Brevet FR2834586A1 — publié le 20030711

Dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible et véhicule comportant un tel dispositif L'invention se rapporte à un dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible, ainsi qu'à un véhicule comportant un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible comprenant une cathode destinée à être alimentée en comburant et une anode destinée à être alimentée en carburant pour générer un courant électrique à partir d'une réaction chimique entre le carburant et le comburant. Plus précisément, une pile a combustible, notamment à membranes à échanges de protons (également appelée PEMFC), produit de l'électricité à partir de la réaction de la synthèse de l'eau selon la formule : H2+1/202 H2O. Dans les applications automobiles notamment, le comburant oxygène utilisé par la cathode de la pile est puisé dans l'air atmosphérique. Le carburant hydrogène utilisé par l'anode est quant à lui acheminé soit d'un réservoir d'hydrogène pur, soit d'un reformage à partir d'un carburant carboné. La présence d'hydrogène dans le dispositif peut rendre ce dernier dangereux dans certaines situations. Ainsi, lorsqu'un véhicule comportant une pile à combustible est à l'arrêt, en réparation ou subit un accident, l'hydrogène présent dans le circuit du dispositif constitue un risque important d'explosion. Pour résoudre de ce problème, il est connu de mettre en place un système de purge des parties du circuit qui sont susceptibles de contenir de l'hydrogène. Par exemple, dans certaines situations d'utilisation de la pile, de l'azote pur provenant de bouteilles de réserve est envoyé dans la ligne anodique, pour chasser l'hydrogène résiduel. Cette solution résout de façon satisfaisante les problèmes de sécurité du dispositif, mais pose des problèmes d'encombrement, d'entretien et de poids en raison de la nécessité de bouteilles d'azote pour assurer la purge. Pour résoudre ces problèmes, une autre solution connue consiste à purger la ligne anodique avec de l'air. Dans ce cas, la réaction entre l'hydrogène et l'air va se faire directement dans la partie anodique de la pile. Cependant, cette solution présente l'inconvénient de détériorer rapidement les membranes anodiques car la chaleur dégagée par cette réaction est incompatible avec la fragilité de telles membranes. Par ailleurs, cette solution entraîne des problèmes de sécurité car elle provoque un mélange d'air et d'oxygène dans le dispositif qui est susceptible de provoquer une explosion dans certaines conditions. Une autre solution consiste à purger la ligne anodique avec des gaz résultant d'une combustion de l'hydrogène en excédant avec l'air. Cette solution nécessite cependant un système de refroidissement supplémentaire car les gaz brûlés ont une température élevée qui risque de détériorer la pile. Par ailleurs, cette solution génère de l'eau dans la pile ce qui rend cette dernière plus vulnérable aux conditions de gel. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif de génération d'électricité selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le comburant est contenu dans un gaz d'alimentation comportant au moins un gaz inerte et en ce que les moyens de purge comportent des moyens de dérivation d'au moins une partie du gaz d'alimentation vers l'anode et des moyens de séparation d'au moins une partie du comburant contenu dans le gaz d'alimentation. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le gaz d'alimentation est l'air et le comburant est l'oxygène ; - les moyens de dérivation comportent un conduit d'alimentation de l'anode raccordé en dérivation sur la ligne d'alimentation de la cathode en comburant, et des premiers moyens de répartition destinés à répartir le gaz d'alimentation entre la ligne d'alimentation cathodique et le conduit d'alimentation de l'anode, - le carburant destiné à alimenter l'anode est extrait d'une réserve de carburant pur reliée, via un conduit d'acheminement, au conduit d'alimentation de l'anode, et des seconds moyens de répartition sont disposés à la jonction entre le conduit d'acheminement et le conduit d'alimentation, pour sélectivement alimenter l'anode en carburant ou en gaz inerte, - le carburant destiné à alimenter l'anode est extrait d'un carburant primaire stocké dans une réserve et acheminé à un système de transformation du carburant primaire en carburant gazeux utilisable par l'anode, la ligne d'acheminement du carburant étant reliée au conduit d'alimentation de l'anode, et des seconds moyens de répartition sont disposés à la jonction entre le conduit d'acheminement et le conduit d'alimentation, pour sélectivement alimenter l'anode en carburant gazeux ou en gaz