Brevet FR2841384A1 — publié le 20031226

comprise entre 1300 et 1800mTorr. Procede de demarrage de pile a combustible, systeme de pile a combustible, et vehicule ainsi equip e. La presente invention concerne le domaine des piles a combustible et des systemes de traction comprenant une pile a combustible. De fa,con classique, un systeme de pile a combustible avec reformage permet de generer une puissance electrique pour alimenter un moteur electrique, par exemple pour la traction d'un vehicule. Le systeme comprend un reformeur, permettant de generer de l'hydrogene a partir d'un carburant, tel que de l' essence ou du methanol stocke a bord du vehicule, une pile permettant de generer la puissance electrique a partir de lthydrogene fourni par le reformeur et de lt oxygene de 1' air, et des equipements auxiliaires, notamment un compresseur d' air, et un circuit de refroidissement. La pile a combustible peut etre constituee d'une pluralite de cellules connectees en serie pour atteindre la tension de fonctionnement de la chane de traction du vehicule. Le dimensionnement des cellules est fait en fonction de la puissance nominale de la chane de traction que l'on doit atteindre. Une cellule de pile a combustible comprend une plaque bipolaire et un assemblage electrodes-membrane. La cellule consomme de l'hydrogene pour former des protons et des electrons a ['anode. Les protons vent transferee a un electrolyte a travers la membrane et les electrons vent transferee par les plaques bipolaires vers le circuit electrique de sortie de la pile. A la cathode, l'oxygene de l'air se combine avec les protons et les electrons pour former de l'eau. La plaque bipolaire doit assurer la distribution des reactifs de maniere uniforme sur les electrodes, conduire les electrons, evacuer l' eau produite lors de la reaction electro-chimique vers l' exterieur, evacuer la chaleur produite lors des reactions exothermiques et assurer l'etancheite au gaz. Wile peut etre realisee en graphite, en polymere conducteur, en metal, etc. La plaque bipolaire peut etre du type > ou du type >. La cathode et ['anode peuvent etre fixces d'un cOte et de l'autre de la membrane servant d'electrolyte. La membrane echangeuse de protons assure la circulation des protons de ['anode vers la cathode, et assure l'etancheite aux gaz. Wile peut etre realisee en materiau perfluore sulfone, de type NAFION, ACIPLEX, etc. Les electrodes, anode et cathode, assurent l'apport des reactifs aux lieux des reactions, realisent les reactions electro-chimiques et evacuent les produits de la reaction vers les plaques bipolaires. Les electrodes peuvent etre realisees en un tissu de carbone, comprenant en outre un catalyseur pour les reactions, par exemple du platine, et des agents hydrophobes, comme le PTFE, pour evacuer l'eau. Les electrodes et la membrane vent intimement liees pour assurer le transfert d'un reactif d'un milieu a l'autre, par exemple par pressage a chaud des electrodes sur la membrane, ou encore par depot direct des electrodes sur la membrane. L'energie chimique contenue dans les gaz et non transformee en electricite se retrouve sous forme de chaleur. Actuellement, les materiaux connus pour la membrane doivent etre maintenus a une temperature inferieure a 80 C. Il est done necessaire de prevoir un circuit de refroidissement. Une cellule de refroidissement peut etre intercalee toutes les une a trots cellules. La cellule de refroidissement presente une forme semblable a celle d'une plaque bipolaire, mais sert a la circulation d'un fluide de refroidissement, comme de l'eau ou de l'eau additionnee d'un produit anti-gel. Les conditions les plus severes de fonctionnement pour une pile dans une application automobile, ont lieu lors d'une phase de demarrage oh la pile doit pouvoir produire de l'electricite le plus rap idement possible. Les materiaux subi s sent de ce fait des contraintes severes au niveau thermique, en raison du passage de la temperature ambiante a la temperature de fonctionnement en quelques minutes. De plus, afin de monter la pile a combustible rapidement en temperature, les cellules dolvent fonctionner a des tensions faibles pour generer une quantite de