Brevet FR2841043A1 — publié le 20031219

MANDATAIRE: Cabinet LAURENT & CHARRAS SYSTEME DE REFRIGERATION D'UN EMPILAGE DE MODULES DE BASE DE PILE A COMBUSTIBLE DESCRIPTION Domaine de l' invention L' invention concerne les domaines des piles a combustible constituees d'un empilement d'un grand nombre de modules de base comprenant chacun un element de base electrodes/membrane entoure de deux elements polaires par lesquels le comburant et le combustible vent achemines vers la membrane separatrice de ['element de base electrodes/membrane. Ce type de pile a combustible trouve son application, entre autres, dans les vehicules electriques faisant ['objet de nombreuses etudes de developpement, en particulier les vehicules urbains de transport en commun de surface, tels que les autobus, les tramways et autres trolley bus. D'autres applications vent possibles, notamment sur des installations fixes, telles que des systemes stationnaires de production d'electricite, comme ceux utilises dans les hapitaux ou autres batiments de services, ou lteventualite d'une interruption d'alimentation en electricite doit etre exclue. B 13703 JB Art anterieur et probleme pose De nombreuses piles a combustible vent constituees d'une succession d'elements de base comprenant, eux-memes, deux electrodes, dont une anode et une cathode, auxquelles vent apportes, continument un comburant et un combustible et qui restent separees par une membrane echangeuse d' dons faisant office d' electrolyte. Du cote de l' anode, se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogene, tandis que du cote de la cathode, le comburant, tel que l'oxygene ou l' air, est reduit. Ces deux reactions simultanees s'accompagnent par l'etablissement d'une difference de potentials entre les deux electrodes. Chaque element de base est entoure de deux flasques, appeles >, qui ont plusieurs fonctions. Wiles permettent d'amener au contact de ltelement de base, d'un cote le carburant, de l'autre cote le combustible. Wiles permettent egalement de collecter des electrons produits par la reaction d'oxydoreduction, enoncee plus haut. Enfin, ces plaques polaires permettent d' assurer l' evacuation des calories dues a ltelevation de temperature produite conjointement avec la production d' electrons, lors de cette reaction d'oxydoreduction. Ces piles a combustible produisent, en fonctionnement normal, 50 % de ltenergie d'oxydoreduction sous forme de courant electrique et 50 % sous forme d'energie thermique. Le controle de la temperature au voisinage des deux electrodes et de la B 13703 JB membrane d' electrolyte est un facteur primordial du rendement. En effet, des points chauds peuvent apparaltre le long des canaux de distribution des gaz dans les plaques polaires et vent susceptibles d'entrainer des ebullitions locales qui peuvent diminuer, voire interrompre la reaction d'oxydoreduction. Il peut stensuivre la destruction du module de base electrodes/membrane. Ce controle de la temperature necessite done de refrigerer constamment ['ensemble, notamment le module electrodes/membrane. A cet effet, on connait, par la demande de brevet francais publiee sous le numero 2 810 795, une structure de pile a combustible utilisant, entre chaque element electrodes/membrane, une plaque bipolaire utilisee pour les deux modules adjacents. Une telle plaque bipolaire comprend, outre les canaux de circulation du comburant et du carburant, un espace et des canaux d'alimentation interne pour permettre la circulation d'un liquide refrigerant a l'interieur d'elle-meme, contribuant ainsi a refrigerer les deux elements de base qui lui vent adjacents. Dans ce type de refrigeration, la circulation du refrigerant se fait sous pre s s ion, le refrigerant ne pouvant pas et re en ebullition. Bien entendu, une grande quantite d'eau est necessaire pour assurer la refrigeration de ['ensemble, car l'energie thermique produite par la pile est evacuee sous forme de chaleur specifique (4,18 KJ/K. C). De plus, des moyens de pompage vent necessaires pour assurer cette circulation du refrigerant. Enfin, la temperature du refrigerant a la sortie de la pile peut etre elevee (100 C ou plus). B 13703 JB Le but de l' invention est de remedier a ces inconvenients, en proposant un systeme de refrigeration different, c'est-a-dire qui utilise moins de liquide refrigerant et qui