Brevet FR2816761A1 — publié le 20020517

La présente invention est relative au domaine technique des piles à combustible et elle concerne, plus particulièrement, les piles du type faisant intervenir, en tant que comburant, de l'air enrichi ou non en oxygène, voire de l'oxygène pur et, en tant que combustible, de l'hydrogène. Les structures des piles à combustible du type ci-dessus sont connues ainsi que leur principe de fonctionnement qui passe par la consommation de l'hydrogène dans le compartiment anode. Un tel fonctionnement a pour caractéristiques de produire dans le circuit anode de l'eau, de l'azote diffusant à travers la membrane séparant le compartiment anode du compartiment cathode, ainsi éventuellement que des impuretés initialement présentes dans l'hydrogène et qui tendent à se concentrer. Afin de maintenir des conditions fonctionnelles optimales, il est prévu d'éliminer l'eau, l'azote et les impuretés en procédant généralement à des purges régulières du circuit hydrogène. La fréquence des purges nécessaires dépend des caractéristiques de la pile ainsi que des régimes de fonctionnement et peut aller de quelques secondes à quelques minutes. Une des caractéristiques fonctionnelles de telles piles est aussi de laisser subsister, à la sortie du circuit anode, une quantité résiduelle d'hydrogène non consommée qui est donc perdue si l'élimination de l'eau, de l'azote et des impuretés est assurée par purges périodiques. Afin d'éviter une perte d'hydrogène, la technique antérieure a préconisé d'assurer une recirculation du mélange issu de la sortie du compartiment anode pour le réinjecter à l'entrée du même compartiment de la pile. Une telle réinjection assure un brassage permanent des gaz et améliore le fonctionnement en présence d'impuretés et d'azote mais laisse cependant le problème de la récupération de l'eau qui demande à être récupérée de manière à favoriser le bilan hydrique du fonctionnement notamment pour assurer l'humidification et/ou de refroidissement des cellules de la pile. Le choix de procéder à une recirculation du mélange impose de recourir à des moyens techniques particuliers et, notamment, à la présence d'un circulateur qui constitue une machine tournante relativement complexe et soumise à des conditions de fonctionnement délicates, notamment en présence d'eau liquide. Une telle machine tournante constitue un équipement coûteux, exigeant un entretien sérieux et, par conséquent, grevant de façon sensible le prix d'achat ainsi que le coût fonctionnel d'une pile à combustible. Par ailleurs, il a été constaté que la recirculation du mélange ne permet pas toujours de bénéficier de conditions efficaces pour éliminer l'eau, notamment lorsque la vitesse des mélanges principalement gazeux n'est pas suffisante. On pourrait tenter de remédier, au moins pour partie, à cet inconvénient en soumettant le mélange à une recirculation plus rapide mais alors les problèmes inhérents à la présence du circulateur croissent en proportion. Quelles que soient les conditions fonctionnelles telles qu'elles viennent d'être énoncées, il est en outre toujours nécessaire de disposer de la présence d'un séparateur de phases particulièrement efficace de manière à pouvoir assurer la séparation de l'eau. Or, un tel séparateur constitue un accessoire relativement onéreux, occupant un volume non négligeable et qui pose des problèmes d'inertage dans le cas de mise en service ou d'arrêt fonctionnel d'une pile à combustible. La présente invention concerne un procédé et une installation visant à éliminer les inconvénients ci-dessus en faisant appel à des moyens techniques de faible encombrement, de faible coût, de faible entretien et qui sont susceptibles de faire intervenir, par recirculation alternée, une purge de l'eau incluse dans le circuit hydrogène d'une pile à combustible. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, le procédé de purge, selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il consiste à : - réaliser chaque cellule de la pile de manière à lui faire comporter deux compartiments anodes, - raccorder la sortie du premier compartiment anode à l'entrée du circuit anode du second compartiment anode, - raccorder la sortie du second compartiment anode à l'entrée du premier compartiment anode, - raccorder les entrées des circuits anodes des cellules avec un circuit d'alimentation en hydrogène par deux branchements en parallèle contrôlés par deux organes d'ouverture-fermeture, - piloter périodiquement l'inversion d'états desdits organes. L'invention a encore pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, une telle installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend - des cellules qui sont composées chacune de deux compartiments anodes, - un raccordement entre la sortie du premier compartiment anode et l'entrée du second compartiment anode, - un raccordement entre la sortie du second compartiment anode et l'entrée du premier compartiment anode, - un circuit d'alimentation en hydrogène des circuits anodes des cellules par l'intermédiaire de deux branchements en parallèle et contrôlés par deux organes d'ouverture-fermeture. - des moyens pour piloter périodiquement l'inversion d'états desdits organes. