Brevet FR2877495A3 — publié le 20060505

FR 2877495 A3 20060505 FR 0510497 A 20051014 APPAREIL A PILE A COMBUSTIBLE DE MODULE A REACTION La présente invention se rapporte à une pile à combustible, en particulier un appareil à pile à combustible d'un module à réaction, qui intègre une unité de gestion de l'énergie et une pile à combustible dans une carte de circuit imprimé pour former une pile à combustible à gestion d'énergie. Une pile à combustible commune utilise. un combustible, tel que du méthanol hydrogéné, pour former une boucle de courant créant une source d'énergie par l'intermédiaire d'une réaction d'oxydoréduction. Le réactif requis par ce type de pile à combustible est un combustible de méthanol similaire à un combustible liquide, et le produit principal après la réaction est de l'eau et du dioxyde de carbone de sorte que la structure de réservoir de la pile à combustible soit remplie de combustible liquide et le mécanisme entraîne l'écoulement du combustible. Une pile à combustible commune nécessite des conditions stables de concentration de combustible, de flux de combustible et de température admissible pour obtenir une meilleure efficacité de la production d'énergie, mais ce type de pile à combustible utilisée ne comprend pas de capteur ou de gestion pour les conditions connexes. Par conséquent, la présente invention a pour objet de résoudre les inconvénients des piles à combustible actuelles et propose des améliorations dans le but de réaliser un appareil à pile à combustible de module à réaction. Le premier objet de la présente invention est de proposer un appareil à pile à combustible à une seule carte ayant une capacité de gestion de l'énergie et de production d'une tension stable. Un second objet de la présente invention est de proposer un appareil à pile à combustible à une seule carte capable de transmettre en retour l'état actuel de la pile à combustible et de produire une tension stable. Plus précisément, la présente invention se rapporte à un appareil à pile à combustible de module à réaction, comprenant: - au moins une unité de pile à combustible, - une unité de gestion de l'énergie, utilisée pour gérer l'efficacité de l'énergie produite par l'unité de pile à combustible, et comprenant: * un module de détection, utilisé au moins pour détecter la variation de la température du combustible, la variation du niveau de liquide du combustible, la variation de la concentration du combustible utilisé dans la réaction électrochimique effectuée par l'unité de pile à combustible et servant à produire les signaux détectés correspondant à ces variations, * une interface d'entrée/sortie, utilisée pour fournir des circuits conducteurs pour le signal et 25 l'énergie électrique, * un module de tension constante, qui raccorde l'unité de pile à combustible et reçoit l'énergie électrique produite par l'unité de pile à combustible puis produit une tension stable d'alimentation électrique, * un microprocesseur, utilisé pour gérer l'efficacité de l'énergie de l'unité de pile à combustible basée sur ces signaux détectés et le signal reçu de l'interface d'entrée/sortie, et * une boucle électrique, servant à raccorder électriquement l'unité de pile à combustible, le module de détection, l'interface d'entrée/sortie, le module de tension constante et le microprocesseur. Selon des modes de réalisation préférés de la 10 présente invention: l'unité de pile à combustible et l'unité de gestion d'énergie sont placées ensemble sur le même circuit imprimé ; - le circuit imprimé est la carte de circuit 15 imprimé ( PCB en abrégé); - l'interface d'entrée/sortie est choisie dans le groupe composé d'un connecteur et d'un ensemble de contacts en or; - le module de détection comprend au moins un 20 détecteur de température, un détecteur de niveau de liquide, et un détecteur de concentration; - le dispositif de détecteur est fabriqué par la technologie de microsystème électromécanique ( MEMS en abrégé); l'appareil à pile à combustible de module à réaction comprend également un appareil d'alimentation de combustible utilisé pour fournir le combustible à l'unité de pile à combustible; - le flux de combustible fourni par l'appareil 30 d'alimentation de pile à combustible peut être contrôlé par le microprocesseur; - l'appareil d'alimentation de combustible est relié électriquement à l'interface d'entrée/sortie; - l'appareil à pile à combustible de module à réaction comprend également un appareil de recyclage de combustible; - l'appareil de recyclage de combustible est relié électriquement à l'interface d'entrée/sortie; - la pile à combustible est une pile à combustible liquide; - la pile à combustible est une pile à combustible à gaz; - la pile à combustible est fabriquée par la technique du circuit imprimé ; - le module de tension constante et le 15 microprocesseur sont intégrés dans un seul dispositif électronique; et - le module de tension constante et le microprocesseur forment tous deux un dispositif électronique unitaire. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence à des exemples de réalisation illustrés par les dessins annexés qui représentent respectivement: - la figure 1, une vue schématique illustrant la structure d'un appareil à pile à combustible de module à réaction de la présente invention, - la figure 2, un diagramme à blocs de l'appareil à pile à combustible de module à réaction de la 30 présente invention, - la figure 3, une vue schématique présentant un mode de réalisation de l'appareil à pile à combustible de module à réaction de la présente invention, - la figure 4A, une vue schématique illustrant un 5 mode de réalisation d'une interface d'entrée/sortie de la présente invention, et - la figure 4B, une vue schématique représentant un autre mode de réalisation de l'interface d'entrée/sortie de la présente invention. La figure 1 illustre la structure d'un appareil à pile à combustible de module à réaction conforme à la présente invention, la figure 2 présente le schéma de principe de l'appareil à pile à combustible du module à réaction de la présente invention, et la figure 3 illustre le mode de réalisation de l'appareil à pile à combustible du module à réaction de la présente invention. Selon une caractéristique de la structure de la présente invention illustrée sur la figure 1, les moyens mis en uvre de l'appareil à pile à combustible 10 du module à réaction utilisent par exemple un élément commun de circuit imprimé ( PCB ) 19 permettant de fabriquer une unité de pile à combustible 13 et un circuit en cuivre sur lequel sont également soudés plusieurs composants électroniques actifs et passifs 21 tels qu'un détecteur, un microprocesseur, une résistance et un condensateur, pour constituer une unité de gestion d'énergie 11 selon la présente invention. Comme l'appareil à pile à combustible 10 du module à réaction est capable de gérer l'énergie, il rend l'unité de pile à combustible 13 capable de produire efficacement et de façon stable de l'énergie électrique au cours de la réaction électrochimique, sous le contrôle de capteurs 111a, lllb et 111c, et le contrôle d'un microprocesseur 115 et d'un module de tension constante 119. Sur les figures 1 à 3, l'appareil à pile à combustible 10 du module à réaction comprend principalement au moins une unité de pile à combustible 13 et une unité de gestion de l'énergie 11 qui sont respectivement décrites ci-dessous. L'unité de pile à combustible 13 reçoit le combustible fourni par une anode et une cathode pour produire de l'énergie électrique par réaction électrochimique. L'unité de gestion de l'énergie 11 sert à gérer l'efficacité de l'énergie produite par l'unité de pile à combustible 13 afin de gérer le combustible de l'anode et le combustible de la cathode dans les meilleures conditions pour l'alimentation de l'unité de pile à combustible 13. L'unité de gestion de l'énergie 11 comprend un module de détection 111, une interface d'entrée/sortie 113, le microprocesseur 115, une boucle électrique 117 et le module de tension constante 119, et elle raccorde également électriquement les autres composants de l'unité de gestion de l'énergie 11 et de l'unité de pile à combustible 13 au moyen de la boucle électrique 117. Les moyens mis en oeuvre dans le module de détection 11 sont capables d'utiliser respectivement les détecteurs qui suivent. Le détecteur de niveau de liquide llla sert à détecter la hauteur présente de liquide du combustible de l'anode. Le détecteur de concentration illb sert à détecter la concentration présente du combustible de l'anode. Le détecteur de température hic sert à détecter la température en cours du combustible de l'anode et du combustible de la cathode. Ces détecteurs llla, lllb et 111c sont capables de raccorder le signal détecté à l'interface d'entrée/sortie 113 par l'intermédiaire de la boucle électrique 117, et de conduire ce signal vers l'extérieur, et également de raccorder le signal au microprocesseur 115 par l'intermédiaire de la boucle électrique 117. Les dispositifs de détection utilisés par le module de détection 111 utilisent éventuellement des dispositifs fabriqués par la technologie dite de microsystème électromécanique ( MEMS ). En référence respectivement aux exemples de réalisation de l'interface d'entrée/sortie 113 illustrés sur les figures 4A et 4B, l'interface d'entrée/sortie 113 est utilisée pour fournir un circuit conducteur pour les signaux et