chaleur importante necessaire a leur montee en temperature, ce qui necessite l'utilisation de materiaux robustes. De plus, dans le cas de l'approvisionnement en hydrogene par un reformeur, les catalyseurs anodiques a base d'alliage de platine utilises dans la pile vent tres sensibles au monoxyde de carbone qui est un sous-produit des reactions de reformage. Lors des phases de demarrage, le reformeur doit etre mis en temperature et durant cette phase il produit une quantite plus importante de monoxyde de carbone que lors des phases de fonctionnement ulterieures. Pour ces raisons, les piles a combustible vent generalement surdimensionnees, par exemple avec une quantite supplementaire de catalyseurs dans les electrodes, ce qui en accrot sensiblement le cout. Par ailleurs, afin d'ameliorer le refroidissement de la pile a combustible, on sochaite augmenter la temperature de fonctionnement. Les materiaux envisages pour une pile a combustible a haute temperature, ont une gamme de fonctionnement restreinte. Par exemple, le polybenzymidazole (PBI) possede une bonne conductivite ionique, uniquement a partir de 120 C, ce qui conduit a une augmentation de la duree de demarrage de la pile. Il faut en effet porter ['ensemble de la pile a combustible a cette temperature pour qu'elle puisse commencer a fournir l'electricite. Les dynamiques tres rapides imposees dans une application automobile necessitent egalement de surdimensionner les piles a combustible, afin qu'elles puissent repondre rapidement a de brusques variations de puissance. Le document WO 00/30200 (Ballard Power Systems) decrit un systeme de pile a combustible pourvu d'un reformour. Lors d'une phase de demarrage, le carburant qui est utilise pour alimenter le reformeur est dirige vers au moins une portion des cellules de la pile a combustible. Les cellules de cette portion fournissent une puissance de sortie par oxydation directe du carburant, au moins jusqu'a ce que le reformeur soit operationnel. On risque ainsi de degrader rapidement les cellules alimentees directement avec le carburant du reformour tout en devant les construire de fa,con onereuse. L' invention se propose de resoudre ce probleme. L' invention propose un procede de demarrage de pile a combustible rapide, economique et de falble nocivite pour la pile. Le procede de demarrage, selon un aspect de ['invention, est destine a une pile a combustible comprenant une pluralite de cellules alimentees par un reformeur. Le reformeur etant froid, on alimente en reformat un premier soul-ensemble des cellules de la pile a combustible. Puis, le reformeur etant chaud, on alimente le premier et le deuxieme soul-ensembles des cellules de la pile a combustible, les cellules du premier soul-ensemble etant optimisees pour un fonctionnement avec un reformeur froid et les cellules du deuxieme soul-ensemble etant optimisees pour un fonctionnement avec un reformeur chaud. On entend par reformour froid, un reformeur n'ayant pas atteint son regime de fonctionnement optimal, et par reformeur chaud, un reformeur ayant atteint son regime de fonctionnement optimal. On peut ainsi reali ser les cellul es du deuxieme soul-ensemble de fa,con optimisee pour un rendement eleve et un cout faible, ces cellules pouvant exiger des reformats riches en hydrogene. Et, on optimise ['aptitude des cellules du premier soul-ensemble a fonctionner ave c des reformats pauvres en hydro gene et susceptibles de contenir une notable proportion de monoxyde de carbone ou d'autres composes contenant, outre de l'hydrogene, de l'oxygene et/ou du carbone. Un tel procede permet de rendre rapidement operationnelle une pile a combustible, levant ainsi un obstacle tres important a la commercialisation de vehicules equipes de piles a combustible, obstacle constitue par la duree que doit attendre le conducteur entre son action sur un bouton de demarrage et le moment ou le vehicule est reellement operationnel, c'est-a-dire dispose de la puissance electrique suffisante pour pouvoir rouler dans des conditions convenables. Dans un mode de realisation de ['invention, les cellules du deuxieme soulensemble vent alimentees lorsque lesdites cellules vent a une temperature