Brevet FR2872348A1 — publié le 20051230

La présente invention concerne un système de sécurisation d'une pile à combustible fonctionnant dans un local fermé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la sécurité des installations pour piles à combustible. En fonctionnement, une pile à combustible rejette dans l'atmosphère ambiante de l'air appauvri en oxygène provenant du compartiment cathodique de la pile, ainsi que de la vapeur d'eau. D'autre part, de l'hydrogène peut également être émis accidentellement dans l'air environnant, soit à la suite de fuites localisées à l'intérieur du système à pile à combustible, soit parce qu'il io est rejeté dans l'air appauvri en oxygène en sortie de pile. En cas d'utilisation dans un local fermé, il y a donc des risques d'accumulation des rejets émis par la pile à combustible. Ce risque est particulièrement sensible dans le cas où la ventilation, naturelle ou forcée, du local où se trouve la pile est inférieure au minimum requis, ou dans le cas où ce local ne présente pas un volume suffisant. Les risques liés à une accumulation excessive des produits rejetés par la pile à combustible en fonctionnement sont d'ordre divers. II y a d'abord le risque d'asphyxie. En effet, l'accumulation de l'air appauvri provoque un manque d'oxygène qui peut être gênant, voire fatal, ceci avant que les performances du système de pile lui-même n'en soient suffisamment affectées. Par ailleurs, une accumulation d'hydrogène fait peser un risque d'explosion ou d'incendie du local dans lequel est située la pile à combustible. Enfin, la présence de buée en sortie de pile, sans constituer un risque réel pour la vie des personnes, peut présenter un caractère gênant par les condensations qui pourraient en résulter à proximité de la sortie du système de pile. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un système de sécurisation d'une pile à combustible fonctionnant dans un local fermé, qui permettrait de limiter, et même d'éliminer, les risques précités dus à une trop grande concentration dans ledit local des produits gazeux émis par le système de pile. Une solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit système de sécurisation comprend un détecteur de fuites d'hydrogène sur le circuit d'alimentation du compartiment anodique de ladite pile à combustible. Plus spécialement, ledit détecteur de fuites comprend un comparateur du débit d'hydrogène fourni au compartiment anodique au débit d'hydrogène équivalent au courant produit par la pile à combustible. Concernant maintenant l'ensemble des gaz rejetés dans le local, il est également prévu par l'invention que, ladite pile présentant une sortie d'air io appauvri, ledit système de sécurisation comprend un ventilateur placé dans ledit local en amont de la direction de ventilation par rapport à ladite sortie d'air appauvri. Ainsi, le ventilateur dilue l'air en sortie de la pile à combustible de même que la vapeur d'eau. II permet également de ventiler la fuite maximum de l'hydrogène compte tenu des dimensionnements du système. Ledit ventilateur a également pour rôle de provoquer un brassage de l'air à l'endroit où se situe la pile à combustible et d'éviter la formation de poches où des gaz dangereux pourraient s'accumuler. L'efficacité du ventilateur est elle-même contrôlée du fait que le système de sécurisation selon l'invention comprend un détecteur de fonctionnement minimal dudit ventilateur. Dans un premier mode de réalisation, ledit fonctionnement minimal concerne le débit d'air fourni par le ventilateur. H faut alors munir le système d'un capteur de débit et comparer le débit mesuré à un seuil minimum donné. Dans un second mode de réalisation, ledit fonctionnement minimal concerne la vitesse de rotation du ventilateur. Là encore, il faut équiper le ventilateur d'un capteur de vitesse et comparer la vitesse de rotation mesurée à un seuil minimum donné. De plus, on sait qu'une autre source de production d'hydrogène dans l'air de sortie à la cathode de la pile peut provenir de l'inversion de polarité dans certaines cellules de la pile. Le passage forcé de courant dans des