Brevet FR2855657A1 — publié le 20041203

PROCEDE DE SURVEILLANCE SIMPLIFIE DES CELLULES D'UNE PILE A COMBUSTIBLE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé de surveillance simplifié des cellules d'une pile à combustible, ledit procédé étant capable de détecter 10 une défaillance de fonctionnement d'une ou de plusieurs de ces cellules. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Le développement économique actuel des pays 15 industrialisés implique un besoin sans cesse croissant de sources d'énergie alternatives, la source d'énergie idéale étant dans la mesure du possible renouvelable, à haut rendement, silencieuse et développant des densités de puissance élevées. Nombreux sont les secteurs d'activité constituant des utilisateurs potentiels d'une telle source d'énergie et les applications sont envisagées aussi bien dans le secteur militaire que civil. Les applications militaires incluent notamment la 25 propulsion des sousmarins, les générateurs électriques mobiles et les unités de basses puissances, en remplacement des batteries. Les applications commerciales concernent le secteur du transport (automobiles, autobus, camions, trains) , mais aussi les 30 applications stationnaires, pour la production B 14307 ID localisée d'électricité, et éventuellement l'utilisation de la chaleur co-générée. Il existe d'autres applications potentielles dans le domaine des dispositifs portables et miniaturisés. La pile à combustible est un dispositif électrochimique de conversion d'énergie hautement performant, qui convertit directement l'énergie chimique dérivant d'un combustible, dans certains cas renouvelable, en énergie électrique. La technologie la 10 plus avancée dans le domaine des températures inférieures à 100 C est celle des piles à combustible à électrolyte polymère. Une pile à combustible est composée d'un assemblage de cellules élémentaires, empilées les unes 15 sur les autres et disposées en nombre suffisant pour assurer la production électrochimique d'électricité dans des conditions de tension et courant voulues. La pile à combustible met en jeu, sans les mélanger, un combustible (par exemple de l'hydrogène, du méthanol,...) 20 et un comburant qui est généralement de l'oxygène prélevé dans l'air. Le principe de fonctionnement de ce générateur électrochimique repose sur la réaction de synthèse électrochimique de l'eau. Le coeur de pile est 25 constitué d'une anode, alimentée en combustible, d'une cathode, alimentée en oxygène, et d'un électrolyte. A l'anode, l'hydrogène subit une oxydation catalytique qui libère protons et électrons. Les électrons circulent le long du circuit électrique extérieur, 30 tandis que les protons sont transportés dans l'électrolyte vers la cathode, o ils se recombinent B 14307 ID avec les électrons et l'oxygène, sous l'effet d'une réduction catalytique, pour produire de l'eau. Le rendement de la pile à combustible, théoriquement voisin de l'unité, atteint des valeurs 5 pratiques deux fois supérieures à celles des moteurs thermiques. De plus, elle est silencieuse et peu polluante, même si le combustible est un composé organique. Ce bon rendement et cette pollution plus faible sont parmi les raisons de recherche et de 10 développement dans ce domaine. Une des composantes essentielles d'une pile à combustible à électrolyte polymère est l'ensemble membrane-électrodes (EME) qui comprend une membrane échangeuse protonique et deux électrodes catalytiques à 15 diffusion de gaz, constituées d'une couche active et d'une couche de diffusion. L'EME est installée entre deux plaques assurant l'apport des gaz réactifs, et ce système est refermé par deux collecteurs de courant, l'ensemble constituant une cellule d'un coeur de pile à 20 combustible. Dans le cas d'une pile à combustible de type PEM (" Proton Exchange Membrane " en anglais), l'électrolyte est une membrane échangeuse de protons. Cette membrane doit assurer trois rôles: être 25 imperméable au gaz afin de jouer son rôle de séparateur des gaz, être électroniquement isolante afin d'éviter tout court circuit, et enfin, être un bon conducteur ionique pour assurer le transport des protons depuis l'anode vers la cathode. Comme on peut le voir sur la figure 1, la cellule élémentaire 1 est composée de deux électrodes, B 14307 ID une anode 2 et une cathode 3, séparées par un électrolyte 4. Dans le cas d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons, l'ensemble 2, 3, et 4 constitue un EME. L'anode 2 et la cathode 3 sont 5 alimentées respectivement en combustible (combustible entrant 5 dans la cellule et combustible sortant 15 de la cellule) et en comburant (comburant entrant 6 dans la cellule et comburant sortant 16 de la cellule). De manière générale, la réaction bilan 10 ayant lieu dans chaque cellule élémentaire est: i H2+ 022--- >H20 A l'anode 2, après diffusion au travers de la couche de diffusion, l'hydrogène est oxydé catalytiquement dans la couche active pour donner 15 