de fonctionnement convenable. Si la temperature de fonctionnement n'est pas atteinte, les cellules du deuxieme sous ensemble ne vent pas alimentees. On peut ainsi realiser les cellules du deuxieme soul-ensemble avec des materiaux presentant des performances elevees, notamment de rendement, mais des exigences elevees en matiere de plage de temperature de fonctionnement. Avantageusement, un circuit de refroidissement, commun aux premier et deuxieme soul-ensembles de cellules de pile a combustible, est active lorsque la temperature du premier soul-ensemble des cellules atteint un seuil de temperature. Dans une premiere phase, lors d'un demarrage a froid, le circuit de refroidissement est desactive de fa,con que les cellules du premier soul-ensemble moment rapidement en temperature. Puis, dans une deuxieme phase, le circuit de refroidissement est active de facon que le fluide de refroidissement circule entre les premier et deuxieme soul-ensembles de cellules, de fa,con que la chaleur degagee par les cellules du premier soul-ensemble serve a mettre en temperature les cellules du deuxieme soul-ensemble. Enfin, dans une troisieme phase, lorsque la temperature des cellules du deuxieme soul-ensemble atteint un seuil de temperature, le fluide de refroidissement du circuit de refroidissement circule dans les cellules des premier et deuxieme soul-ensembles et dans un radiateur, permettant d'evacuer la chaleur produite vers l'exterieur. La presente invention propose egalement un systeme de pile a combustible comprenant une pile a combustible pourvue d'une pluralite de cellules, et un reformeur apte a fournir de l'hydrogene a partir d'un carburant hydrocarbone. Le systeme comprend un premier soul-ensemble de cellules optimise pour un fonctionnement avec un reformeur froid et un deuxieme soul-ensemble de cellules optimise pour un fonctionnement avec un reformeur chaud, et des moyens pour alimenter le deuxieme soul-ensemble de cellules en fonction de la temperature du reformeur. L'invention propose encore un systeme de pile a combustible comprenant une pile a combustible pourvue d'une pluralite de cellules, et un reformeur apte a fournir de l'hydrogene a partir d'un carburant hydrocarbone. Le systeme comprend un premier soul-ensemble de cellules optimise pour un fonctionnement a froid et un deuxieme soul-ensemble de cellules optimise pour un fonctionnement a chaud, et des moyens pour alimenter le deuxieme soul-ensemble de cellules en fonction de leur temperature. On peut ainsi utiliser, pour le deuxieme sous ensemble de cellules, des materiaux a temperature de fonctionnement elevee, ce qui permet un refroidissement efficace. On entend par 15. fonctionnement a froid, le fonctionnement de la pile de la temperature ambiante a la temperature minimale du deuxieme sous ensemble et avec un gaz anodique pouvant etre issu d'un reformeur froid, et par fonctionnement a chaud, le fonctionnement de la pile dans sa gamme de temperature ideale avec un gaz anodique issu d'un reformour chaud. Avantageusement, le systeme comprend un circuit de refroidissement commun aux premier et deuxieme soul-ensembles de cellules, de fac,on que la chaleur degagee par le premier soul-ensemble de cellules chauffe le deuxieme soul-ensemble de cellules lorsque ce dernier est a l'arret. Dans un mode de realisation de l' invention, le systeme comprend une vanne pilotee montee sur une conduite d'alimentation en reformat du deuxieme soul-ensemble de cellules, une vanne pilotee montee sur une conduite d'alimentation en air du deuxieme sous ensemble de cellules, et un interrupteur electronique monte sur un conducteur de sortie du deuxieme soul-ensemble de cellules. On peut ainsi interrompre l'alimentation en reformat et en air du deuxieme soul-ensemble de cellules, lorsque ces conditions de fonctionnement ne vent pas reunies. On peut egalement isoler electriquement ledit deuxieme soul-ensemble de cellules. Dans un mode de realisation de ['invention, le systeme comprend une unite centrale pourvue de moyens pour executer un logiciel, d'une memoire et d' au moins un logiciel stocke dans la memoire. Le logiciel comprend un module pour activer un circuit de refroidissement