n'utilise pas de moyens de pompage. Resume de l' invention A cet effet, ['objet principal de l' invention est un systeme de refrigeration d'un empilage de modules de base de pile a combustible, l'empilage comprenant: - au moins deux modules de base i et des elements polaires intercalees entre les modules de base pour assurer, entre autres, le refroidissement des modules de base i le systeme de refrigeration comprenant: - un circuit de circulation de fluide refrigerant dans les elements polaires et - un dispositif de refroidissement du fluide refrigerant. Selon l' invention, le fluide refrigerant se vaporisant et etant done biphasique, le dispositif de refroidissement du fluide refrigerant est un condenseur et le circuit de circulation du fluide refrigerant est mis sous basse pression. Dans la real i sat ion principa le de l' invention, les elements polaires vent constituees de plaques bipolaires intercalees chacune entre deux elements de base et a l'interieur desquelles est B 13703 JB organlsee la circulation du fluide refrigerant, chaque plaque bipolaire possedant au moins une cavite interne munie d'un orifice d' entree et d'un orifice de sortie du fluide refrigerant. Il est preferable de prevoir le positionnement du condenseur en haut de la pile a combustible, pour profiler de la condensation du fluide refrigerant, afin d' assurer la circulation de ce dernier par un phenomene de thermosiphon. Dans le cas ou la pile a combustible possede un compresseur, celui-ci peut etre utilise pour obtenir la basse pression dans le circuit de circulation du fluide refrigerant, notamment en utilisant ['orifice d' aspiration du compresseur. Dans une application particuliere, on utilise une pression egale a environ 480 mbars a l'interieur du circuit de circulation du fluide refrigerant qui est de l'eau, laquelle bout a 80 C a cette pression. Description detaillee d'une realisation de l' invention L'unique figure represente, en coupe, une partie d'une pile a combustible dans laquelle le systeme de refrigeration selon l' invention est applique a son empilage de modules de base. Ce dernier, represente en partie sur cette figure, comprend une succession d'elements de base 1 qui vent les elements fonctionnels de la pile a combustible. Ces elements de base 1 comprennent deux electrodes 2 separees par une B 13703 JB membrane 3, a travers laquelle s'effectue la reaction d'oxydoreduction et la production d' electrons sur les electrodes 2. Entre chaque element de base 1 est placee une biplaque polaire 10. En fait, chaque biplaque polaire 10 constitue deux elements polaires de deux elements de base 1 adjacents et respectifs. On note que chaque biplaque 10 possede une cavite interne 11 et un orifice d' entree 12 et un orifice de sortie 13. A ces deux derniers elements, est connecte un circuit de refrigeration et, plus exactement, une canalisation d' entree 14 connectee a l' orifice d' entree 12 et une canalisation de sortie 15 connectee a lt orifice de sortie 13. Le circuit de refrigeration se complete d'un condenseur 20 place audessus de l'empilement de la pile a combustible et recevant la canalisation de sortie 15 pour alimenter la canalisation d' entree 14. De preference, le condenseur 20 est complete d'un ventilateur 21 pour accelerer la condensation. Il est important de noter que l'interieur du circuit de refrigeration est place sous basse pression, de l'ordre de 480 mbars, c'est-a-dire deux fois moindre que la pression atmospherique. De plus, le fluide refrigerant est en partie biphasique. En effet, une fois enferme dans le circuit de refroidissement sous basse pression, il peut done rentrer en ebullition assez rapidement a basse temperature. On signale que plusieurs produits peuvent etre utilises comme fluide refrigerant. On pense, en particulier, au butane, au propane et au freon. Bien sur, de l'eau peut egalement etre utilisee. B 13703 JB Le fonctionnement du systeme est le suivant. Grace a la canalisation d' entree 14, chaque plaque bipolaire 10 est alimentee en fluide sous forme liquide. Le fonctionnement de chaque element de base echauffe les deux plaques bipolaires 10 qui lui vent adjacentes. De ce fait, le fluide refrigerant arrivant sous forme liquide dans la cavite interne 11 stechauffe egalement en rentre en ebullition. Dans le cas de lteau, une elevation de la temperature a 