Brevet FR2807875A1 — publié le 20011019

L'invention concerne un système à pile à combustible, avec une unité à pile à combustible et une alimentation en air pour fournir un fluide contenant de l'oxygène à l'unité à pile à combustible et son procédé de fonctionnement. En particulier, dans les véhicules équipés de pile à combustible fonctionnant au méthanol, il est nécessaire pour le démarrage à froid du système de disposer d'une quantité d'énergie relativement grande qui, en règle générale, doit être fournie par la batterie. située du côté véhicule. Dans la phase de démarrage à froid, l'alimentation électrique du système de génération de gaz, prévue pour fournir le gaz contenant de l'hydrogène pour le pile à combustible, demande une grande puissance électrique. Un tel système à pile à combustible est connu par exemple par le DE-C2 43 22 767. L'invention a comme but d'indiquer un système à pile à combustible et un procédé de fonctionnement d'un système à pile à combustible, pour lequel la consommation d'énergie au démarrage à froid est diminuée. Ce problème est résolu, pour un système à pile à combustible, par le fait ce qu'un compresseur, dont le taux de compression interne est variable, est prévu pour véhiculer le fluide. Pour ce qui concerne le procédé, le problème est résolu par le fait que le compresseur est exploité avec un taux de compression interne différent, selon les conditions de fonctionnement. Selon l'invention, on a fourni un système à pile à combustible dans lequel, pour assurer l'alimentation en air du côté cathode d'une pile à combustible, est utilisé un compresseur dont le taux de compression interne est variable. De ce fait, le compresseur peut être adapté aux différentes exigences rencontrées lors du démarrage à froid et du fonctionnement normal, de sorte que la consommation d'énergie est améliorée et que l'on peut en plus éviter des émissions nuisibles de bruit. D'autres avantages et modes de réalisation ressortent de la description et sont caractérisés, pour le système, par le fait que - le taux de compression interne est variable de façon progressive continue, en fonction des conditions de fonctionnement, - le taux de compression interne est variable de façon discontinue en fonction des conditions de fonctionnement, - le compresseur est un compresseur Wankel, - le compresseur est un compresseur à vis, avec au moins deux sorties pour des fluides à niveaux de pression différents. D'autres avantages sont caractérisés, pour le procédé, par le fait que le compresseur fournit, danss des -conditions de démarrage à froid, un débit de fluide supérieur sous une pression inférieure à ce qu'il fait pendant le fonctionnement normal. - le compresseur, en fonctionnement normal, opère avec un rapport de compression interne (Vi) supérieur à celui sous lequel il opère dans des conditions- de démarrage à froid. L'invention va être explicitée plus en détail ci-après à l'aide d'un dessin. Dans le dessin: la figure 1 représente un diagramme pression-volume, concernant le taux de compression d'un compresseur installé dans un système à pile à combustible selon l'invention, et la figure 2 représente un diagramme pression-débit-masse dans le cas d'un démarrage à froid (courbe inférieure 1) et du fonctionnement normal (courbe supérieure 2). L'invention convient en particulier pour l'alimentation en air de cathode pour des systèmes à pile à combustible installés dans des installations mobiles, pour lesquelles un combustible, destiné à l'unité à pile à combustible est obtenu avec un système de génération de gaz, à partir d'un fluide contenant de l'hydrogène, ou bien également pour des systèmes à pile à combustible qui sont alimentés depuis un réservoir d'hydrogène. L'invention est décrite à l'aide d'un système à pile à combustible, équipé d'un système de génération de gaz et d'une unité à pile à combustible PEM, cependant l'invention n'est pas limitée à de tels systèmes. Dans un tel système usuel de pile à combustible, un système de génération de gaz alimente une unité à pile à combustible en fluide combustible, de préférence de l'hydrogène. L'unité à pile à combustible est constituée d'une ou plusieurs piles à combustible qui, de préférence, sont branchées électriquement, de manière à pouvoir fournir la puissance électrique, c'est-à-dire nécessaire à l'entraînement d'un véhicule. Au système de génération de gaz est associé un compresseur qui comprime un fluide contenant de l'oxygène, de préférence de l'air, et le fournit pour combustion au système de génération de gaz et/ou à l'unité à pile à combustible. L'oxygène est ainsi nécessaire, tant pour l'unité à pile à combustible en tant qu'alimentation en air de cathode, qu'également dans le système de génération d'air pour différents processus d'oxydation, tel que par exemple pour l'oxydation du CO, lors de l'oxydation partielle, dans le cas o l'on a des brûleurs catalytiques et analogues. Dans un véhicule à pile à combustible fonctionnant par exemple au méthanol, la batterie du véhicule est fortement chargée au démarrage à froid, du fait qu'elle doit fournir l'énergie demandée par un gros consommateur, tel qu'un compresseur. Usuellement, de tels compresseurs sont conçus pour donner un rendement élevé en fonctionnement normal et permettent d'avoir une pression de fonctionnement élevée avantageuse. Fréquemment, on utilise pour cela des machines ayant un taux de compression interne Vi élevé. Le taux de compression Vi restitue alors le rapport entre le volume mort du compresseur et le volume du fluide aspiré. Un compresseur typique, monté dans un système à pile à combustible, a un taux de compression Vi qui est dans la plage de 1,3 à 2,5. Le taux de compression Vi dans le cas idéal est égal au taux de compression r du compresseur, r étant le rapport entre la pression du côté entrée et la pression finale du compresseur, le plus souvent Vi étant un peu inférieur au taux de compression. Le travail de compression est plus usuel que le taux de compression pour qualifier un compresseur. Le travail de compression interne fourni par le compresseur est toujours inférieur au travail de compression externe qui est influencé par le système raccordé. Une valeur de n=l,3 correspond à une surpression - d'environ 300 mbar, que fournit le compresseur. En