lorsque la temperature du premier soul-ensemble de cellules atteint un seuil de temperature. On comprend que la decomposition de la pile a combustible en deux soulensembles comprenant des materiaux differents permet de diminuer le cout de la pile, car les contraintes au demarrage ne vent appliquees que sur l'un des soul-ensembles. Seul ce soul-ensemble doit comporter les materiaux les plus resistants au fonctionnement a froid audit soul-ensemble et du reformeur. Un autre interet de ['invention reside dans ['amelioration du rendement energetique de la pile a combustible, car les cellules du deuxieme soulensemble ne generent une puissance electrique que lorsqu'elles ont atteint leur plage optimale de temperature et done avec un rendement eleve. Un vehicule equipe d'un moteur electrique de traction et d'une pile a combustible apte a alimenter le moteur, presente une autonomic elevee avec une pollution fortement reduite et un demarrage rapide. La presente invention sera mieux comprise a ['etude de la description detaillee de quelques modes de realisation pris a titre d'exemples nullement limitatifs et illustres par les dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schematique d'une cellule a pile a combustible; et - la figure 2 est une vue schematique du systeme selon un aspect de ['invention. Comme on peut le voir sur la figure 1, une cellule de pile a combustible comprend une membrane 1 remplissant la fonction d' electrolyte, une anode 2 disposee d'un cOte de la membrane 1 et une cathode 3 disposee du cOte oppose, une plaque 4 du c8te de ['anode 2 oppose a la membrane 1 et une plaque S disposee du cote de la cathode 3 oppose a la plaque 1. La plaque 4 est pourvue de canaux 6 formant des rainures ouvertes du cote de ['anode 2. Il en est de meme de la plaque S qui comprend des canaux 6 ouverts du cote de la cathode 3 et des canaux 7 ouverts du cote oppose qui peut etre mis en contact avec ['anode d'une autre cellule. Sur la figure 2, est illustre un systeme conforme a un aspect de ['invention. Le systeme comprend une pile a combustible 8, un compresseur d' air 9 et un reformeur 10 alimente en carburant par un reservoir 11. La pile a combustible 8 comprend deux soul-ensembles 12 et 13. Chaque soulensemble 12, 13 comprend une ou plusieurs cellules telles que decrites cidessus. Une conduite 14 est montee entre la sortie du reformeur 10 et ['entree du soul-ensemble 12 pour alimenter ledit soul-ensemble 12 en reformat. On entend ici par >, les composes chimiques produits par le reformeur, qui comprennent de l'hydrogene dont il est souhaitable que la proportion soit la plus elevee possible, du monoxyde de carbone dont il est souhaitable que la proportion soit la plus falble possible mais qui augmente generalement lorsque le reformeur n'a pas atteint sa temperature de fonctionnement ideale ou bien lors de phases transitoires, et eventuellement d'autres composes comprenant de l'hydrogene, de l'oxygene et/ou du carbone. Une conduite 1S est montee entre la sortie du compresseur d' air 9 et le soul-ensemble 12. Une conduite 16 est montee en derivation de la conduite 14 et debouche dans le soul-ensemble 13. Une vanne pilotee 17 est montee sur la conduite 16. De meme, une conduite 18 equipee d'une vanne pilotee 19 est montee en derivation de la conduite d' air 1S et debouche dans le soul-ensemble 13. Les sorties electriques des soul-ensembles 12 et 13 vent connectees en parallele, un interrupteur electronique 20 etant toutefois monte sur l'une des sorties electriques du soul-ensemble 13 de fac,on quton puisse l'isoler electriquement. Un circuit de refroidissement 21 est prevu, qui comprend une conduite qui passe par les soul-ensembles 12 et 13 pour assurer le refroidissement et une vanne pilotee 26, le fluide de refroidissement passant d'abord par le soul-ensemble 12 puis par le soul-ensemble 13. Le systeme comprend encore une unite centrale 22 apte a commander les autres elements, notamment le compresseur 9, et les vannes pilotees 17, 19 et 26. L'interrupteur 20 est relic a un capteur de temperature 23 du reformeur 10, un capteur de temperature 24 du sous ensemble 12 et un capteur de temperature 25 du soul-ensemble 