l'énergie électrique, et les moyens mis en oeuvre peuvent être un connecteur, des contacts en or ou équivalent. L'appareil à pile à combustible 10 du module à réaction selon la présente invention effectue un échange d'informations avec un appareil et un équipement électronique externe par l'intermédiaire de l'interface d'entrée/sortie 113, et il est prévu que l'énergie électrique produite par l'appareil à pile à combustible 13 soit conduite vers l'extérieur par l'intermédiaire de l'interface d'entrée/sortie 113. Le type de signal transmis par l'interface d'entrée/sortie 113 peut être un signal analogique ou un signal numérique. Ces signaux peuvent être un signal de variation de la température 113a, un signal de variation de la concentration 113b, un signal de variation du niveau de liquide 113c, ou un autre signal de gestion 113d. Ces signaux peuvent utiliser I2C et SMBus comme moyens de conduction pour conduire les signaux numériques 113e qui représentent les informations de variation de la température, les informations de variation de la concentration, les informations de variation du niveau de liquide, et les autres informations de gestion. En outre, les symboles (+) et (-) indiqués sur la figure 4A et sur la figure 4B représentent respectivement les électrodes positive et négative des tensions stables de l'alimentation électrique produite par le module de tension constante 119. La fonction du microprocesseur 115 est globalement de gérer l'unité de pile à combustible 13 afin que l'unité de pile à combustible 13 offre la plus grande efficacité d'énergie électrique possible de façon à utiliser le microprocesseur pour l'application souhaitée. Le microprocesseur 115 reçoit les signaux détectés et les signaux transmis depuis l'interface d'entrée/sortie 113, tels que le signal de variation de température, le signal de variation du niveau de liquide, le signal de variation de concentration, pour traiter le combustible de l'anode et le combustible de la cathode dans les meilleures conditions afin d'alimenter l'unité de pile à combustible 13. En outre, le microprocesseur 115 est également capable d'envoyer un signal de gestion au module de tension constante 119 pour désigner la valeur de tension produite par le module de tension constante 119. Les moyens mis en uvre dans boucle électrique 117 comprennent au moins un circuit en cuivre qui est formé dans le circuit imprimé 19. En outre, l'appareil à pile à combustible 10 du module à réaction selon la présente invention comprend également un appareil d'alimentation de combustible 15 et un appareil de recyclage de combustible 17. L'appareil d'alimentation de combustible 15 est monté à l'extérieur pour fournir le combustible de l'anode ou le combustible de la cathode à l'unité de pile à combustible 13, et le flux d'alimentation du combustible de l'anode ou du combustible de la cathode peut être géré par le microprocesseur 115. En outre, l'appareil d'alimentation de combustible 15 est équipé en option et relié électriquement à l'interface d'entrée/sortie 113. L'appareil de recyclage de combustible 17 sert à recueillir le combustible de l'anode ou le combustible de la cathode qui s'écoule de l'unité de pile à combustible 13, puis à recycler le combustible de l'anode ou le combustible de la cathode pour les réutiliser. L'appareil de recyclage de combustible 17 est équipé en option et relié électriquement à l'interface d'entrée/sortie 113. En outre, le microprocesseur 115 peut contrôler l'appareil d'alimentation de combustible 15 et l'appareil de recyclage de combustible 17 pour que des combustibles concentrés différents puissent être recyclés. Le module de tension constante 119 est relié entre l'unité de pile à combustible 13 et le microprocesseur 115 afin de recevoir l'énergie électrique produite par l'unité de pile à combustible 13, puis il produit la tension stable de l'alimentation électrique qui est reliée à l'interface d'entrée/sortie 113. En outre, le module de tension constante 119 et le microprocesseur 115 peuvent être intégrés dans un seul dispositif électronique commun, ou former respectivement chacun un dispositif électronique unitaire. L'appareil à pile à combustible 10 du module à réaction selon la présente invention peut être appliqué à un système de pile à combustible liquide tel qu'un système de pile à combustible à méthanol, et à un système de pile à combustible à gaz tel qu'un système de pile à combustible hydrooxygène. L'appareil à pile à combustible du module à réaction selon la présente invention présente les avantages et améliorations qui suivent. - au moins une unité de pile à combustible et une unité de gestion de l'énergie sont placées ensemble sur un même