Brevet FR2872960A1 — publié le 20060113

La présente invention concerne un système de refroidissement pour pile à combustible. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène tel que l'air. Une cellule de pile à combustible, comprend deux électrodes poreuses anodique et cathodique comprenant chacune une couche active qui sont le siège des réactions respectivement anodique et cathodique suivantes: Réaction anodique: H2 -* 2e- + 2H+ Réaction cathodique: 02 + 2H+ + 2e- -* H2O Ces réactions anodiques et cathodiques induisent une réaction globale conduisant à la seule formation d'eau accompagné d'un dégagement de chaleur et de production d'électricité. Une pile à combustible, constituée d'un empilement en série de cellules, permet de générer voltages et puissance requis et peut ainsi être utilisée pour fournir l'énergie électrique à tout dispositif tel que par exemple un ordinateur, un téléphone portable mais elle peut être également utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans un véhicule. Structurellement, une cellule de pile à combustible comporte principalement un électrolyte qui est pris en sandwich entre les électrodes poreuses respectivement anodique et cathodique et qui assure le transfert protonique entre ces électrodes. A cet effet, l'électrolyte peut être par exemple un électrolyte solide polymère, la pile résultante étant du type PCESP (pile à combustible à électrolyte solide polymérique) ou plus particulièrement une membrane échangeuse de protons, la pile résultante étant une pile de type PCMEP (pile à combustible à membrane échangeuse de protons), ce dernier type de pile à combustible étant particulièrement intéressant pour la traction automobile à condition que l'on garantisse à la membrane une certaine humidité. L'électrolyte peut être une membrane polymère d'épaisseur de 15 à 200 m. L'assemblage électrode-électrolyte-électrode est lui-même intercalé entre deux plaques bipolaires assurant principalement la collecte du courant et également généralement la distribution des gaz réactifs. La réaction globale de la pile à combustible étant exothermique, les plaques bipolaires assurent également la distribution d'un fluide caloporteur destiné à refroidir la pile et à maintenir le c ur de la pile à une température inférieure à 90 C puisqu'au delà de cette température les performances des piles actuelles en sont diminuées. Parmi les fluides caloporteurs utilisés, l'eau déionisée présente un grand nombre des propriétés requises pour des fluides caloporteurs, à savoir une résistivité électrique élevée de l'ordre de 18 MS2.cm, une chaleur spécifique, une conductivité thermique, ainsi qu'une faible viscosité et une température d'inflammation supérieure à 90 C. Cependant, la forte corrosivité de l'eau déionisée conduit à la présence, avec le temps, d'ions organiques et minéraux provenant de l'arrachement de particules métalliques et/ou de polymères des matériaux en contact avec le fluide dans le circuit de refroidissement. Or, il est préférable qu'un fluide caloporteur présente une conductivité faible, de préférence inférieure à 5 S. cm-1, pour éviter les fuites de courant et les court-circuits. Un autre inconvénient de l'eau déionisée concerne le fait que l'eau gèle à 0 C ce qui empêche son utilisation dans des environnements froids. Cet inconvénient est cependant aisément résolu par l'addition ou l'utilisation de fluides caloporteurs connus dans le domaine de l'automobile qui restent sous forme liquide à des températures inférieures à 0 C. Par exemple, il est connu d'ajouter à l'eau déionisée un ou plusieurs antigels connus tels que de l'éthylène glycol et/ou du propylène glycol. Cependant, ce type d'addition conduit à l'augmentation de la conductivité du fluide caloporteur dus à la présence de stabilisateurs de pH et d'inhibiteurs de corrosion à base de sels normalement employés dans de tels additifs. De plus, les glycols se décomposent pour former des acides glycolique, glyoxylique et formique qui, d'une part accélèrent les processus de corrosion de composants du système de refroidissement, et d'autre part participent à l'augmentation de la conductivité du fluide caloporteur. Il existe des filtres à base de résine échangeuses d'ions qui sont utilisé pour maintenir une faible conductivité électrique en retenant les ions produits et relargués. L'inconvénient majeur de l'utilisation