13. Le soul-ensemble 12 est optimise pour supporter, d'une part, un fonctionnement a falble temperature et, d'autre part, une alimentation pauvre en hydrogene, c'est-a-dire avec des reformats riches en monoxyde de carbone provenant du reformour 10, lui-meme a basse temperature. Les cellules du soul-ensemble 12 vent done prevues avec une quantite de catalyseurs, par exemple du platine ou de l'alliage de platine, plus elevee que les cellules du soul-ensemble 13 et les catalyseurs adaptes a l'empoisonnement au monoxyde de carbone, une membrane dont la conductivite est suffisante a basse temperature pour fournir une puissance electrique suffisante des le demarrage et enfin une membrane suffisamment epaisse. Le soul-ensemble 13 fonctionnera lorsqu'il aura atteint sa temperature de fonctionnement et lorsque le reformour delivrera un reformat avec un taux de monoxyde de carbone suffisamment faible. Les cellules du soul-ensemble 13 peuvent done etre prevues avec une quantite de catalyseurs plus faible, les catalyseurs adaptes au taux de monoxyde de carbone des reformats fourni par le reformeur en fonctionnement continu, une membrane possedant une excellente conductivite ionique a sa temperature de fonctionnement en continu, et enfin une membrane de faible epaisseur. A la mise en route d'un vehicule equipe d'un tel systeme, une procedure de mise en temperature du reformour est activee, par exemple grace a un bruleur de carburant integre au reformeur. Habituellement, le reformeur ne commence a produire de lthydrogene qut une fois qu'il a atteint sa temperature de fonctionnement, typiquement 800 C. Toutefois, la production d'hydrogene peut commencer a une temperature nettement plus faible, de ltordre de 600 a 700 C, mais avec des reformats contenant un taux de monoxyde de carbone eleve, incompatible avec les cellules du soul-ensemble 13, mais compatible avec les cellules du soulensemble 12. Le reformat ainsi produit, riche en monoxyde de carbone, est envoye aux cellules du soul-ensemble 12, la vanne 17 etant fermee. On notera egalement que la vanne 19 est fermee et que l'interrupteur 20 est ouvert. Ainsi, seul le soul-ensemble 12 est alimente en hydrogene et en air et genere de lt energie electrique. Les pertes thermiques dues a la generation electrique portent le soul-ensemble 12 de la temperature ambiante a sa plage de temperature optimale de fonctionnement. Le circuit de refroidissement 21 est inactif, pompe 26 arretee, tent qu'une temperature inferieure a un premier seuil, par exemple 80 C, ntest pas atteinte par le soul-ensemble 12 dont la temperature est mesuree par le capteur 24. Des que le capteur de temperature 24 mesure une temperature superieure au premier seuil, ['unite centrale 22 commande la mise en fonctionnement de la pompe 26 qui fait circuler un fluide de refroidissement dans les soul-ensembles 12 et 13. Un transfert de chaleur se fait du soul-ensemble 12 vers le sous ensemble 13 qui s'echauffe progressivement. Lorsque le capteur de temperature 25 du soul-ensemble 13 detecte une temperature superieure a un deuxieme seuil, qui peut etre un seuil superieur au premier seuil utilise pour le soul-ensemble 12, par exemple 120 C, et lorsque le capteur de temperature 23 du reformour 10 detecte une temperature superieure a un troisieme seuil, par exemple 800 C, ['unite centrale 22 commande l'ouverture des vannes pilotees 17 et 19. La condition de temperature sur le reformeur garantit un reformat dont la concentration en monoxyde de carbone est compatible avec le soul-ensemble 13 et la condition de temperature sur le soul-ensemble 13 garantit un bon rendement energetique de ce dernier. L'interrupteur 20 est ferme. Le soulensemble 13 est alimente en carburant et comburant et connecte au reseau electrique de puissance. Si la consommation energetique de la chane de traction, non representee, est superieure a la puissance electrique generee par le soul-ensemble 13 durant la phase de mise en temperature, un complement de puissance peut etre fourni par une batterie, non representee. La constitution de la pile a combustible en deux sous ensembles de caracteristiques differentes et comportant des materiaux differents, permet