Brevet FR2870390A1 — publié le 20051118

DISPOSITIF DE SECURISATION D'UN SYSTEME DE PRODUCTION D'ELECTRICITE A PILE A COMBUSTIBLE La présente invention concerne un dispositif de sécurisation d'un système de production d'électricité à pile à combustible. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans s le domaine de l'industrie automobile. D'une manière générale, une pile à combustible, à membranes échangeuses de protons ou PEMFC par exemple, produit de l'électricité à partir d'une réaction électrochimique entre un carburant, de l'hydrogène, et un lo comburant, de l'oxygène, dont le bilan est celui de la synthèse de l'eau (H2 + %02 = H2O). Lorsque cela est possible, l'oxygène à la cathode provient de l'air atmosphérique; c'est le cas, par exemple, dans les applications automobiles. L'hydrogène est acheminé à l'anode en provenance d'un stockage d'hydrogène pur ou après transformation d'un carburant hydrogéné. A la sortie du système de production d'électricité, de l'air humide appauvri en oxygène (environ 10%) et de l'eau produite par la pile sortent du compartiment cathodique. A la sortie du compartiment anodique, sont produits de l'hydrogène, de l'azote et de l'eau, ceci de façon continu ou par période lors de purges. Pour des raisons de sécurité, les fuites en hydrogène de la pile sont canalisées dans un carter, ou module de récupération de fuites d'hydrogène, et acheminées vers l'extérieur par un système actif de ventilation. Toutefois, l'hydrogène présent dans le système de production d'électricité et qu'il faut évacuer en permanence rend dangereuses certaines situations de vie des véhicules électriques mettant en oeuvre de tels systèmes: utilisation en intérieur, arrêt, entretien, accident, etc. C'est pourquoi certains systèmes de production d'électricité à pile à combustible actuellement connus prévoient des opérations d'inertage de la partie anodique, l'hydrogène en particulier, présents dans les canalisations et la pile par un gaz neutre tel que l'azote. Ces opérations visant à rendre inertes de tels systèmes nécessitent la présence de bouteilles d'azote embarquées ou extérieures à chaque arrêt du véhicule. Le flux d'azote ramené à basse pression par un détendeur est commandé par une électrovanne. Un clapet anti-retour évite que l'hydrogène pénètre dans le circuit d'azote. Ces opérations de purge peuvent être effectuées par exemple par une succession de compression et de détente du gaz neutre dans des circuits borgnes ou par simple balayage dans de circuits débouchants. On notera qu'il existe également des systèmes où la ligne anodique est purgée avec de l'air qui pousse l'hydrogène dans la pile à combustible. II y a alors synthèse de l'eau directement dans la partie anodique de la pile et combustion intégrale de l'hydrogène, cependant cette réaction produit une quantité importante d'énergie qui peut détériorer par échauffement les membranes échangeuses de protons. D'autres systèmes existants n'assurent pas une combustion complète de tout l'hydrogène présent: les fuites, inévitables, ainsi que les fluides d'échappement ne sont généralement pas traités (déshydrogénés). Enfin, certains systèmes n'assurent pas une génération de gaz parfaitement neutre car ceux-ci contiennent encore de l'oxygène (brevet US n 4 537 839). On notera cependant que la plupart des systèmes qui viennent d'être décrits en référence à l'état de la technique n'évitent en aucune manière le dégagement d'hydrogène qu'il faut alors purger par des moyens relativement lourds nécessitant, à proximité ou à bord du véhicule, une réserve d'azote pour effectuer l'opération de purge. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un dispositif de sécurisation d'un système de production d'électricité à pile à combustible, ledit système de production d'électricité fournissant en sortie de l'hydrogène et de l'oxygène, qui permettrait d'éliminer l'hydrogène contenu dans les gaz anodiques sortant du système de production d'électricité, ce qui rendrait inutile le recours au io stockage de gaz neutres de purge, rendrait plus sûre l'utilisation du système dans des espaces confinés (tunnel, local, parking souterrain,...), rendrait également inerte le véhicule à l'arrêt et/ou lors des phases d'entretien en le vidant de l'hydrogène, tout ceci pouvant être réalisé sans mettre en contact l'hydrogène avec l'oxygène dans un milieu confiné non catalysé en raison de l'explosivité importante de l'hydrogène. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit dispositif de sécurisation comporte un réacteur disposé en aval du système de production d'électricité, apte à recombiner l'hydrogène et l'oxygène en produisant de l'eau. L'hydrogène recombiné à l'oxygène dans le réacteur peut avoir des origines diverses puisque l'invention prévoit plusieurs possibilités, à savoir que l'hydrogène provient: - d'un module de récupération de fuites d'hydrogène, - du compartiment anodique de la pile à combustible pendant les phases de purges normales en fonctionnement, - d'opérations de purge des gaz anodiques en phase d'arrêt. De même, conformément à l'invention, l'oxygène provient: - d'un module de récupération de fuites d'hydrogène, - du compartiment cathodique de la pile à combustible. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux du dispositif de sécurité de l'invention, ledit dispositif comporte une unité de récupération de l'énergie thermique produite par la recombinaison de l'hydrogène et de l'oxygène dans ledit réacteur. Enfin, diverses dispositions sont envisagées par l'invention pour valoriser le gaz neutre en sortie du réacteur. Il est ainsi proposé : que le dispositif selon l'invention comporte en aval du réacteur un organe d'extraction et de séparation entre l'oxygène et le gaz neutre produit par le i0 réacteur la qualité de ce gaz étant contrôlé par un capteur de concentration d'oxygène, - qu'il comporte une conduite d'injection dudit gaz neutre dans le compartiment anodique de la pile à combustible, - que ladite conduite d'injection comprend une réserve tampon pour stocker 15 une quantité suffisante de gaz neutre sous pression. En conclusion, on comprend de ce qui précède que le dispositif de sécurisation présente de nombreux avantages. Ce dispositif permet en effet d'assurer la sécurisation passive par la gestion des fuites naturelles d'hydrogène et des rejets liés aux purges anodiques de la pile, ainsi que la sécurisation active par la constitution d'une réserve de gaz inerte assurant à l'arrêt la mise sous atmosphère inerte du système et, en cas d'arrêt d'urgence, la sécurisation rapide, ceci en s'affranchissant d'une réserve embarquée ou fixe d'azote à renouveler. L'invention permet d'utiliser les systèmes en toute sécurité dans des lieux confinés et, en toutes circonstances, évite le rejet de gaz explosifs. Cette invention permet également d'utiliser l'hydrogène qui serait perdu par les purges et les fuites, ce qui améliore le rendement global du système. De plus, on peut constater que l'invention conduit à une gestion simplifiée des gaz d'échappement après traitement, ainsi que de l'eau liquide évacuée par la pile. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est un schéma d'un système de production d'électricité à io pile à combustible comprenant un premier dispositif de sécurisation conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma d'un système de production d'électricité à pile à combustible comprenant un deuxième dispositif de sécurisation conforme à l'invention. Sur la figure 1 est représenté un système de production d'électricité fonctionnant au moyen d'une pile 10 à combustible. La production d'électricité par la pile 10 met en oeuvre des échanges électrochimiques ménagés entre de l'hydrogène et de l'oxygène selon la réaction de synthèse de l'eau (H2 + '/202 = H20). Dans les applications automobiles, l'oxygène à la cathode 10c provient de l'air atmosphérique 20. L'hydrogène est acheminé à l'anode 10a en provenance 30 d'un stockage pur ou après transformation d'un carburant hydrogéné. En sortie du système, à la cathode 10c est produit de l'air humide appauvri en oxygène (environ 10%) ainsi que de l'eau générée par la pile 10. A l'anode 10a sort de l'hydrogène, de l'azote et de l'eau, ceci de façon continu ou par période lors de purges. Pour des raisons de sécurité les fuites en hydrogène de la pile 10 sont canalisées dans un module 6 de récupération et acheminées vers l'extérieur par un système actif 7 de ventilation. Afin d'éviter les dangers représentés par la présence d'hydrogène dans un certain nombre de circonstances, le système de production d'électricité de la figure 1 comprend un dispositif de sécurisation comportant un réacteur 1 apte à recombiner l'hydrogène et l'oxygène pour produire de l'eau, ceci de façon autonome et généralement en présence d'un catalyseur. i0 L'hydrogène peut provenir de différentes sources, comme le module 6 de récupération des fuites naturelles d'hydrogène de la pile 101e compartiment anodique 10a en fonctionnement normal, , ou lors d'opérations de purge des gaz anodiques et de mise en atmophère inerte. Cette combustion de l'hydrogène émis assure la sécurisation passive du système de production d'électricité. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'oxygène nécessaire à la combustion provient du compartiment cathodique 10c de la pile 10 après ou avant les traitements habituels de condensation 5 et de récupération 51 de l'eau, et du module 6 de récupération des fuites d'hydrogène. L'énergie nécessaire à l'amorçage de la réaction peut être apportée si besoin par effet joule 11, l'énergie thermique produite dans le réacteur 1 pouvant être utilisée par une unité 12 de récupération comme source de chaleur pour d'autres applications connexes (chauffage, aide à des réactions endothermiques). A la sortie du réacteur 1, une partie du gaz humide contenant de l'azote et de l'oxygène est conduit 13 vers un organe 2 qui assure la sécurisation active du véhicule, à savoir la production embarquée de gaz inerte. L'autre partie, la plus importante, qui contient de l'eau en grande quantité peut alors être évacuée 14 sans précaution particulière, c'est à dire sans avoir à considérer qu'il s'agit d'un gaz potentiellement explosif car contenant de l'hydrogène, la seule particularité de l'échappement étant de pouvoir évacuer de l'eau liquide. L'organe 2 assure l'extraction du gaz neutre (l'azote humide) et sa séparation de l'oxygène. Cet organe 2 peut être composé par exemple d'une membrane séparatrice d'espèces, d'absorbeurs chimiques d'oxygène, d'une combustion complète sur lit catalytique avec injection d'une juste quantité lo d'hydrogène ou encore de séparation physique (adsorption/absorption sur charbon actif). Si une quantité d'eau trop importante est générée celle-ci pourra être éliminée ou absorbée par des matériaux dissécants. La qualité de l'azote ainsi produit pourra être mesurée à l'aide de 15 capteurs 21 de gaz connectés à un organe 4 de contrôle. Le gaz sortant de cet organe 2 est inerte: il est composé d'azote humide. Il peut alors rejoindre sans danger la ligne anodique 10a du système pile 10 à combustible via une électrovanne 32 de commande et la purger selon le processus déjà décrit en référence à l'état de la technique. Pour assurer la présence d'une quantité suffisante de gaz neutre, celuici est stocké après compression 31 dans une réserve tampon 3 dimensionnée en fonction des besoins. Une mesure 33 de pression assure la présence permanente de cette quantité suffisante par action 34 sur le compresseur lorsque la qualité du gaz neutre produit, surveillée par le capteur 21, est satisfaisante. Ces fonctions sont supervisées par l'organe 4 de contrôle. Un clapet anti retour 35 assure la retenue de ce gaz, de même que le clapet anti retour 36 évite au gaz du compartiment anodique 10a de retourner vers la réserve tampon 3. Si le système qui contient cette réserve tampon 3 de gaz neutre est suffisamment protégé pour pouvoir continuer à fonctionner en cas de chocs et de dégradations physiques importantes de l'architecture, le système peut alors servir de purge d'urgence en cas d'accident. Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'oxygène fournit au réacteur 5 1 provient du seul module 6 de récupération des fuites d'hydrogène. REVENDICATIONS 1. Dispositif de sécurisation d'un système de production d'électricité à pile (10) à combustible, ledit système de production d'électricité fournissant en sortie de l'hydrogène et de l'oxygène, caractérisé en ce que ledit dispositif de sécurisation comporte un réacteur (1) disposé en aval du système de production d'électricité, apte à recombiner l'hydrogène et l'oxygène en produisant de l'eau. 2. Dispositif de sécurisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que lo l'hydrogène provient du compartiment anodique (10a) de la pile (10) à combustible. 3. Dispositif de sécurisation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'hydrogène provient d'un module (6) de récupération de fuites 15 d'hydrogène. 4. Dispositif de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'hydrogène provient d'opérations de purge des gaz anodiques. 5. Dispositif de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'oxygène provient du compartiment cathodique (10c) de la pile (10) à combustible. 6. Dispositif de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'oxygène provient d'un module (6) de récupération de fuites d'hydrogène. 7. Dispositif de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte une unité (12) de récupération de l'énergie thermique produite par la recombinaison de l'hydrogène et de l'oxygène dans ledit réacteur (1). 8. Dispositif de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en aval du réacteur (1) un organe (2) d'extraction et de séparation entre l'oxygène et le gaz neutre produit par le réacteur (1). 9. Dispositif de sécurisation selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une conduite (3,32) d'injection dudit gaz neutre dans le compartiment anodique (10a) de la pile (10) à combustible. 10. Dispositif de sécurisation selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite conduite d'injection comprend une réserve tampon (3) pour stocker une quantité suffisante de gaz neutre. 11. Dispositif de sécurisation selon les revendications 8 à10, caractérisé en 15 ce que la qualité du gaz neutre est surveillé avant d'être stocké. 12. Dispositif de sécurisation selon les revendications 8 à11, caractérisé en ce que la quantité du gaz neutre présente est surveillé en permanence et est reconstituée lorsque sa qualité est satisfaisante.