Brevet FR2845824A1 — publié le 20040416

Source d'énergie électrique comportant une pile à combustible sans rejet de matière vers l'extérieur et procédé de contrôle d'une telle source d'énergie. Domaine technique de l'invention L'invention concerne une source d'énergie électrique comportant une pile à combustible et au moins un canal de circulation comportant une entrée, 10 connectée à une source de fluide réactif, et une sortie, de manière à alimenter la pile à combustible en fluide réactif et à évacuer l'eau produite dans la pile à combustible. tat de la technique Une source d'énergie électrique comportant une pile à combustible 1 basse température de type pile à combustible à membrane échangeuse de protons, (" PEMFC ou Proton Exchange Membrane Fuel Cell ") représentée sur la figure 20 1, comporte une anode 2 et une cathode 3 séparées par une membrane 4 laissant passer les protons H+. L'anode 2 est le siège d'une réaction dont le réactif est l'hydrogène tandis qu'une réaction entre les protons H4 formés à l'anode 2 et de l'oxygène se produit à la cathode 3. L'anode 2 et la cathode 3 sont respectivement alimentées en hydrogène et en oxygène, via des canaux de 25 circulation 5a et 5b connectés à des sources de réactif qui peuvent être, d'une part de l'hydrogène pur ou des hydrocarbures reformés pour la source d'hydrogène et, d'autre part de l'oxygène pur ou de l'air pour la source d'oxygène. Les canaux de circulation 5a et 5b sont respectivement délimités par la paroi externe de l'anode et de la cathode et par la paroi interne de plaques 6a et6b. L'eau produite au cours du fonctionnement de la pile à combustible stagne 5 généralement dans les canaux de circulation 5a et 5b à l'intérieur de la pile à combustible 1, freinant et même arrêtant la réaction dans la pile à combustible. Pour obtenir une source d'énergie électrique avec un bon rendement, l'eau présente dans la pile à combustible doit donc être évacuée. En effet, si l'eau n'est pas évacuée, elle se condense dans la pile et s'accumule à l'opposé de 10 l'arrivée des gaz, dans les canaux de circulation. L'accumulation d'eau risque de noyer la pile à combustible en bloquant l'accès des gaz aux électrodes. L'évacuation de l'eau produite par la pile à combustible est généralement réalisée par entraînement mécanique de l'eau, en même temps que l'évacuation 15 de gaz réactif non consommé. Ainsi sur la figure 2, une source d'énergie comportant une pile à combustible 1, permet de réaliser une évacuation continue de l'eau produite, à la sortie des canaux de circulation 5a et 5b dont les entrées sont connectées respectivement à une source en oxygène et à une source en hydrogène. La pression des gaz dans la pile à combustible étant 20 supérieure à la pression extérieure en aval, l'eau produite dans la pile à combustible 1 est alors entraînée mécaniquement en dehors de la pile à combustible, par le gaz réactif non consommé. Les canaux de circulation 5a et 5b comportent chacun une vanne 7, constituée dans ce cas par une vanne de détente, disposée à la sortie de la source d'énergie. Cette technique est 25 particulièrement adaptée à une alimentation continue en air ou en combustible reformé pour laquelle il est nécessaire d'évacuer en continu les composés non réactifs comme l'azote non consommé, en plus de l'eau produite. L'alimentation en gaz réactif étant continue, il est également possible d'évacuer l'eau en réalisant des purges périodiques à l'aide des vannes 7, constituant des vannes de purge. La pression dans la pile est supérieure à la pression extérieure en aval et les gaz réactifs non consommés entraînent, 5 mécaniquement et de manière discontinue, l'eau à l'extérieur de la source d'énergie. Cette technique est souvent employée pour des sources de réactifs purs et la fréquence des purges est de quelques purges par minute à quelques purges par heure. Les méthodes d'évacuation continue et discontinue présentent cependant l'inconvénient de rejeter des émissions de gaz ou de 10 fluide à l'extérieur de la pile à combustible. Une méthode dite de re-circulation permet d'éviter les rejets. Ainsi sur la figure 3, la source d'énergie comporte un dispositif de re-circulation 8 du gaz disposé entre la sortie et l'entrée de la pile à combustible 1. Une pompe permet de 15 réinjecter à l'entrée de la pile à combustible 1, le gaz prélevé à la sortie de la pile. L'eau produite dans la pile et évacuée par le canal de circulation 5b en même temps que le gaz réactif non consommé, est ensuite séparée du gaz réactif dans le dispositif de recirculation qui peut être, par exemple, un condenseur. L'eau est alors évacuée vers l'extérieur ou stockée. Cette méthode 20 évite des rejets, mais elle est complexe à réaliser et nécessite une source d'énergie volumineuse et une pompe qui nuit à la robustesse de la source d'énergie. Il est également connu de combiner les méthodes de circulation continue et 25 discontinue et de re-circulation. Par exemple, le document " Fuel cell systems " de Leo J. M. Blomen et de Michael N. Mugerwa (Plenum Press - New York and London, 1993) décrit pages 518 et 519, une source d'énergie comportant une pile à combustible et un système de circulation discontinue pour le canal de circulation de l'hydrogène et un système de re-circulation pour le canal réservé à l'oxygène. Ces sources d'énergie sont cependant encombrantes et nécessitent des équipements supplémentaires, peu pratiques en milieu confiné. Objet de l'invention L'invention a pour but une source d'énergie électrique comportant une pile à combustible, compacte, robuste et capable d'évacuer l'eau de la pile à combustible, sans rejeter de matière à l'extérieur de la source d'énergie 10 électrique. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait qu'elle comporte un réservoir disposé en sortie du canal de circulation et une vanne d'entrée disposée entre la source de fluide réactif et l'entrée du canal de circulation. Selon un développement de l'invention, la source d'énergie comporte deux canaux de circulation respectivement connectés d'une part à des premier et second réservoirs et d'autre part à une source d'hydrogène et à une source d'oxygène. Selon une autre caractéristique de l'invention, le volume du réservoir est très supérieur au volume de fluide réactif contenu dans la pile à combustible. L'invention a également pour objet un procédé de contrôle d'une source 25 d'énergie telle que ci-dessus, facile à réaliser. Selon l'invention, le procédé de contrôle comporte: - le réservoir étant rempli de fluide réactif, la fermeture de la vanne d'entrée du canal de circulation pendant une première période de temps prédéterminée, l'ouverture de la vanne d'entrée pendant une seconde période de temps prédéterminée, de manière à évacuer dans le réservoir, l'eau accumulée dans la pile à combustible pendant la première période de temps et à remplir de nouveau le réservoir de fluide réactif, la seconde période de temps étant très inférieure à la première période de temps. Selon un développement de l'invention, la seconde période de temps a une durée de l'ordre de quelques fractions de secondes. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 15 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement une pile à combustible de type PEMFC d'une source d'énergie selon l'art antérieur. Les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques de sources d'énergie électrique selon l'art antérieur. Les figures 4 et 5 représentent schématiquement une source d'énergie selon l'invention, la vanne d'entrée étant respectivement en position fermée et en position ouverte. Description de modes particuliers de réalisation. La source d'énergie électrique, de préférence utilisée en milieu confiné, comporte une pile à combustible 1 et au moins un canal de circulation 5a. Sur la 5 figure 4, la pile à combustible 1 de type PEMFC est délimitée par des pointillés. Le canal de circulation 5a comporte une entrée, connectée à une source de fluide réactif, et une sortie, de manière à alimenter la pile à combustible en fluide réactif et à évacuer l'eau produite dans la pile à combustible. La source d'énergie 9 comporte également un réservoir 10 disposé en sortie du canal de 10 circulation 5a et une vanne d'entrée 11 disposée entre la source de fluide réactif et l'entrée du canal de circulation 5a. Le réservoir 10 est destiné à contenir le fluide réactif alimentant la pile à combustible et l'eau produite dans la pile à combustible. Son volume est 15 supérieur au volume de fluide réactif contenu dans la pile à combustible, de manière à pouvoir contenir la quantité d'eau produite pendant un temps d'utilisation de la source d'énergie suffisamment long. Le fonctionnement de la source d'énergie électrique 9 est régi par un procédé 20 de contrôle de la source d'énergie électrique comportant deux étapes se répétant alternativement. Le réservoir contient, à l'origine, un fluide réactif, destiné à alimenter la pile à combustible en fluide réactif. Le réservoir est rempli en fluide réactif en ouvrant la vanne d'entrée 11. Il contient, de préférence, de l'hydrogène pur s'il est disposé en sortie du canal de circulation correspondant à 25 une source d'hydrogène, ou de l'oxygène pur s'il est disposé en sortie du canal correspondant à une source d'oxygène. La source d'énergie peut également comporter deux canaux de circulation respectivement connectés d'une part à des premier et second réservoirs et d'autre part à une source d'hydrogène et à une source d'oxygène. Une fois le réservoir 10 rempli, la vanne d'entrée 11 du canal de circulation 5a est fermée (figure 4) pendant une première période de temps prédéterminée assez longue. L'alimentation en un fluide réactif de la pile à combustible 1 se fait alors par l'intermédiaire du réservoir 10, comme représenté par la flèche Fl sur 5 la figure 4. La pile à combustible consomme le fluide réactif et produit de l'eau, majoritairement sous forme liquide. Si le fluide réactif est un gaz, la quantité de gaz à l'intérieur de la pile diminue progressivement et provoque une dépression à l'intérieur de la pile à combustible 1. L'eau produite s'accumule dans le canal de circulation 5a, à l'opposé de l'arrivée en fluide réactif, c'est-à-dire à l'opposé 10 du réservoir 10 pendant toute la première période de temps. La vanne d'entrée 11 est ensuite ouverte pendant une seconde période de temps prédéterminée (figure 5), de manière à rééquilibrer la pression dans le circuit de circulation 5a. L'ouverture de la vanne d'entrée permet d'évacuer vers 15 le réservoir, l'eau accumulée dans la pile à combustible pendant la première période de temps. Le courant de fluide réactif arrivant à l'entrée du canal de circulation 5a (flèches F2) entraîne l'eau accumulée vers le réservoir 10 et permet de remplir de nouveau le réservoir 10 en fluide réactif. La seconde période de temps est très