de diminuer le cout global de la pile car les exigences dues au demarrage ne vent appliquees que sur l'un des sous ensembles, l'autre soul-ensemble pouvant etre de construction moins robuste et incorpore de moins grande quantite de catalyseurs. Bien entendu, la pile peut egalement etre decomposee en un plus grand nombre de soul-ensembles, par exemple trots ou quatre, qui pourraient etre mis en fonctionnement les uns apres les autres selon la composition du reformat delivree par le reformeur. L'invention permet egalement une grande modularite dans la disposition des cellules de la pile a combustible, et permet surtout un demarrage rapide du vehicule equipe d'une telle pile a combustible, ce qui accrot fortement l'agrement d'utilisation d'un tel vehicule et peut faciliter sa commercialisation. Enfin, ['invention permet une amelioration du rendement energetique de la pile, car le deuxieme soul-ensemble ne genere d'energie electrique que lorsqu'il a atteint sa plage optimale de temperature dans laquelle il presente un rendement eleve. REVENDICATIONS 1-Procede de demarrage d'une pile a combustible, comprenant une pluralite de cellules alimentees par un reformeur (10), dans lequel, le reformeur etant froid, on alimente en reformats un premier sous ensemble (12) de cellules de la pile a combustible, puts, lorsque le reformeur est chaud, on alimente le premier et le deuxieme sous ensembles des cellules de la pile a combustible, les cellules du premier soul-ensemble etant optimisees pour un fonctionnement avec un reformeur froid et les cellules du deuxieme soul-ensemble (13) etant optimisees pour un fonctionnement avec un reformeur chaud. 2-Procede selon la revendication 1, dans lequel les cellules du deuxieme soul-ensemble vent alimentees lorsque lesdites cellules vent a une temperature de fonctionnement convenable. 3-Procede selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un circuit de refroidissement (21), commun aux premier et deuxieme sous ensembles de cellules de pile a combustible, est active lorsque la temperature du premier soul-ensemble des cellules atteint un seuil de temperature. 4Systeme de pile a combustible, comprenant une pile a combustible (8) pourvue d'une pluralite de cellules, et un reformeur (10) apte a fournir de l'hydrogene a partir d'un carburant hydrocarbone, caracterise par le fait qu'il comprend un premier sous ensemble (12) de cellules optimisees pour un fonctionnement avec un reformour froid et un deuxieme soulensemble (13) de cellules optimisees pour un fonctionnement avec un reformeur chaud, et des moyens pour alimenter le deuxieme soul-ensemble de cellules en fonction de la temperature du reformeur. -Systeme selon la revendication 4, caracterise par le fait qutil comprend des moyens pour alimenter le deuxieme soul-ensemble de cellules en fonction de la temperature audit deuxieme soul-ensemble. 6-Systeme selon la revendication 4 ou 5, caracterise par le fait qu'il comprend un circuit de refroidissement (21) commun aux premier et deuxieme soul-ensembles de cellules, de fa,con que la chaleur degagee par le premier soul-ensemble (12) de cellules chauffe le deuxieme soul- ensemble (13) de cellules, lorsque ce dernier est a 1'arret. 7-Systeme selon l'une quelconque des revendications 4 a 6, caracterise par le fait qu'il comprend une vanne pilotee (17) montee sur une conduite d'alimentation en reformats du deuxieme sous ensemble de cellules, une vanne pilotee (19) montee sur une conduite d'alimentation en air du deuxieme soul-ensemble de cellules, et un interrupteur electronique (20) monte sur un conducteur de sortie du deuxieme soul-ensemble de cellules. 8-Systeme selon l'une quelconque des revendications 4 a 7, caracterise par le fait qut il comprend une unite centrale (22) comprenant des moyens pour executer un logiciel, une memoire et au moins un logiciel stocke dans la memoire, le logiciel comprenant un module pour activer un circuit de refroidissement (21) lorsque la temperature du premier soul-ensemble de cellules atteint un seuil de - temperature. 9- Vehicule comprenant une chane de traction a moteur electrique et un systeme de pile a combustible, selon l'une quelconque