80 , sous une pression de 480 mbars, permet a l'eau de se vaporiser. Le liquide refrigerant est alors biphasique a la sortie des elements polaires. L'energie thermique produite par la pile est evacuee sous forme de chaleur latente dans la vapeur ainsi produite (2308 KJoule/Kg a 80 C pour de l'eau). Le liquide refrigerant biphasique est alors evacue par la canalisation de sortie 15 qui alimente le condenseur 20. A l' aide du ventilateur 21, la vapeur se condense alors et l'eau retombe dans le teas du condenseur 20 pour alimenter la canalisation d' entree 14. On note que, dans la plupart des cas, une pile a combustible est equipee d'un compresseur. Ce dernier peut alors etre utilise pour faire regner la basse pression de 480 mbars dans le circuit de refrigeration, notamment au moyen de son orifice d' aspiration, le liquide refrigerant etant de l'eau. Ainsi, a une periode donnee ou en debut et en fin de periode de fonctionnement, il est possible d'utiliser ce compresseur pour etablir la basse pression dans le circuit de refrigeration. B 13703 JB On note que, un phenomene de thermosiphon s'etablit dans circuit de refrigeration, ce qui evite d'utiliser des moyens moteur, tel qu'une motopompe, pour faire circuler le fluide refrigerant. Bien entendu, il faut que la hauteur entre l'empilement de la pile a combustible et le condenseur 20 soit suffisante. On precise que la quantite de fluide de refroidissement necessaire pour faire fonctionner ce systeme est grandement inferieure a celles utilisees, lorsque des pressions plus elevees regnent dans les circuits de refroidissement. Il est important de constater que, le fluide etant en partie biphasique, la temperature d'une partie du circuit de refrigeration est constante. Ceci evite les problemes de dilatation dans une partie de ['ensemble. De plus, si la temperature du fluide refrigerant ne depasse pas 80 C, ce systeme constitue un avantage pour des utilisations dans les pays chauds, notamment a bord des vehicules. Les plaques bipolaires 10 vent des pieces uniques reunissant deux elements polaires relatifs chacun a un element de base adjacent. Ceci n'est qu'un exemple de realisation, l'essentiel etant qu'une circulation de liquide refrigerant puisse etre organisee de facon etanche entre ces deux elements polaires. La plaque unique bipolaire 10 constitue done une solution avantageuse. B 13703 JB REVENDICAIIONS 1. SystAme de figration d'un empilage de modules de base (1) de pile combustible, l'empilage comprenant: - au moins deux modules de base (1); et - deux AlAments polaires intecalAs entre les modules de base (1) pour assurer, entre autres, le refroidissement des modules de base (1); le sYstAme de 4frigration comprenant: - un circUit de circulation de fluide rfrigArant (14, 15) circulant dans les Alments polaires; et - un dispositit de refroidissement du fluide de rfrigAration, caractris en ce que le fluide rAfrigrant se vaporisant la sortie des lAments polaires et tant done biphasique, le dispositif de refroidissement du fluide rAfrigArant est un condenseur (20) et l'intArieur du circuit de circulation du liquide rAfrigArant est mis sous basse pression. 2. SystAme de rAfrigAration selon la revendication 1, dans lequel les AlAments polaires vent constituAs de plaques bipolaires (10) intercalAes chacune entre deux AlAments de base (1) et l'intArieur desquelles est organise la circulation du fluide rAfrigArant, chaque plaque bipolaire (10) possAdant au moins une cavitA interne (11) munie d'un orifice d'entrde (12) et d'un orifice de sortie (13) du fluide rfrigArant. B 13703 JB 3. Systeme selon la revendication 1, caracterise en ce que le condenseur (20) est place au-dessus de l'empilement de la pile a combustible, le liquide refrigerant circulant dans le circuit de refrigeration par un phenomene de thermosiphon. 4. Systeme de refrigeration 1, selon la revendication 1, dans lequel la pile a combustible est equipee d'un compresseur, caracterise en ce que le compresseur est utilise pour fournir la basse pression dans le circuit de circulation du fluide refrigerant, en utilisant son orifice d' aspiration. 5. Systeme de refroidissement selon la revendication 1, caracterise en ce que la pression regnant a l'interieur du circuit de circulation du fluide refrigerant est environ egal a 480 mbars, le fluide refrigerant etant de l'eau.