de ces filtres est la nécessité de remplacer régulièrement les résines pour garantir une faible conductivité. Pour accroître la durée de vie des résines, leurs 25 dimensions peuvent être augmentées avec pour conséquence un encombrement accru du système de filtration. Les autres solutions actuellement développées consistent en l'utilisation de fluides caloporteurs hydrocarbonés, siliconés ou perfluorés. Cependant, les fluides hydrocarbonées et siliconés sont souvent inflammables et/ou incompatibles avec les matériaux utilisés communément pour les joints, tuyaux et tubes tels que le silicone, l'EPDM. Aussi, les coûts élevés des fluides fluorés les réservent plutôt pour des applications militaires et spatiales et les contraintes environnementales restreignent l'utilisation de nombreux produits fluorés. 2872960 4 Dans ce contexte, l'invention vise un système de refroidissement répondant aux besoins exposés précédemment et permettant de pallier les inconvénients précités. A cet effet, le système de refroidissement pour pile à combustible comportant des moyens de circulation et de refroidissement d'un fluide caloporteur aqueux permettant d'assurer le refroidissement en continu de la dite pile est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réservoir de déionisation 5 disposé dans la ligne de circulation 1 du fluide caloporteur et comprenant au moins deux électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 auxquelles est appliqué un potentiel et qui sont plongées dans le fluide caloporteur 8 circulant à travers le réservoir de déionisation 5 de façon à assurer la déionisation du fluide caloporteur 8. Avantageusement, le système de l'invention comporte également des moyens de récupération 13, 14 de l'hydrogène et de l'oxygène formés au niveau des électrodes respectivement cathodique 7 et anodique 6 et des moyens de circulation 11, 12, 15, 16 de l'hydrogène et de l'oxygène depuis le réservoir de déionisation 5 jusqu'aux circuits d'alimentation respectifs en carburant 18 et en comburant 17 de la pile à combustible 2. A cet effet, le système peut prévoir que deux conduits appropriés 11, 12 recouvrent en leurs extrémités respectives 13, 14 au moins partiellement les électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 et que chacun des conduits 11, 12 comporte au minimum une simple vanne anti-retour 15, 16 ou une pompe 15, 16 selon la pression des fluides dans les lignes pour acheminer l'hydrogène et l'oxygène jusqu'aux circuits d'alimentation respectifs en carburant 18 et en comburant 17 de la pile à combustible 2. Préférentiellement, le système de l'invention comporte un filtre de rétention des particules et des ions résiduels 10, 24 qui est disposé dans la ligne de circulation 1 du fluide caloporteur à un endroit où le fluide caloporteur 8 qui le traverse a déjà subi l'opération de déionisation dans le réservoir de déionisation 5. On peut ainsi prévoir qu'un filtre 24 soit disposé dans le réservoir de déionisation 5 au niveau de la sortie du fluide caloporteur. On peut alternativement prévoir qu'un filtre 10 soit disposé dans la ligne de circulation du fluide 1 en 10 aval du réservoir de déionisation (5). Très avantageusement, le système de l'invention comporte également des moyens 19,20,22 pour acheminer l'eau produite au sein de la pile à combustible 2 jusqu'au réservoir de déionisation 5 afin de compenser le déficit en eau, dans le réservoir de déionisation 5, provenant de la production d'hydrogène et d'oxygène au niveau des électrodes respectivement cathodique 7 et anodique 6. Dans ce sens, un séparateur eau/gaz 20 peut être disposé en sortie de la pile à combustible 2 et ainsi l'eau, produite par la pile 2 peut circuler jusqu'au réservoir de déionisation 5. Selon l'invention, on peut prévoir que le potentiel appliqué aux électrodes 6, 7 est au moins issu d'un convertisseur 9a alimenté par la pile à combustible 2. Il est également possible de prévoir qu'une partie du potentiel appliqué aux électrodes 6, 7 soit issu d'une batterie 23. Aussi, le fluide caloporteur 8 utilisé peut être de 30 l'eau déionisée ou un mélange d'eau déionisée et d'antigel couramment utilisé. On peut enfin prévoir que le moyen de refroidissement 3 du fluide caloporteur soit un échangeur thermique 3 qui est disposé en aval du réservoir de déionisation 5. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés qui représentent des exemples non limitatifs de réalisation du procédé et du dispositif de l'invention et sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique fonctionnel du système de l'invention selon un premier mode de réalisation; la figure 2 est un schéma synoptique fonctionnel du système de l'invention selon un deuxième mode de réalisation; et la figure 3 est un schéma synoptique fonctionnel d'une partie du système de l'invention selon un troisième mode de réalisation. En référence à la figure 1, le système de refroidissement de l'invention comporte une ligne de circulation 1 du fluide caloporteur aqueux traversant notamment la pile à combustible 2 et plus particulièrement les plaques bipolaires de la pile à combustible qui ne sont pas représentés. Cette ligne de circulation 1 comporte une pompe 4 et un échangeur de chaleur 3 adapté permettant de refroidir le fluide caloporteur aqueux avant sa circulation au sein de la pile 2. Selon l'invention, le système de refroidissement comprend un réservoir de déionisation 5 qui est disposé également dans la ligne de circulation 1 en amont de l'échangeur de chaleur 3 et qui comporte deux électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 plongées dans le fluide caloporteur 8 traversant le réservoir de déionisation. Dans le cas d'une application à la traction d'un véhicule automobile, la pile à combustible 2 alimente le moteur 9 du véhicule et les deux électrodes sont également alimentées électriquement par la pile en combustible 2 via un convertisseur 9a. Ainsi, lorsque le fluide caloporteur 8 traverse le réservoir de déionisation 5 contenant les deux électrodes 6, 7 en fonctionnement, les anions et cations contenus dans le fluide s'accumulent autour des électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 par attraction électrique. Le fluide en sortie du réservoir de déionisation 5 est ainsi appauvri en ions, sa conductivité électrique reste donc suffisamment faible pour éviter les fuites de 10 courant et/ou les court-circuits. Selon le mode de réalisation présenté sur cette figure, on prévoit un filtre l'ajout du filtre est optimal de rétention des particules et ions résiduels 10 disposé dans la ligne de circulation 1 en aval du réservoir de déionisation 5 et en amont de l'échangeur 3. Ce filtre permet de récupérer les ions et les particules neutres subsistant dans le fluide 8 après son passage à travers le réservoir de déionisation 5. Selon l'invention, le système de refroidissement comporte également deux conduits 11, 12 dont les extrémités respectives 13, 14 recouvrent au moins en partie les électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 et sur chacun desquels est disposée une pompe au minimum une simple vanne anti-retour 15, 16 ou une pompe 15, 16 selon la pression des fluides dans les lignes, permettant la circulation, à travers les conduits 11, 12, des gaz émis respectivement par les électrodes anodique 6 et cathodique 7, à savoir de l'oxygène et de l'hydrogène. Selon l'invention, l'oxygène et l'hydrogène récupérés au niveau des électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 sont véhiculés, dans les conduit respectif 11, 12 jusqu'aux conduits d'alimentation en comburant 17 et en carburant 18 de la pile à combustible. Par ce système, les phénomènes de surpression dans le réservoir 5 sont évités et les alimentations en carburant et en comburant de la pile à combustible sont enrichies respectivement en hydrogène et en oxygène. La production d'hydrogène et d'oxygène au niveau des électrodes respectivement cathodique et anodique entraîne une consommation de l'eau contenue dans le fluide caloporteur. Pour compenser cette consommation d'eau, le système de l'invention prévoit qu'une partie de l'eau produite par la pile soit récupérée puis ajoutée dans le réservoir de déionisation. Pour cela, un mélange d'eau et de gaz est récupéré en sortie de la pile à combustible 2 et transporté via un conduit 19 jusqu'à un séparateur eau/gaz 20 duquel est extrait le gaz 21 et l'eau qui est amenée par l'intermédiaire d'un conduit 22 jusqu'au réservoir de déionisation 5. En référence à la figure 2, le système de refroidissement de l'invention selon un second mode de réalisation prévoit que les électrodes respectivement anodique 6 et cathodiques 7 soient alimentées par une batterie secondaire 23. En référence à la figure 3, dans