'unité à pile à combustible (10).