inerte, - le système de transformation du carburant primaire en carburant gazeux est disposé sur le conduit d'alimentation de l'anode, en aval des seconds moyens de répartition, - les moyens de séparation sont constitués d'un organe de filtration du comburant par absorption et/ou adsorption chimique, - l'organe de filtration comprend des charbons actifs et/ou des sels déoxygénants, - l'organe de filtration comprend des moyens dessiccateurs, - l'organe de séparation comporte une enceinte et des moyens de répartition du gaz d'alimentation filtré soit vers une première sortie en vue de son utilisation par l'anode, soit vers une sortie auxiliaire en vue d'une régénération de l'organe de séparation, - les moyens de séparation comportent une enceinte dans laquelle est disposé l'organe de filtration, et en ce que l'organe de filtration est conformé sous la forme d'une cartouche amovible. Un autre but de l'invention est de proposer un véhicule comportant un dispositif de génération d'électricité conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente de façon synoptique la structure et le fonctionnement d'un dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible dans un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente de façon synoptique la structure et le fonctionnement d'un dispositif de génération d'électricité dans un second mode de réalisation de l'invention, - les figures 3 représente une vue schématique et en coupe d'un détail des figures 1 et 2, illustrant la structure de moyens de séparation de comburant selon l'invention dans un premier état de fonctionnement, - la figure 4 représente une vue schématique et en coupe des moyens de séparation de comburant dans un second état de fonctionnement selon l'invention. En se référant à présent à la figure 1, le dispositif 1 de génération d'électricité à pile à combustible de type connu comprend une cathode C destinée à être alimentée en comburant 2 (oxygène de l'air) et une anode A destinée à être alimentée en carburant 10 (hydrogène), pour générer un courant électrique à partir d'une réaction chimique entre le carburant 10 et le comburant 2. Classiquement, le comburant 2 peut être compressé dans un compresseur 16 puis éventuellement refroidi et/ou humidifié dans un organe de conditionnement (non représenté) avant son entrée dans la cathode C. Dans l'exemple de réalisation préféré de la figure 1, le carburant délivré à l'anode A provient quant à lui d'un réservoir 10 d'hydrogène pur. L'énergie électrique produite par la réaction de la synthèse de l'eau entre la cathode C et l'anode A (selon la formule : H2+1/202H2O) peut être utilisée, par exemple, pour assurer l'entraînement d'une chaîne de traction électrique d'un véhicule. Les effluents 17,18 des anode A et cathode C, c'est à dire les gaz en aval de la pile 1, sont envoyés à la sortie de la pile 1 vers des moyens de traitements 4,3 respectifs. Classiquement, le dispositif comprend en outre des moyens de purge aptes à alimenter l'anode A avec un gaz inerte pour mettre en veille le fonctionnement du dispositif et empêcher la stagnation d'hydrogène dans celui-ci. Selon l'invention, les moyens de purge comportent des moyens de dérivation 5,7, 8 d'au moins une partie de l'air vers l'anode A et des moyens 6 de séparation d'au moins une partie de l'oxygène contenu dans l'air. Plus précisément, les moyens de dérivation comportent un conduit 8 d'alimentation de l'anode A, qui est raccordé en dérivation sur la ligne 9 d'alimentation en air de la cathode C. Les moyens de dérivation comprennent également des premiers moyens 5 de répartition, tels qu'une vanne à trois voies, destinés à répartir l'air entre la ligne 9 d'alimentation cathodique et le conduit 8 d'alimentation de l'anode A. Les moyens 6 de séparation, qui seront décrits plus en détail ci-dessous, sont disposés quant à eux sur le conduit 8 d'alimentation de l'anode A, en aval de la première vanne 5 de répartition. Le carburant hydrogène destiné à alimenter l'anode A est extrait d'une réserve 10 d'hydrogène pur reliée, via un conduit 11 d'acheminement, au conduit 8 d'alimentation de l'anode. Le conduit 11 d'acheminement est relié au conduit 8 d'alimentation en aval de la première vanne 5. Des seconds moyens 7 de répartition, tels qu'une vanne trois voies, sont disposés à la jonction entre le conduit 11 d'acheminement et le conduit 8 d'alimentation, pour sélectivement alimenter l'anode A en hydrogène ou en gaz inerte. Les première 5 et seconde 7 vannes sont pilotées par des moyens 22 de commande constitués, par exemple, d'un calculateur. Dans l'exemple de réalisation des figures 3 et 4, les moyens 6 de séparation sont susceptibles d'être régénérés. Ces moyens