Brevet FR2874458A1 — publié le 20060224

DESCRIPTION L'invention concerne une pile à combustible avec au moins un moyen de commutation pour inverser le sens de circulation d'au moins un des fluides opérationnels d'une unité de pile à combustible, l'unité de pile à combustible comprenant dans un boîtier une cathode, une anode ainsi qu'un système d'eau de refroidissement. L'invention concerne également un procédé d'utilisation d'une pile à combustible avec des moyens de commutation pour inverser le sens de circulation de fluides opérationnels d'une unité de pile à combustible, l'unité de pile à combustible comprenant dans un boîtier une cathode, une anode ainsi qu'un système d'eau de refroidissement. Il est courant dans les piles à combustible d'inverser de temps en temps le sens de circulation des fluides opérationnels qui circulent à travers une unité de pile à combustible, tels que l'eau de refroidissement, le fluide riche en hydrogène et le fluide riche en oxygène. L'inversion du sens de circulation permet d'atteindre une sollicitation uniforme de l'unité de pile à combustible et des conditions d'exploitation homogènes. A cet effet, il est courant de prévoir à l'intérieur de l'unité de pile à combustible des valves pouvant être actionnées par un système de tringles et des dispositifs similaires. L'objectif de l'invention est de proposer une pile à combustible et un procédé pour son fonctionnement qui permette un usage peu sensible au dysfonctionnement avec une inversion du sens de circulation des fluides opérationnels mécaniquement simple. Cet objectif est atteint du fait que le moyen de commutation se situe à l'extérieur du boîtier. En général, une unité de pile à combustible est constituée de plusieurs empilements de cellules de pile à combustible qui peuvent être branchées en parallèle et/ou en série en ce qui concerne leurs approvisionnements en fluides. Grâce au mode de réalisation de l'invention, la structure de l'empilement des cellules de pile à combustible est simplifiée, car il est possible de renoncer aux valves à l'intérieur du boîtier. Etant donné que les empilements des cellules de pile à combustible peuvent avoir des longueurs importantes, il est nécessaire pour les unités de pile à combustible classiques d'utiliser un système de tringles pour actionner mécaniquement la valve qui peut cependant être sensible au dysfonctionnement en raison d'une telle longueur axiale. Ce problème ne se pose plus avec le dispositif conforme à l'invention. En outre, en cas de panne du moyen de commutation, celui- ci est plus facile d'accès et il peut être réparé ou remplacé sans qu'il soit nécessaire de démonter l'unité de pile à combustible. L'invention peut être utilisée pour différents types d'unités de piles à combustible. La simplicité des éléments constitutionnels du moyen de commutation est plus grande. Il est avantageux d'utiliser comme moyen de commutation une valve de commutation pour le fluide opérationnel concerné. Dans un mode de réalisation privilégié de l'invention, le moyen de commutation pour inverser le sens de circulation de l'eau de refroidissement est disposé à l'extérieur du boîtier. De même, il est possible, à titre d'alternative ou à titre complémentaire, de disposer à l'extérieur du boîtier le moyen de commutation pour inverser le sens de circulation d'un fluide opérationnel ayant une action oxydante et/ou le moyen de commutation pour inverser le sens de circulation d'un fluide opérationnel ayant une action réductrice. Il est préférable de disposer tous les moyens de commutation à l'extérieur du boîtier. Il est avantageux qu'il soit possible d'obtenir une humidification homogène de l'unité de pile à combustible durant sa période d'utilisation tout en ayant une plus grande simplicité des éléments constitutionnels des moyens de commutation. Dans le procédé conforme à l'invention, il est proposé de compenser une chute momentanée de la tension électrique de l'unité de pile à combustible apparaissant durant la commutation du sens de circulation de fluides opérationnels. Ainsi, l'utilisateur de la pile à combustible, par exemple le conducteur d'un véhicule à pile à combustible, n'en a pratiquement pas conscience. La chute est de préférence compensée en disposant pendant une courte durée de la puissance électrique supplémentaire d'un moyen de stockage électrique. Dans un exemple d'utilisation dans un véhicule à pile à combustible privilégié, on s'assure ainsi qu'il n'y a pas d'interruption ou de diminution de la puissance d'un dispositif de traction alimenté par la pile à combustible, ce qui pourrait être ressenti comme gênant. Un tel moyen de stockage électrique peut être un condensateur, une batterie avec une tension suffisamment importante et/ou ce qu'on appel un supercap. La chute peut être compensée en inversant le sens de circulation durant une phase d'exploitation où la puissance demandée à l'unité de pile à