cellules sous-alimentées en oxygène provoque par phénomène de demi-électrolyse la formation d'hydrogène dans le compartiment air. Afin d'obtenir une protection contre le risque lié à ce phénomène, le système de sécurisation selon l'invention comprend un détecteur de l'hydrogène produit dans le compartiment cathodique de ladite pile à combustible. De manière pratique, ledit détecteur d'hydrogène comprend un comparateur de la tension fournie par la pile à combustible à un seuil donné. Enfin, d'autres dispositions avantageuses sont prévues par l'invention concernant la sécurisation du système de pile à combustible vis-à-vis de la production d'oxygène ou d'hydrogène rejeté dans l'atmosphère ambiante du io local. En effet, l'invention prévoit que le système de sécurisation comprend un détecteur de teneur minimale en oxygène disposé en amont du ventilateur. De même, s'agissant de l'hydrogène, il y a avantage à ce que le système de sécurisation conforme à l'invention comprend un détecteur de teneur maximale en hydrogène disposé en amont du ventilateur. Ce positionnement desdits détecteurs en amont du ventilateur est préférable à un positionnement en aval, notamment après la sortie d'air appauvri. En effet, dans cette dernière disposition, les gaz ne seraient pas encore complètement homogénéisés dans le volume du système et un positionnement correct ne serait pas assuré. L'invention propose donc un ensemble de mesures de sécurisation qui provoquent l'arrêt immédiat du système de pile à combustible dès lors qu'au moins l'une d'entre elles n'est pas satisfaite. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est un schéma d'un système de sécurisation d'une pile à combustible, conforme à l'invention. Sur la figure 1 est représentée de manière schématique une cellule 10 d'un système de pile à combustible comprenant un compartiment anodique 11 dans lequel est injecté de l'hydrogène, constituant le combustible de la pile. En sortie du compartiment anodique 11, sont rejetés de l'hydrogène ainsi que de la vapeur d'eau. Au compartiment cathodique 12 de l'air est introduit afin de fournir l'oxygène constituant le comburant de la pile. Les produits sortant du compartiment cathodique 12 sont de l'air appauvri en oxygène et de la vapeur d'eau. Au cours du fonctionnement de la pile 10 à combustible, sont rejetés dans le local contenant la pile de l'air appauvri en oxygène, de la vapeur d'eau et de l'hydrogène provenant des fuites pouvant exister à l'intérieur du système de pile à combustible. De plus, de l'hydrogène peut être mêlé à l'air appauvri en sortie du compartiment cathodique, la présence de cet hydrogène étant dû au phénomène de demi-électrolyse mentionné plus haut. Afin de limiter les risques liés à ces rejets gazeux dans un local fermé, le système de sécurisation illustré à la figure 1 prévoit un certain de dispositions pratiques visant soit à contrôler la teneur des gaz rejetés ou formés dans la pile, soit à en éviter les effets néfastes. Tout d'abord, on peut voir sur la figure 1, la présence d'un ventilateur 20 placé en amont de la direction de ventilation par rapport à la sortie 121 de l'air appauvri. L'action du ventilateur 20 est de diluer l'air et la vapeur d'eau sortant de la pile à combustible, ainsi que de ventiler les fuites d'hydrogène. De même, sont évitées les formations de poches et les accumulations des gaz dangereux. Pour augmenter la sécurisation conférée par le ventilateur 20, le système de la figure 1 comprend un détecteur du fonctionnement minimal dudit ventilateur, de manière à ce que si certains paramètres de fonctionnement du ventilateur 20 deviennent inférieurs à un seuil donné, le système de pile à combustible est automatiquement arrêté. La détection du fonctionnement minimal du ventilateur 20 peut se faire sur la rotation elle-même ou sur le débit d'air fourni. Dans les deux cas, la valeur de vitesse de rotation ou le débit mesuré est comparé à un seuil SI. Si la comparaison est négative, le comparateur 21 délivre un signal d'arrêt au système. Comme on peut le voir sur la figure 1, deux détecteurs 30, 40 sont disposés en amont du