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention La fig. 1 est une vue schématique illustrant l'invention dans un exemple de réalisation simplifié d'une pile à combustible. La fig. 2 est une vue schématique se rapportant à une proposition de pile à combustible composée de n cellules, La fig. 3 est une vue schématique analogue à la fig. 1 mais illustrant une phase du procédé. Les fig. 4 et 5 sont des vues schématiques, analogues aux fig. 1 et 3, mais correspondant à une variante de réalisation de l'invention. Dans l'exemple de réalisation simplifiée illustré par la fig. 1, une pile à combustible désignée par la référence 1 comprend une cellule 2 qui est constituée par deux demies piles 21 et 22 répondant aux mêmes caractéristiques constitutives. Chaque demie pile comprend un compartiment cathode 31, 32 et un compartiment anode 41, 42 contenant chacun une électrode cathode et une électrode anode qui sont séparées par une membrane de perméation et de réaction 51, 52. D'une manière conventionnelle, les compartiments 31 et 32 sont raccordés à un circuit 6 d'alimentation en comburant tel que de l'oxygène pur ou de l'air enrichi ou non en oxygène. De manière également classique, les compartiments anodes 41 et 42 sont raccordés à un circuit d'alimentation en combustible c'est-à-dire de l'hydrogène, lequel selon l'invention, fait intervenir les dispositions structurelles suivantes. Le circuit d'alimentation en hydrogène de la demie pile 21 est désigné par la référence 71 et comprend une entrée 81 et une sortie 91 alors que le circuit correspondant pour la demie pile 22 comprend une entrée 82 et une sortie 92. Selon l'invention il est prévu de raccorder la sortie 92 de la cellule 22 à l'entrée 81 du compartiment 41 de la première demie pile. De même, il est prévu de raccorder la sortie 91 du compartiment 41 à l'entrée 82 du compartiment 42 de la seconde demie pile 22. Les circuits 71 et 72 sont par ailleurs raccordés à un circuit 10 d'alimentation en hydrogène par l'intermédiaire de deux branchements 111 et 112 établis en parallèle et qui sont contrôlés par deux organes d'ouverture-fermeture 121 et 122. Avantageusement, mais non nécessairement, les organes 121 et 122 sont du type tout ou rien en étant inversement conjugués et sont pilotés en inversion d'états de manière synchronisée par des moyens techniques appropriés, tels notamment qu'une temporisation. Les moyens qui sont décrits en relation avec une cellule 2 sont transposables, mutatis mutandis, à une pile à combustible 1 qui serait composée (fig. 2) de n cellules de pile 2, telle que 21, 2n, répondant aux caractéristiques décrites en relation avec la fig. 1. Dans un tel cas, les entrées et sorties des différentes piles 2 sont réunies par des collecteurs 13,14, 15 et 16, alors que les parties de circuit 71 et 72 sont raccordées à l'alimentation commune 10 par l'intermédiaire des deux branchement parallèles 111 et 112. Il doit être considéré que des moyens équivalents peuvent être mis en oeuvre pour assumer la même fonction et que, dans certains cas, il est possible d'envisager la mise en oeuvre d'un circuit d'alimentation des deux branchements et des deux organes 12 pour chaque pile 2. Dans l'état de mise en service, tel qu'illustré par la fig. 1, l'organe 121 est ouvert alors que l'organe 122 est fermé. En conséquence, l'hydrogène sous pression relative apporté par le circuit d'alimentation 10 emprunte le branchement 111, traverse l'organe ouvert 121 et pénètre dans le circuit 71 pour assurer l'alimentation en hydrogène du compartiment anode 41. La réaction fonctionnelle s'établit de manière conventionnelle dans la demie pile 21 dont le compartiment cathode est alimenté en comburant. Pendant cette phase de fonctionnement, le mélange essentiellement gazeux qui est issu du compartiment anode 41 emprunte la sortie 91 pour suivre le circuit 72 et être recyclé dans le compartiment anode 42 de la demie pile 22 dont le compartiment cathode 32 est aussi alimenté en comburant. L'hydrogène résiduel qui est ainsi recyclé est consommé dans la demie pile 22 dont le compartiment 42 est soumis, malgré des conditions de fonctionnement non optimales, à un brassage ou une circulation du mélange gazeux par le recyclage de celui issu de la sortie du compartiment anode 41. Après une phase de fonctionnement caractérisée par une temporisation d'une durée déterminée éventuellement réglable, l'état des organes 121 et 122 est inversé comme montré par la fig. 3 de telle manière que les conditions d'alimentation en hydrogène sont alors assurées au bénéfice du compartiment anode 42 dont la sortie 92 assure le recyclage vers l'entrée du compartiment 41 de la demie cellule 21 du mélange gazeux issu de la réaction interne au fonctionnement de la demie cellule 22. Les mêmes avantages sont ainsi procurés et permettent d'assurer dans les meilleures conditions la séparation de l'eau incluse en prévoyant d'interposer, par exemple à la sortie 91 ou 92, voire au-delà de ces deux sorties, au moins et de préférence deux séparateurs 14 possédant une sortie 15 d'élimination de l'eau. Il doit être considéré que les organes 121 et 122 peuvent être constitués par des robinets ou des organes analogues et qu'ils peuvent aussi être remplacés par des clapets ou autres organes sensibles à la pression, éventuellement associés à des moyens techniques anti-retour. Dans un tel cas, les variations de pression qui interviennent en fonction de l'alimentation cyclique d'une demie pile puis de la seconde, permettent, en fonction du seuil de réglage imposé aux organes 121 et 122, une inversion automatique de leur état, soit par commande séparée, soit par commande conjuguée. Il peut également être mis en oeuvre, pour assurer la même fonction, des capteurs de pression