protons et électrons. Les électrons empruntent un circuit électrique extérieur vers la cathode 3 et alimentent la charge 7, tandis que l'électrolyte 4, qui est ici une membrane échangeuse protonique, assure le transport exclusif des protons de l'anode 2 vers la 20 cathode 3, mais aussi la séparation des gaz réactants. A la cathode 3, l'oxygène subit une réduction catalytique et se recombine avec les protons et les électrons pour donner de l'eau. L'eau produite et les éventuels inertes sont évacués par excès de flux de 25 gaz, soit continuellement, soit périodiquement à l'aide de purges. Dans la pratique, plusieurs dizaines de cellules élémentaires sont nécessaires pour réaliser 30 une pile combustible de puissance moyenne. Ces cellules B 14307 ID élémentaires sont empilées et associées pour obtenir ladite puissance moyenne. Les cellules élémentaires sont raccordées électriquement en série au sein d'un même empilement (" stack " en anglais). Les empilements 5 peuvent ensuite être associés électriquement en série ou en parallèle afin de pouvoir ajuster la tension et l'intensité de la pile à combustible aux besoins. Une cellule élémentaire est généralement caractérisée par sa courbe de polarisation 11 (voir figure 2), c'est à dire par les couples tensionintensité. En fonctionnement normal de la pile à combustible et connaissant le courant et les conditions opératoires qui lui sont appliquées, on peut prévoir quelle devrait être la tension de chaque cellule 15 élémentaire en se reportant à la courbe de polarisation de référence. Ainsi, s'il y a un défaut de fonctionnement au niveau d'une cellule, comme par exemple une rupture de la membrane de la cellule ou une mauvaise alimentation en gaz, cela entraîne une 20 diminution de la tension aux bornes de cette cellule. Cette chute est en général de plusieurs centaines de mV. Or, les cellules étant associées en série au sein d'un même empilement, le courant traversant 25 l'empilement de cellules est le même que le courant traversant chaque cellule de l'empilement. En mesurant le courant de l'empilement, on connaît ainsi le courant débité par chaque cellule. En revanche, la mesure de la tension de 30 l'empilement ne renseigne pas finement sur la tension B 14307 ID individuelle des cellules et donc sur la présence éventuelle de défauts dans les cellules. Les nombreux systèmes de surveillance destinés à détecter les défauts des cellules d'une pile à combustible sont réalisés à l'heure actuelle sur le principe de la mesure de la tension individuelle de chaque cellule. Par exemple, pour une pile à combustible composée d'un nombre N de cellules, les N tensions de cellules sont mesurées puis les N signaux 10 provenant des cellules sont traités par un système de surveillance. Sachant que pour des applications visant des puissances supérieures au kilowatt le nombre N peut varier de 10 à 100, on se rend compte des difficultés qu'impliquent les systèmes de surveillance de l'art 15 antérieur. En effet, pour obtenir ces puissances et disposer quand même d'un système pouvant surveiller la pile à combustible, cela impose en pratique de câbler les N cellules et de prévoir un système de surveillance associé à chacune de ces N cellules. Cette façon de 20 procéder est donc dommageable en terme de complexité, de volume, de fiabilité et de coût du système de surveillance. On voit en particulier qu'un tel système n'est pas adapté à une production industrielle. Une version simplifiée de ce système de 25 surveillance existe et consiste à ne mesurer que la tension d'un groupe de cellules constitué typiquement de 3 à 5 cellules. Mais pour un empilement de 100 cellules, cela implique encore de câbler de 20 à 30 groupes de cellules, ce qui reste contraignant. 30 B 14307 ID Par ailleurs, un autre problème des systèmes de surveillance existants est qu'ils se basent sur des mesures de tensions de cellules ou de groupes de cellules. Dans ces systèmes, les défauts sont 5 détectés au travers d'une diminution de tension. Or la tension d'une cellule n'est pas constante. Elle dépend en effet du courant qui la traverse et des conditions opératoires qui sont appliquées à la cellule. Par exemple, une tension de cellule de 0,5V est 10 caractéristique d'un défaut à faible densité de courant (inférieure à 0,5 A/cm2), mais est normale pour de fortes densités de courant (supérieures à 1 A/cm2). Pour être efficaces, les mesures de tensions de cellules requièrent donc une parfaite connaissance de 15 la courbe de polarisation et des conditions opératoires de chaque cellule pour réellement savoir si une tension est caractéristique d'un défaut ou non. EXPOSE DE L'INVENTION Le but de l'invention est de fournir un procédé de surveillance de l'état des cellules élémentaires constituant une pile à combustible qui ne présenterait pas les problèmes de l'art antérieur. Ce but et d'autres encore sont atteints, 25 conformément à l'invention, par un procédé de surveillance du bon