combustible est en diminution. Si par exemple le conducteur du véhicule à pile à combustible décélère ou même s'il freine, il peut être approprié d'inverser le sens de circulation du ou des fluides opérationnels durant cette phase. Le conducteur n'a pas conscience de la chute de la puissance de l'unité de pile à combustible. La chute peut également être compensée en limitant la puissance lors d'une phase d'exploitation où la puissance demandée à l'unité de pile à combustible est en augmentation. Si le conducteur du véhicule à pile à combustible accélère, il est possible d'inverser à cet instant le sens de circulation du ou des fluides opérationnels, ce qui ne se ressent que par une accélération plus faible pendant un court instant. Dans un mode de réalisation privilégié de l'invention, il est possible d'utiliser les différents procédés de compensation de la chute de tension de l'unité de pile à combustible seuls ou en combinaison et de les utiliser en fonction des besoins. Un véhicule est muni de préférence d'une pile à combustible conforme à l'invention qui fonctionne selon le procédé de l'invention. La pile à combustible peut être utilisée pour la traction ou comme source électrique pour les agrégats d'un véhicule à pile à combustible ou à moteur thermique. L'invention est décrite plus en détail ci-dessous à l'aide du dessin d'un exemple de réalisation de l'invention. La figure, la description et les revendications contiennent de nombreuses caractéristiques combinées que l'homme du métier peut de façon appropriée également considérer seules pour éventuellement les recombiner différemment. L'unique dessin présent à la figure 1 représente de façon schématique un mode de réalisation privilégié d'une pile à combustible conforme à l'invention, telle qu'elle peut être utilisée dans un véhicule à pile à combustible privilégié. Les détails de la pile à combustible, tels que l'alimentation en gaz, un éventuel système de génération de gaz ou d'autres dispositifs semblables, ne sont pas représentés mais ils sont bien connus de l'homme du métier. Comme le montre la figure, la pile à combustible comprend des moyens de commutation (16, 17, 18) pour inverser le sens de circulation des fluides opérationnels qui sont apportés à une unité de pile à combustible (10). Ces moyens de commutation sont conçus sous forme de valves de commutation et sont disposés à l'extérieur d'un boîtier (26) de l'unité de pile à combustible (10). Ainsi il est possible d'échanger les entrées et les sorties respectives des fluides opérationnels de l'unité de pile à combustible (10). Les espaces anodiques et les espaces cathodiques de chaque cellule à combustible disposées sous forme d'empilements de cellules à combustible et qui forment l'unité de pile à combustible (10), ainsi que leurs espaces d'eau de refroidissement sont représentés de façon simplifiée sous la forme d'une cathode (11), d'une anode (12) et d'un système d'eau de refroidissement (13). L'eau de refroidissement est conduite au système d'eau de refroidissement (13) à travers le moyen de commutation (16) disposé à l'extérieur du boîtier (26) et à travers son entrée et est évacuée à travers sa sortie et à travers le moyen de commutation (16). Si le moyen de commutation est inversé, l'entrée et la sortie sont interchangées en ce qui concerne le sens de circulation du fluide opérationnel. Le moyen de commutation (18) pour inverser le sens de circulation d'un fluide opérationnel ayant une action oxydante (22), notamment de l'air, est disposé à l'extérieur du boîtier (26). L'air est aspiré de l'environnement, humidifié dans un humidificateur (20) et l'eau liquide est éliminée dans un séparateur de condensat (19). Le fluide oxydant humidifié est conduit dans la cathode (11) par son entrée, absorbe dedans l'eau de réaction de la cellule à combustible, quitte la cathode (11) par sa sortie et la transporte comme effluent gazeux de cathode vers un séparateur de condensat (23) avant que l'effluent gazeux de cathode ne soit éliminé sous forme d'air d'échappement (25). Une pompe (24) est disposée dans la ligne d'échappement, en aval du séparateur de condensat (23). Si on commute le moyen de commutation (18), l'entrée et la sortie sont interchangées du point de vue de la circulation du fluide opérationnel. Le fluide opérationnel ayant une action réductrice provenant d'un réservoir non représenté ou d'une unité génératrice de gaz non représentée, notamment de l'hydrogène gazeux ou un réformat riche en hydrogène, peut être conduit au moyen de commutation (17) situé à l'extérieur du boîtier (26) destiné à inverser le sens de circulation du fluide opérationnel réducteur. Un éventuel excès d'humidité du fluide opérationnel peut être éliminé dans un séparateur de condensat (14) avant que le fluide réducteur ne pénètre dans l'anode (12) par son entrée. L'effluent gazeux d'anode est asséché du côté de la sortie dans un séparateur