partielle d'hydrogène 17 asservissant le changement d'état des organes 121 et 122. Les fig. 4 et 5 montrent une variante de réalisation dans laquelle les sorties 91 et 92 sont contrôlées par des organes 181 et 182, tels que des vannes, qui sont pilotées en fonctionnement inverse en relation directe avec les organes 121 et 122, en étant soumis à des conditions analogues de fonctionnement. Les vannes 181 et 182 peuvent aussi être du type à fonctionnement séquentiel automatique ou, au contraire, placées sous la dépendance de temporisation ou de détection de seuils de pression, notamment par les capteurs 17. Dans une telle configuration, lorsque l'alimentation du compartiment anode 41 est assurée par l'ouverture de l'organe 121, la vanne 18 est alors de préférence fermée alors que la vanne 181 peut être indifféremment ouverte ou fermée. Lors de l'inversion d'alimentation, l'organe 121 est fermé alors que l'organe 122 est ouvert et, simultanément, la vanne 181 est fermée comme cela ressort de la fig. 5. La fig. 4 montre qu'au moins un séparateur 17 peut être placé entre la sortie 92 et la vanne 182 ou entre la sortie 91 et la vanne 181. Il doit être considéré qu'un séparateur 17 peut aussi être placé en aval de chacune des vannes 181, 182. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1-Procédé de purge de l'eau incluse dans le circuit hydrogène, par circulation alternée d'hydrogène au sein d'une pile à combustible caractérisé en ce qu'il consiste à - réaliser chaque cellule de la pile de manière à lui faire comporter deux compartiments anodes, - raccorder la sortie du premier compartiment anode à l'entrée du circuit anode du second compartiment anode, - raccorder la sortie du second compartiment anode à l'entrée du premier compartiment anode, - raccorder les entrées des circuits anodes des cellules avec un circuit d'alimentation en hydrogène par deux branchements en parallèle contrôlés par deux organes d'ouverture-fermeture, - piloter périodiquement l'inversion d'états desdits organes. 2-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on contrôle la section de passage des sorties des circuits anodes des cellules par des vannes, ou analogues, d'ouverture-fermeture et en ce que l'on pilote périodiquement l'inversion d'états desdites vannes 3-Procédé selon l'un des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on pilote périodiquement l'inversion d'états des organes et/ou des vannes par temporisation. 4-Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on pilote périodiquement l'inversion d'états des organes et/ou des vannes en les rendant sensibles à des seuils de pression. 5-Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on pilote périodiquement l'inversion d'états des organes et/ou des vannes en les plaçant sous la dépendance de capteurs de la pression partielle d'hydrogène régnant dans les circuits anodes des cellules. 6-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on récupère l'eau par l'intermédiaire d'au moins un séparateur disposé sur la sortie du circuit anode de l'une au moins des dernières cellules. 7-Installation de purge de l'eau incluse dans le circuit hydrogène d'une pile à combustible (1) composée de n cellules, caractérisée en ce qu'elle comprend : - des cellules qui sont composées chacune de deux compartiments anodes (41 et 42), - un raccordement entre la sortie (91) du premier compartiment anode et l'entrée (82) du second compartiment anode, - un raccordement entre la sortie (92) du second compartiment anode et l'entrée (81) du premier compartiment anode, - un circuit (10) d'alimentation en hydrogène des circuits anodes des cellules par l'intermédiaire de deux branchements en parallèle (111 et 112) contrôlés par deux organes d'ouverture-fermeture (121 et 122), - des moyens pour piloter périodiquement l'inversion d'états desdits organes. 8-Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des vannes ou analogues (181 et 182) d'ouverture-fermeture, contrôlant la section de passage des sorties (91 et 92) anodes, ainsi que des moyens pour piloter périodiquement l'inversion d'états desdites vannes ou analogues. 9-Installation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que les moyens pour piloter périodiquement l'inversion d'états des organes et/ou des vannes ou analogues sont à base de temporisation. 10-Installation selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les moyens pour piloter périodiquement l'inversion d'états des organes et/ou des vannes ou analogues font intervenir des moyens sensibles à des seuils de pression. 11-Installation selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que les moyens pour piloter périodiquement l'inversion d'états des organes et/ou des vannes ou analogues comprennent des capteurs (17) de la pression partielle d'hydrogène dans les circuits anodes des cellules asservissant lesdits organes et/ou vannes ou analogues. 12-Installation selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que les vannes ou analogues sont constituées par des clapets tarés anti-retour. 13-Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un séparateur d'eau (14) placé sur l'une au moins des sorties des circuits anodes. 14-Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'au moins un séparateur d'eau est placé, soit en avant, soit en aval de chaque vanne ou analogue.. 15-Installation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que les organes et/ou les vannes ou analogues sont du type inversement conjugué.