de séparation comportent d'une enceinte 12 située sur le conduit d'alimentation de l'anode. Le flux d'air comprimé pénètre par une entrée 19 puis traverse une première couche 16 de matériaux filtrant l'oxygène tels que des charbons actifs et/ou des sels désoxygénant. Par exemple, ces matériaux filtrants peuvent être constitués de sels commercialisés sous la marque AGELESS Une seconde couche 15 de matériau dessiccateur peut être disposée en aval de la première couche 16 filtrante. Lorsque l'air a été filtré de son oxygène, il est ensuite guidé vers une sortie 32 par laquelle il rejoint à nouveau le conduit 8 d'alimentation de l'anode A. Les couches de matériaux filtrant 16 et dessiccateurs 15 sont, par exemple, sensiblement tubulaires. De plus, l'enceinte 12 est conformée de façon que, après son passage dans les filtres 16,15, l'air circule ensuite dans le sens inverse dans l'espace central 24 du tube formé par les couches 16,15 filtrantes. Une vanne d'entrée 30 située à l'entrée 19 de l'enceinte 12 et une vanne de sortie 31 située à la sortie 32 de l'enceinte 12 sont prévues pour réguler le flux d'air circulant dans l'enceinte 12 de séparation. Par ailleurs, l'extrémité de l'enceinte 12 située en aval des couches 16,15 filtrantes comporte une vanne intermédiaire 13 prévue pour évacuer le flux d'air filtré vers une sortie auxiliaire 33 lors des phases de régénération des moyens de séparation. C'est à dire que, lorsqu'il est nécessaire de purger l'anode A, l'air filtré est évacué par la sortie 20 dans le conduit 8 d'alimentation de l'anode (figure 3). Lorsque les couches 16,15 de filtres sont encrassées ou ont besoin d'être régénérées, la vanne de sortie 31 est fermée et la vanne intermédiaire 13 est ouverte pour évacuer le flux vers l'extérieur au cours de la régénération des couches 16,15 (figure 4). La régénération peut consister, par exemple, en une phase de réchauffage des couches 16,15 filtrantes pour rétablir leur capacité d'absorption. Le fonctionnement global du dispositif 1 selon l'invention va à présent être décrit en référence à la figure 1. Le calculateur 22 qui commande les vannes 5,7 est apte à recevoir une information 23 représentative du mode de fonctionnement de la pile 1. Ainsi, lorsque la pile à combustible 1 est dans une phase d'utilisation normale, le calculateur 22 pilote la première vanne 5 de façon guider l'air vers la cathode C et pilote la seconde vanne 7 de façon à amener l'hydrogène 20 à la cathode. En revanche, lorsque la pile 1 est dans une phase d'arrêt ou de pause prolongée (par exemple le véhicule est à l'arrêt), le calculateur 22 va déclencher la purge de la partie anodique de la pile 1. Pour cela, le calculateur 22 va piloter la première vanne 5 de façon à diriger l'air comprimé 2 vers la ligne anodique 8. De plus, le calculateur 22 va configurer la seconde vanne 7 pour faire passer l'air filtré vers l'anode A (à la place de l'hydrogène). Le gaz inerte (air filtré) repousse alors l'hydrogène contenu dans le conduit 8 directement dans les membranes de la pile et/ou vers l'extérieur par le circuit d'échappement 17. La figure 2 représente une variante de réalisation de l'invention sensiblement identique à celle décrite ci-dessus. Par soucis de simplification, les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques. Le dispositif de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 uniquement par le fait que le carburant destiné à alimenter l'anode A est extrait d'un carburant primaire carboné (tel que de l'essence ou de l'alcool) stocké dans une réserve 20. Le carburant primaire est destiné à être acheminé à un système 21 de transformation ou de reformage pour le transformer en carburant (hydrogène) utilisable par l'anode A. La réserve 20 de carburant est reliée au conduit 8 d'alimentation de l'anode par un conduit 11 d'acheminement. De la même façon que précédemment, des moyens 7 de répartition, tels qu'une vanne à trois voies, sont disposés à la jonction entre le conduit 11 d'acheminement et le conduit 8 d'alimentation, pour sélectivement alimenter l'anode A en carburant gazeux ou en gaz inerte. De préférence, le système 21 de transformation ou de reformage du carburant primaire en carburant gazeux est disposé sur le conduit 8 d'alimentation de l'anode, en aval des seconds moyens 7 de répartition. Le pilotage des vannes 5,7 est identique à celui décrit cidessus en référence à la figure 1. Ainsi, pour mettre en veille le fonctionnement du dispositif et empêcher la stagnation d'hydrogène dans celui-ci, la ligne 8 anodique peut être purgée avec un gaz inerte. Lors de la purge, le gaz inerte (air filtré de son oxygène) purge également le système 21 de reformage. On conçoit