le système de refroidissement de l'invention selon un troisième mode de réalisation, le filtre de rétention des particules et ions résiduels 10 est disposé dans le réservoir de déionisation 5 ce qui permet de diminuer l'encombrement du système de refroidissement. Le système de l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits précédemment. Par exemple, il est possible de prévoir, dans le système de l'invention, un réservoir de déionisation contenant plus de deux électrodes. Bien entendu, bien que les systèmes de refroidissement représentés en figures 1 à 3 concernent des systèmes pour piles à combustible utilisées dans le domaine de l'automobile, on peut prévoir une utilisation du système de refroidissement pour des piles à combustible appliquées à un autre domaine. 2872960 10 REVENDICATIONS 1. Système de refroidissement pour pile à combustible comportant des moyens de circulation et de refroidissement d'un fluide caloporteur aqueux permettant d'assurer le refroidissement de la dite pile, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réservoir de déionisation (5) disposé dans la ligne de circulation (1) du fluide caloporteur et comprenant au moins deux électrodes respectivement anodique (6) et cathodique (7) auxquelles est appliqué un potentiel et qui sont plongées dans le fluide caloporteur (8) circulant à travers le réservoir de déionisation (5) de façon à assurer la déionisation du fluide caloporteur (8). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de récupération (13, 14) de l'hydrogène et de l'oxygène formés au niveau des électrodes respectivement cathodique (7) et anodique (6) et des moyens de circulation (11, 12, 15, 16) de l'hydrogène et de l'oxygène depuis le réservoir de déionisation (5) jusqu'aux circuits d'alimentation respectifs en carburant (18) et en comburant (17) de la pile en combustible (2). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux conduits (11, 12) appropriés recouvrent en leurs extrémités respectives (13, 14) au moins partiellement les électrodes respectivement anodique (6) et cathodique (7) et en ce que chacun des conduits (11, 12) comporte au minimum une simple vanne anti-retour 15, 16 ou une pompe (15, 16) selon la pression des fluides dans les lignes pour acheminer l'hydrogène et l'oxygène jusqu'aux circuits d'alimentation respectifs en carburant (18) et en comburant (17) de la pile en combustible (2). 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre de rétention des particules et des ions résiduels (10, 24) qui est disposé dans la ligne de circulation (1) du fluide caloporteur à un endroit où le fluide caloporteur (8) qui le traverse a déjà subi l'opération de déionisation dans le réservoir de déionisation (5). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le filtre (24) est disposé dans le réservoir de déionisation (5) au niveau de la sortie du fluide caloporteur. 6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le filtre (10) est disposé dans la ligne de circulation du fluide (1) en aval du réservoir de déionisation (5). 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (19, 20, 22) pour acheminer l'eau produite au sein de la pile à combustible (2) jusqu'au réservoir de déionisation (5) afin de compenser le déficit en eau, dans le réservoir de déionisation (5), provenant de la production d'hydrogène et d'oxygène au niveau des électrodes respectivement cathodique (7) et anodique (6). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un séparateur eau/gaz (20) disposé en sortie de la pile à combustible (2) par lequel l'eau, produite par la pile (2), circule jusqu'au réservoir de déionisation (5). 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le potentiel appliqué aux électrodes (6, 7) est au moins issu d'un convertisseur (9a) alimenté par la pile à combustible (2). 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie du potentiel appliqué aux électrodes (6, 7) est issu d'une batterie (23). 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur (8) est de l'eau déionisée. 12. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le fluide caloporteur (8) comprend de l'eau déionisée et au moins un antigel couramment utilisé. 13. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de refroidissement (3) du fluide caloporteur est un échangeur thermique (3) qui est disposé en aval du réservoir de déionisation (5).