inférieure à la première période de temps. Elle a, de 20 préférence, une durée de l'ordre de quelques fractions de secondes. Le réservoir est, de préférence, disposé à un niveau inférieur à la pile à combustible, de manière à piéger l'eau dans le réservoir, par gravité et donc 25 empêcher le retour de l'eau contenue dans le réservoir vers la pile à combustible. Le réservoir peut également comporter des moyens de piégeage physique ou chimique de l'eau, pour empêcher le passage de l'eau contenue dans le un matériau poreux ou un sel, occupant le volume du réservoir et retenant l'eau par capillarité ou par absorption. Les matériaux poreux ou les sels sont particulièrement adaptés à des applications spatiales o l'absence de gravité rend la séparation gazliquide plus complexe. Le matériau poreux peut être de 5 tout type, par exemple, de type mousse métallique, céramique, polymère ou feutre métallique. Si le fluide réactif contenu dans le réservoir est un gaz, le réservoir peut être chauffé, de manière à maintenir son contenu à une température proche de la 10 température de fonctionnement de la pile à combustible. L'humidification du gaz est alors assurée pendant la première période de temps, lorsque la vanne d'entrée est fermée, ce qui favorise un niveau de performance optimal pour la pile à combustible. Le volume du réservoir est supérieur au volume de fluide réactif contenu dans la pile à combustible, de manière à pouvoir contenir la quantité d'eau produite pendant un temps d'utilisation de la source d'énergie suffisamment long. A titre d'exemple, le réservoir peut avoir un volume de 10 litres pour une pile de 1 0kW, tandis que le volume de fluide réactif contenu dans la pile à combustible est de 20 0,1 1/kW et le volume d'eau produite est de 0,51/kWh. La capacité de stockage de l'eau correspond alors à au moins 1 OkWh. La source d'énergie présente l'avantage de ne pas rejeter de gaz à l'extérieur de la source d'énergie électrique, et permet de stocker pendant une période de 25 temps assez longue, l'eau produite par la pile à combustible. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers décrits cidessus. Ainsi le réservoir peut être disposé à l'intérieur de la pile à combustible, par exemple entre les plaques 6a et 6b. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers décrits cidessus. Ainsi le réservoir peut être disposé à l'intérieur de la pile à combustible, par exemple entre les plaques 6a et 6b. De même, l'invention s'appliquant, de préférence, aux piles à combustible basse température et plus particulièrement aux piles de type PEMFC, peut également s'appliquer à d'autres types de piles à combustible utilisant des réactifs purs comme combustible ou comburant. Ainsi elle peut s'appliquer à des piles de type AFC (" Alkaline Fuel Cell "), PAFC (" Phosphore Acid Fuel Cell) ou SOFC 10 (Solid Oxide Fuel Cell). Revendications 1. Source d'énergie électrique comportant une pile à combustible (1) et au moins 5 un canal de circulation (5a) comportant une entrée, connectée à une source de fluide réactif, et une sortie, de manière à alimenter la pile à combustible (1) en fluide réactif et à évacuer l'eau produite dans la pile à combustible, source d'énergie caractérisée en ce qu'elle comporte un réservoir (10) disposé en sortie du canal de circulation (5a) et une vanne d'entrée (11) disposée entre la source 10 de fluide réactif et l'entrée du canal de circulation (5a). 2. Source d'énergie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte deux canaux de circulation (5a, 5b) respectivement connectés d'une part à des premier et second réservoirs (10) et d'autre part à une source d'hydrogène et à 15 une source d'oxygène. 3. Source d'énergie selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le réservoir (10) est disposé à un niveau inférieur à la pile à combustible (1), de manière à piéger l'eau dans le réservoir (10). 4. Source d'énergie selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le réservoir (10) comporte des moyens de piégeage physique ou chimique de l'eau. 5. Source d'énergie selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de piégeage comportent un matériau poreux. 6. Source d'énergie selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de piégeage comportent un sel. il 7. Source d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le volume du réservoir (10) est très supérieur au volume de fluide réactif contenu dans la pile à combustible (1). 8. Procédé de contrôle d'une source d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte: - le réservoir (10) étant rempli de fluide réactif, la fermeture de la vanne d'entrée (11) du canal de circulation (5a) pendant une première période de temps prédéterminée, - l'ouverture de la vanne d'entrée (11) pendant une seconde période de temps prédéterminée, de manière à évacuer dans le réservoir (10), l'eau accumulée dans la pile à combustible (1) pendant la première période de temps et à remplir de nouveau le réservoir (10) de fluide réactif, la seconde période de temps étant très inférieure à la première période de temps. 15 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la seconde période de temps a une durée de l'ordre de quelques fractions de secondes. v 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le 20 réservoir (10) est chauffé de manière à maintenir son contenu à une température proche de la température de fonctionnement de la pile à combustible.