donc aisément que le système selon l'invention, tout en étant de structure simple et peu coûteuse, permet de résoudre les problèmes de l'art antérieur. En particulier, l'invention assure la production de gaz inerte directement dans le dispositif de génération d'électricité. Ceci permet de s'affranchir d'une réserve de gaz inerte qui est très pénalisante, notamment dans les applications aux véhicules automobiles. De plus, le système de purge selon l'invention ne produit pas d'eau durant les phases d'arrêt du véhicule et donc limite les problèmes de gel. Dans le cas où les moyens de séparation (filtration de l'oxygène) peuvent être régénérés, le dispositif ne demande pas d'entretien. Cependant, en variante, les couches 16,15 de filtrage peuvent être conformées sous la forme d'une ou plusieurs cartouche amovible par rapport à l'enceinte 12. REVENDICATIONS 1. Dispositif de génération d'électricité du type pile à combustible (1) comprenant une cathode (C) destinée à être alimentée en comburant (2) et une anode (A) destinée à être alimentée en carburant (10,20) pour générer un courant électrique à partir d'une réaction chimique entre le carburant (10,20) et le comburant (2), des moyens (5,6, 7,8) de purge aptes à alimenter l'anode (A) avec un gaz inerte pour mettre en veille le fonctionnement du dispositif et empêcher la stagnation de carburant dans celui-ci, caractérisé en ce que le comburant (2) est contenu dans un gaz d'alimentation comportant au moins un gaz inerte et en ce que les moyens (5, 6,7, 8) de purge comportent des moyens de dérivation (5,7, 8) d'au moins une partie du gaz d'alimentation vers l'anode (A) et des moyens (6) de séparation d'au moins une partie du comburant (2) contenu dans le gaz d'alimentation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz d'alimentation est l'air et le comburant (2) est l'oxygène. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de dérivation comportent un conduit (8) d'alimentation de l'anode (A) raccordé en dérivation sur la ligne (9) d'alimentation de la cathode (C) en comburant, et des premiers moyens (5) de répartition destinés à répartir le gaz d'alimentation entre la ligne (9) d'alimentation cathodique et le conduit (8) d'alimentation de l'anode (A). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le carburant destiné à alimenter l'anode (A) est extrait d'une réserve (10) de carburant pur reliée, via un conduit (11) d'acheminement, au conduit (8) d'alimentation de l'anode, et en ce que des seconds moyens (7) de répartition sont disposés à la jonction entre le conduit (11) d'acheminement et le conduit (8) d'alimentation, pour sélectivement alimenter l'anode (A) en carburant ou en gaz inerte. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le carburant destiné à alimenter l'anode (A) est extrait d'un carburant primaire stocké dans une réserve (20) et acheminé à un système (21) de transformation du carburant primaire en carburant gazeux utilisable par l'anode (A), la ligne (11) d'acheminement du carburant étant reliée au conduit (8) d'alimentation de l'anode, et en ce que des seconds moyens (7) de répartition sont disposés à la jonction entre le conduit (11) d'acheminement et le conduit (8) d'alimentation, pour sélectivement alimenter l'anode (A) en carburant gazeux ou en gaz inerte. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le système (21) de transformation du carburant primaire en carburant gazeux est disposé sur le conduit (8) d'alimentation de l'anode, en aval des seconds moyens (7) de répartition. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens (6) de séparation sont constitués d'un organe de filtration du comburant par absorption et/ou adsorption chimique. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'organe (16) de filtration comprend des charbons actifs et/ou des sels déoxygénants. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'organe de filtration comprend des moyens (15) dessiccateurs. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'organe de séparation comporte une enceinte (12) et des moyens (13,30, 31) de répartition du gaz d'alimentation filtré soit vers une première sortie (32) en vue de son utilisation par l'anode (A), soit vers une sortie (33) auxiliaire en vue d'une régénération de l'organe de séparation. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les moyens (6) de séparation comportent une enceinte (12) dans laquelle est disposé l'organe de filtration, et en ce que l'organe de filtration est conformé sous la forme d'une cartouche amovible. 12. Véhicule caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de génération d'électricité conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.