circuit imprimé selon le mode de réalisation préféré, afin d'obtenir facilement un système de pile à combustible léger, fin, et de petite dimension; - l'appareil à pile à combustible du module à réaction offre une caractéristique de modulation aisée et fait circuler les informations par l'intermédiaire de l'interface d'entrée/sortie, de façon à pouvoir monter et construire une structure à cartes multiples pour un appareil à pile à combustible de module à réaction, et il peut également être facilement intégré dans un appareil à alimentation polyvalente tel qu'un ordinateur bloc-notes, un téléphone mobile ou un assistant numérique personnel; et - l'appareil à pile à combustible du module à réaction offre une sortie de tension stable de l'alimentation électrique de façon à créer une source électrique de grande qualité pour les appareils alimentés. Il doit être bien entendu toutefois que la description détaillée, donnée uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'Invention, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une unité de pile à combustible (13), - une unité de gestion de l'énergie (11), utilisée pour gérer l'efficacité de l'énergie produite par l'unité de pile à combustible (13), et comprenant: * un module de détection (111), utilisé au moins pour détecter la variation de la température du combustible, la variation du niveau de liquide du combustible, la variation de la concentration du combustible utilisé dans la réaction électrochimique effectuée par l'unité de pile à combustible (13) et servant à produire les signaux détectés correspondant à ces variations, * une interface d'entrée/sortie (113), utilisée pour fournir des circuits conducteurs pour le signal et l'énergie électrique, * un module de tension constante (119), qui raccorde l'unité de pile à combustible (13) et reçoit l'énergie électrique produite par l'unité de pile à combustible (13) puis produit une tension stable d'alimentation électrique, * un microprocesseur (115), utilisé pour contrôler l'efficacité de l'énergie de l'unité de pile à combustible (13) basée sur ces signaux détectés et le signal reçu de l'interface d'entrée/sortie (113), et * une boucle électrique (117), servant à raccorder électriquement l'unité de pile à combustible (13), le module de détection (111), l'interface d'entrée/sortie (113), le module de tension constante (119) et le microprocesseur (115). 2. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de pile à combustible (13) et l'unité de gestion d'énergie (11) sont placées ensemble sur le même circuit imprimé. 3. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit imprimé est la carte de circuit imprimé. 4. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface d'entrée/sortie (113) est choisie dans le groupe composé d'un connecteur et d'un ensemble de contacts en or. 5. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de détection (111) comprend au moins un détecteur de température (111c), un détecteur de niveau de liquide (llla), et un détecteur de concentration (lllb). 6. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de détecteur est fabriqué par la technologie de microsystème électromécanique. 7. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un appareil d'alimentation de combustible (15) utilisé pour fournir le combustible à l'unité de pile à combustible (13). 8. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le flux de combustible fourni par l'appareil d'alimentation de pile à combustible (15) est contrôlable par le microprocesseur (115). 9. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'appareil d'alimentation de combustible (15) est relié électriquement à l'interface d'entrée/sortie (113). 10. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un appareil de recyclage de combustible (17). 11. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'appareil de recyclage de combustible (17) est relié électriquement à l'interface d'entrée/sortie (113). 12. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pile à combustible (13) est une pile à combustible liquide. 13. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pile à combustible (13) est une pile à combustible à gaz. 14. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pile à combustible (13) est fabriquée par la technique du circuit imprimé. 15. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de tension constante (119) et le microprocesseur (115) sont intégrés dans un seul dispositif électronique. 16. Appareil à pile à combustible (10) de module à réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de tension constante (119) et le microprocesseur (115) forment tous deux le dispositif électronique unitaire.