fonctionnement normal, par exemple, un système à pile à combustible fonctionne avec un rapport de pression de n=3. Le rapport de pression élevé et ainsi également le taux de compression élevé est nécessaire pour que la pile à combustible fonctionne de façon optimale et pour atteindre un bilan d'eau avantageux pour le système à pile à combustible. On a représenté sur la figure 1 ' un diagramme pression-volume qui doit expliciter les conditions de pression rencontrées lors du cas de démarrage à froid. Un compresseur aspire de l'air et le comprime jusqu'à une pression P2. Cette pression P2 correspond de préférence à la pression qui doit être atteinte en fonctionnement normal pour obtenir un fonctionnement optimal des piles à combustible. Dans le cas du démarrage à froid, cependant prioritairement, on fournit de l'air au système de génération de gaz, de sorte que la pression qu'on a en aval du compresseur chute à la valeur P1. La surface située sous la courbe entre Pl et P2 représente un travail qui doit être appliqué par une source d'énergie comme une batterie dans le cas du démarrage à froid, cependant sans être utilisé par le système. Dans le cas du démarrage à froid cependant, il y a non seulement sollicitation inutile de la source d'énergie mais, en plus, forte émission de bruit indésirable dans la plage de pression supérieure, comprise entre P1 et P2. Sur la figure 2, on a représenté l'allure de la courbe pression-débitmasse dans un système à pile à combustible préféré. Dans le cas du démarrage à froid (courbe 1), on observe une augmentation seulement lente de la pression, usuellement l'évolution correspond à une parabole ouverte vers le haut, de manière correspondante à une caractéristique de perte de pression usuelle d'un système à pile à combustible. Si l'on a affaire à 'un débit-masse élevé, la pression augmente de façon surproportionnelle. En fonctionnement normal (courbe 2) par contre, on observe une augmentation raide de la pression déjà pour de petits débits-masse et l'augmentation de pression pour un débit-masse élevé n'est plus que faible. Selon l'invention, on utilise un compresseur qui présente un rapport de compression interne Vi variable et, ainsi, permet un taux de compression variable. Un taux de compression Vi variable peut être atteint par le fait que l'ouverture de sortie du compresseur est d'une taille variable. Ceci peut s'effectuer si, par exemple, l'une ou plusieurs ouvertures de sortie supplémentaires sont ouvertes lors du cas du démarrage à froid, de sorte que le taux de compression Vi diminue. Lorsqu'on est en fonctionnement normal, cette ouverture ou ces ouvertures sont de nouveau fermées et le taux de compression Vi augmente. Il est également possible de régler le taux de compression Vipar le biais d'une modification sensiblement continue de l'ouverture de sortie, du fait que, par exemple, on libère ou on couvre de façon continue à l'aide d'un écran la taille de l'ouverture de sortie. G Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, on utilise comme compresseur un compresseur Wankel, qui présente un taux de compression interne Vi variable. Selon un autre mode de réalisation préférée, on utilise' comme compresseur un compresseur à vis, ayant un taux de compression interne Vi variable, qui présente pour les fluides comprimés au moins deux échappements, qui ont un niveau de compression différent, tel que décrit par exemple dans le EP653015. Un premier échappement est prévu pour un petit écoulement de fluide sous un haut niveau de pression, un autre échappement est prévu pour un grand écoulement de fluide sous un plus faible niveau de pression. Il est également avantageux d'effectuer une modification correspondante du taux de compression interne Vi du compresseur, également en fonction de'la charge, par exemple, en faisant fonctionner le compresseur, dans la plage de charge inférieure, avec un taux de compression interne Vi de faible valeur et, dans la plage de charge supérieure, avec un taux de compression interne Viélevé. De ce fait, non seulement l'énergie au moment de la phase de démarrage à froid peut être économisée et la batterie du véhicule peut être ménagée, mais également le rendement du compresseur peut être amélioré dans la plage des basses charges. De plus, on évite, spécialement dans la plage de charge inférieure, de subir des problèmes d'ordre acoustique, du fait que l'émission de bruit du compresseur est diminuée dans la plage de charge inférieure, avec un taux de compression interne Vi petit ou nul. REVENDICATIONS 1. Système à pile à combustible, avec une unité à pile à combustible et une alimentation en air pour fournir un fluide contenant de l'oxygène à l'unité à pile à combustible, caractérisé en ce- qu'un compresseur, dont le taux de compression interne (Vi) est variable, est prévu pour véhiculer le fluide. 2. Système à pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux de compression interne (Vi) est variable de façon progressive continue, en fonction des conditions de fonctionnement. 3. Système à pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux de compression interne (Vi) est variable de façon discontinue en fonction des conditions de fonctionnement. 4. Système à pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur est un compresseur Wankel. 5. Système à pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur est un compresseur à vis, avec au moins deux sorties pour des fluides à niveaux de pression différents. 6. Procédé de fonctionnement d'un système à pile à combustible avec une unité à pile à combustible et une alimentation en air pour fournir un fluide contenant de l'oxygène à l'unité de pile à combustible, caractérisé en ce que le compresseur est exploité avec un taux de compression interne (Vi) différent, selon les conditions de fonctionnement. - 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compresseur fournit, danss des conditions de démarrage à froid, un débit de fluide supérieur sous une pression inférieure à ce qu'il fait pendant le fonctionnement normal. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compresseur, en fonctionnement normal, opère avec un rapport de compression interne (Vi) supérieur à celui sous lequel il opère dans des conditions de démarrage à froid.