fonctionnement des cellules d'une pile à combustible, la pile à combustible étant constituée d'un ou de plusieurs empilements (ou " stacks ") de cellules élémentaires reliées en série 30 les unes aux autres, lesdits empilements étant reliés entre eux en série et/ou en parallèle par des B 14307 ID raccordements électriques. Le procédé, objet de l'invention, comporte plusieurs étapes. Tout d'abord, on doit séparer virtuellement chaque empilement de cellules élémentaires en deux 5 parties (partie A et partie B) comprenant un même nombre de cellules élémentaires et étant disposées de manière symétrique dans l'empilement des cellules élémentaires par rapport au milieu dudit empilement. Puis, pour chacun de ces empilements, on mesure la 10 tension de la partie A (UA) et de la partie B (UB) Enfin on compare ces deux mesures. On obtient ainsi une surveillance de la symétrie et de l'état d'homogénéité des parties A et B de l'empilement. En effet, en l'absence de cellule 15 défaillante au sein des parties A et B, la tension de la partie A (UA) et la tension de la partie B (UB) sont semblables. En revanche, en présence d'une cellule défaillante au sein des parties A et/ou B, la tension de la partie A (UA) et la tension de la partie B (UB) 20 sont différentes. Avantageusement, la comparaison des mesures de tension des parties A et B s'effectue en soustrayant les mesures de tension des parties A et B de manière à obtenir une valeur absolue. Avantageusement, la comparaison des mesures de tension des parties A et B s'effectue ensuite en comparant la valeur absolue avec une valeur seuil absolue déterminée. Ainsi, si la valeur absolue obtenue pour l'un ou plusieurs des empilements est supérieure à 30 la valeur seuil absolue déterminée, on peut en conclure que ledit empilement ou lesdits empilements en question B 14307 ID contient une ou plusieurs cellules défaillantes parmi les cellules de la partie A et/ou de la partie B. De même, si la valeur absolue obtenue pour l'un ou plusieurs des empilements est inférieure à la valeur 5 seuil absolue déterminée, ledit empilement ou lesdits empilements en question ne contient aucune cellule défaillante parmi les cellules de la partie A et de la partie B. Notons que si les parties A et B 10 constituent l'intégralité de l'empilement, alors le procédé selon l'invention permet d'effectuer la surveillance de la symétrie et de l'état d'homogénéité de l'empilement entier. Un des avantages de ce procédé réside dans le fait que l'on obtient un système simple à mettre en ouvre, qui repose simplement sur deux mesures de tension et cela quel que soit le nombre de cellules composant l'empilement. Ce procédé a également 20 l'avantage de permettre une interprétation et une surveillance simplifiée, puisque la valeur absolue de la différence des tensions Au=IUA-UBI des parties A et B constituées uniquement de cellules non défaillantes est quasi nulle, quels que soient le courant de 25 l'empilement et les conditions opératoires appliquées. D'une manière générale, le procédé selon l'invention permet de détecter la présence dans la pile d'une ou plusieurs membranes percées. De même, le procédé peut également permettre de surveiller 30 l'homogénéité des alimentations en gaz des cellules élémentaires ou de surveiller l'évacuation des inertes B 14307 ID des cellules élémentaires. Par ailleurs, le procédé permet de distinguer des défaillances différentes, c'est à dire qu'on saura distinguer, par exemple, une défaillance due à la présence d'un trou dans une 5 membrane, d'une défaillance due à une mauvaise alimentation en gaz d'une ou de plusieurs cellules. Un autre avantage de ce procédé réside dans le fait qu'il peut permettre de piloter un dispositif de purge, dont la fonction est d'évacuer l'eau produite 10 dans la pile et les différents inertes. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture 15 de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'une cellule élémentaire PEMFC, - la figure 2 représente la courbe de polarisation d'une cellule élémentaire, - la figure 3 est un schéma illustrant le principe du procédé selon l'invention dans lequel on mesure les tensions des parties A et B de l'empilement. 25 EXPOSÉ DÉTAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS La figure 3 illustre le principe du procédé de surveillance selon l'invention. Dans cette figure, on a représenté un empilement formé de N cellules. Le 30 procédé de surveillance consiste à séparer B 14307 ID virtuellement l'empilement en deux parties (A et B) Les parties A et B sont composées du même nombre de cellules élémentaires (m cellules). Les parties A et B sont disposées de manière symétrique dans l'empilement 5 des cellules élémentaires composant l'empilement (le milieu de l'empilement est représenté par une ligne interrompue). Dans la figure 3, on voit qu'il y a ainsi des parties C et D (ayant p cellules) et une partie E (q cellules) de part et d'autre des parties A et B. Le 