ventilateur 20. II s'agit d'un détecteur 30 de teneur maximale en hydrogène et d'un détecteur 40 de teneur minimale en oxygène. Ces détecteurs ont pour rôle de contrôler que le quantité d'hydrogène et la quantité d'oxygène présentes dans l'atmosphère ambiante du local n'est pas trop importante, respectivement suffisante. Chacun des détecteurs 30, 40 est relié à un comparateur 31, 41 de la concentration mesurée en hydrogène à un seuil haut S2 et de la concentration en oxygène à un seuil bas S3. Là encore, la comparaison négative à un de ces seuils provoque l'arrêt de la pile. Le système de sécurisation de la figure 1 comprend également un détecteur de fuites d'hydrogène sur le circuit 111 d'alimentation du io compartiment anodique 11 de la pile. Ainsi que l'illustre la figure 1, ce détecteur de fuites d'hydrogène comporte un débit-mètre 50 destiné à mesurer le débit D d'hydrogène dans le circuit 111 d'alimentation. Par ailleurs, il est possible de connaître le débit massique DO d'hydrogène effectivement consommé équivalent au courant I produit par la pile et mesuré par un ampèremètre 52 en utilisant la relation de proportionnalité fournie par la loi de Faraday: DO=a.I où a = Nbcellules / (2.constante Faraday).(22,4 I/mol) Les valeurs des débits D et DO ainsi obtenus sont appliquées à un comparateur 51. Un écart de plus ou moins 5% par exemple permet de détecter une fuite d'hydrogène ou la défaillance de l'un des capteurs et d'arrêter le fonctionnement de la pile. Enfin, l'hydrogène produit dans l'air en sortie au compartiment cathodique 12 à la suite du phénomène de demi-électrolyse lié à l'inversion de polarité dans la pile peut être détecté en mesurant au moyen du voltmètre 60 la tension V produite par la pile à combustible et en la comparant par un comparateur 61 à un seuil R.l dont la valeur dépend, avantageusement, du courant I, R étant la pente de la caractéristique nominale courant-tension de la pile à combustible. Si la tension V est inférieure à ce seuil, le comparateur 61 délivre alors un signal d'arrêt du système de pile à combustible. REVENDICATIONS 1. Système de sécurisation d'une pile à combustible fonctionnant dans un local fermé, caractérisé en ce que ledit système de sécurisation comprend un détecteur (50, 51) de fuites d'hydrogène sur le circuit (111) d'alimentation du compartiment anodique (Il) de ladite pile à combustible. 2. Système de sécurisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit détecteur de fuites comprend un comparateur (51) du débit (D) d'hydrogène fourni au compartiment anodique (11) au débit (DO) d'hydrogène équivalent au courant (I) produit par la pile à combustible. 3. Système de sécurisation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, ladite pile présentant une sortie (121) d'air appauvri, ledit système de sécurisation comprend un ventilateur (20) placé dans ledit local en amont de la direction de ventilation par rapport à ladite sortie (121) d'air appauvri. 4. Système de sécurisation selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de fonctionnement minimal dudit ventilateur (20). 5. Système de sécurisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit fonctionnement minimal concerne le débit d'air fourni par le ventilateur (20). 6. Système de sécurisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit fonctionnement minimal concerne la vitesse de rotation du ventilateur (20). 7. Système de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur (60, 61) de l'hydrogène produit dans le compartiment cathodique (12) de ladite pile à combustible. 8. Système de sécurisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit détecteur d'hydrogène comprend un comparateur (61) de la tension (V) fournie par la pile à combustible à un seuil donné (R.I). 9. Système de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 30 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur (40) de teneur minimale en oxygène disposé en amont du ventilateur (20). 10. Système de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur (30) de teneur maximale en hydrogène disposé en amont du ventilateur (20).