de condensat (15) puis éliminé, par exemple en étant conduit à un brûleur non représenté ou un dispositif semblable. Si on commute le moyen de commutation (17), l'entrée et la sortie sont interchangées du point de vue de la circulation du fluide opérationnel. Conformément à l'invention, une chute momentanée de la tension électrique de l'unité de pile à combustible (10) apparaissant lors de l'inversion du sens de circulation des fluides opérationnels est compensée en mettant à la disposition la puissance électrique supplémentaire d'un moyen de stockage électrique non représenté et/ou en commutant le sens de circulation lors d'une phase d'exploitation où la puissance électrique demandée à l'unité de pile à combustible (10) est en diminution et/ou en limitant la puissance au moment d'une phase d'exploitation où la puissance électrique demandée à l'unité de pile à combustible (10) est en augmentation. Lors de la limitation de puissance, il est possible par exemple de limiter un courant électrique maximal que l'unité de pile à combustible (10) peut supporter, en le dimensionnant de telle sorte qu'une chute momentanée de la tension au moment de la commutation du sens de circulation ne soit ressentie que par une phase d'accélération quelque peu rallongée dont le conducteur n'a pratiquement pas conscience. Il est avantageux qu'un dispositif de commande adéquat non représenté détermine quand une commutation du sens de circulation est nécessaire, par exemple en fonction d'une durée d'utilisation et/ou d'une puissance prélevée ou de critères équivalents, et le prochain instant de commutation adéquat le plus proche est ensuite choisi lorsqu'une des phases d'utilisation décrites précédemment est réalisée, ou bien la commutation est réalisée immédiatement lorsqu'on dispose d'un moyen de stockage électrique adéquat non représenté qui soit capable de compenser électriquement une chute de la tension de l'unité de pile à combustible (10). Liste des références Unité de pile à combustible 3o 11 Cathode 12 Anode 13 Eau de refroidissement 14 Séparateur de condensat Séparateur de condensat 16 Moyen de commutation 17 Moyen de commutation 18 Moyen de commutation 19 Séparateur de condensat Humidificateur 21 Pompe 22 Environnement 23 Séparateur de condensat 24 Pompe Air d'échappement 26 Boîtier Revendications 1. Pile à combustible avec au moins un moyen de commutation (16, 17, 18) pour inverser le sens de circulation d'au moins un des fluides opérationnels d'une unité de pile à combustible (10), l'unité de pile à combustible (10) comprenant dans un boîtier (26) une cathode (11), une anode (12) ainsi qu'un système d'eau de refroidissement (13), caractérisée en ce que le moyen de commutation (16, 17, 18) est disposé à l'extérieur du boîtier (26). 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le commutateur (16) pour inverser le sens de circulation de l'eau de refroidissement est disposé à l'extérieur du boîtier (26). 3. Pile à combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le moyen de commutation (18) pou inverser le sens de circulation d'un fluide fonctionnel ayant une action oxydante est disposé à l'extérieur du boîtier (26). 4. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen de commutation (17) pour inverser le sens de circulation d'un fluide fonctionnel ayant une action réductrice est disposé à l'extérieur du boîtier (26). 5. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en 25 ce que tous les moyens de commutation (16, 17, 18) pour inverser le sens de circulation de fluides opérationnels sont disposés à l'extérieur du boîtier (26). 6. Procédé pour faire fonctionner une pile à combustible ayant des moyens de commutation (16, 17, 18) pour inverser le sens de circulation de fluides opérationnels d'une unité de pile à combustible (10), l'unité de pile à combustible (10) comprenant dans un boîtier (26) une cathode (11), une anode (12) et un système d'eau de refroidissement (13), caractérisé en ce qu'une chute de tension électrique momentanée de l'unité de pile à combustible (10) apparaissant lors de la commutation du sens de circulation d'au moins un des fluides opérationnel est compensée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la chute est compensée en disposant de la puissance électrique supplémentaire d'un moyen de stockage électrique. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la chute est compensée en commutant le sens de circulation durant une phase d'exploitation où la puissance demandé à l'unité de pile à combustible (10) est en diminution. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la chute est 10 compensée en limitant la puissance lors d'une phase d'exploitation où la puissance demandée à l'unité de pile à combustible (10) est en augmentation. 10. Véhicule avec une pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 5 qui fonctionne avec le procédé selon l'une des revendications 6 à 9.