10 procédé consiste ensuite à mesurer et comparer simplement les tensions, UA et UB, des deux parties A et B. En effet, en théorie et dans le cas d'un profil de tension parfaitement symétrique, on a: Au=IUA-UBI=OV. Or, il s'avère que dans la pratique, le profil de 15 tension n'est pas parfaitement symétrique. On observe généralement une différence de tension Au Comme le profil de tension a toujours la même allure quels que soit les conditions opératoires et le point de fonctionnement de l'empilement, Au est une valeur 20 quasi constante. Par conséquent, si une ou plusieurs cellules connaissent un défaut quelconque (par exemple, une rupture de membrane ou une mauvaise alimentation en gaz), cela va entraîner la chute de leur tension et cela va donc rendre l'empilement fortement 25 " dissymétrique ". Par exemple, si on constate que la valeur de la différence de tension Au est élevée (typiquement supérieure à 0,3V), on pourra en conclure qu'une ou plusieurs des cellules des parties A et/ou B sont défaillantes. En d'autres termes, si on prend en 30 compte que la probabilité qu'un défaut simultané apparaisse sur les deux parties A et B de l'empilement B 14307 ID et entraîne des chutes de tensions qui se compensent est négligeable, on en vient à la conclusion que si on détecte des variations brutales de Au ou des valeurs trop élevées, on pourra conclure à un défaut de 5 fonctionnement d'une ou de plusieurs cellules des parties A et B. Pour illustrer ces différentes affirmations, on prend une pile à combustible constituée d'un seul empilement de cellules 10 élémentaires comprenant 34 cellules et on réalise trois essais afin de comparer les résultats obtenus selon que les cellules sont ou non défaillantes, les parties A et B étant constituées chacune de 17 cellules. Le premier essai illustre le comportement 15 d'une pile à combustible en fonctionnement normal, c'est à dire qu'aucun défaut n'est enregistré. Cet essai, pour être représentatif du fonctionnement d'une pile à combustible, est effectué pendant une durée d'environ deux heures et alterne des fonctionnements en 20 régime stationnaire (courant constant) et des fonctionnements en régime dynamique (le courant variant de 10 à 90 A). Au cours de cet essai, le suivi individuel des tensions des cellules montre que toutes les cellules ont un même niveau de tension et montre 25 l'absence de tout défaut dans les cellules examinées des parties A et B. On constate également que Au=IUA-UBI est inférieur à 0,1V durant tout l'essai, y compris en régime dynamique et si on omet le bruit de fond sur la mesure, cette valeur est stable. Le deuxième essai est représentatif du comportement d'une pile à combustible lorsque certaines B 14307 ID de ces cellules sont percées. Dans ce cas particulier, on constate que les tensions des cellules sont très dispersées et que certaines tensions passent sous le seuil bas acceptable pour une cellule (d'après la 5 figure 2, ce seuil est situé à environ 0,4-0,5V). Durant cet essai, Au n'est pas stable et varie de -2V à 8V. En imposant un seuil sur Au autour de 0,5V, on est ainsi capable de détecter un tel défaut. Enfin, le troisième essai montre le 10 comportement d'une pile à combustible dans le cas o certaines cellules sont mal alimentées en gaz. On constate que les tensions des cellules sont très dispersées et que certaines tensions passent sous le seuil bas acceptable pour une cellule (situé à environ 15 0,4-0,5V). Durant cet essai, on constate que Au n'est pas stable et varie de -1 à 1V. En imposant un seuil limite sur Au autour de 0,5V, on est capable de détecter la présence d'un défaut de fonctionnement dans une ou plusieurs des cellules. 20 B 14307 ID REVENDICATIONS 1. Procédé de surveillance du bon fonctionnement des cellules d'une pile à combustible, 5 la pile à combustible étant constituée d'un ou de plusieurs empilements de cellules élémentaires reliées en série les unes aux autres, lesdits empilements étant reliés entre eux en série et/ou en parallèle par des raccordements électriques, ledit procédé comprenant les 10 étapes consistant à : - dans chaque empilement de cellules élémentaires, considérer deux parties (partie A et partie B) comprenant un même nombre de cellules élémentaires et étant disposées de manière symétrique dans l'empilement 15 des cellules élémentaires par rapport au milieu dudit empilement, - pour chaque empilement, - mesurer les tensions des deux parties A et B, - comparer ces deux mesures. 2. Procédé de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la comparaison des mesures de tension des parties A et B s'effectue en 25 soustrayant les mesures de tension des parties A et B de manière à obtenir une valeur absolue. 3. Procédé de surveillance selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la 30 comparaison des mesures de tension des parties A et B B 14307 ID s'effectue en comparant la valeur absolue avec une valeur seuil absolue déterminée. B 14307 ID