Brevet FR2897984A1 — publié le 20070831

"Dispositif d'asservissement de la pression du fluide caloporteur dans un système pile à combustible et applications". La présente invention concerne un dispositif d'asservissement de la pression du fluide caloporteur dans un système pile à combustible. La présente invention concerne également l'application d'un tel dispositif dans le domaine de l'automobile. 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. En référence à la figure 1 qui représente un système pile à combustible 1 de l'art antérieur, une telle pile comprend deux compartiments respectivement cathodique 2 et anodique 3 au sein desquelles se produisent les réactions respectivement cathodique et anodique suivantes . Réaction cathodique : 02 + 2H+ + 2e- -* H2O Réaction anodique : H2 -* 2e- + 2H+ Les compartiments cathodique 2 et anodique 3 sont séparés par un électrolyte 32 qui, dans le domaine de l'automobile, est généralement une membrane échangeuse de protons (PEMFC). En aval de ces compartiments cathodique 2 et anodique 3 sont respectivement montées une ligne d'échappement cathodique 4 et une ligne d'échappement anodique 5 véhiculant les sous produits des réactions tels que l'eau et le comburant et/ou carburant non consommés, vers l'extérieur du système 1. En ce qui concerne l'alimentation en comburant, le 35 débit d'air fourni au compartiment cathodique 2 peut être généré par un compresseur 7. Pour ce qui est du carburant, celui-ci peut être acheminé vers le compartiment anodique 3 depuis un système de stockage adapté 8, le débit d'hydrogène fourni au compartiment anodique 3 pouvant être contrôlé par un détendeur 9. Par ailleurs, afin de ne pas dégrader la membrane 32 par perçage par exemple, le pilotage de la pression et/ou du débit de comburant et/ou de carburant permet de maintenir la pression en comburant approximativement égale à la pression en carburant. La réaction en jeu étant exothermique, il est prévu un circuit de refroidissement 10 permettant de faire circuler un fluide caloporteur dans un conduit de refroidissement 15 dans le système pile à combustible 1 afin que la chaleur dégagée par cette réaction soit captée par le fluide caloporteur. Le circuit de refroidissement comprend un réservoir de fluide caloporteur 11 comportant une partie en air 12 et une partie en fluide caloporteur 13, le réservoir 11 étant muni d'un bouchon hermétique 14 permettant de remplir le circuit de refroidissement 10 en fluide caloporteur en ôtant le bouchon 14 et en versant du fluide caloporteur par l'orifice ainsi dégagé. Le circuit de refroidissement 10 comprend également 25 un module de refroidissement 16 au travers duquel le fluide circule et est ainsi refroidi. La circulation du fluide caloporteur dans le conduit de refroidissement 15 est assurée par une pompe 17 représentée en amont du système pile à combustible sur 30 la figure 1 mais pouvant être disposée au choix en aval de ce système. Le fluide de refroidissement peut être de l'eau ou tout autre liquide de refroidissement comme de l'eau glycolée. 35 Dans un tel système, le conduit de refroidissement n'est pas parfaitement étanche avec le compartiment cathodique 2 d'une part et le compartiment anodique 3 d'autre part, ce dont il résulte les problèmes suivants. D'abord, le fluide caloporteur peut fuir dans le compartiment cathodique 2 et/ou dans le compartiment anodique 3. Une telle fuite peut entraîner la vidange du circuit de refroidissement 10, mais peut également conduire à la formation de bouchons d'eau obstruant les compartiments cathodique 2 et anodique 3 et/ou à la pollution de la membrane 32 si le fluide caloporteur n'est pas de l'eau pure. De telles perturbations peuvent conduire à la baisse des performances de la pile mais également à sa mise hors service. Une autre conséquence de l'absence d'étanchéité précitée est la fuite du comburant dans le conduit de refroidissement 10, ce qui a pour conséquence une diminution des capacités de refroidissement du fluide caloporteur et une diminution des performances du système de refroidissement pouvant alors conduire jusqu'à la mise hors service de la pile. Enfin, de la même façon, l'hydrogène, peut également fuir dans le conduit de refroidissement 15 ce qui peut engendrer la formation de zones ATEX (ATmosphère EXplosive) susceptibles d'explosion. La présente invention permet de pallier en tout ou partie les inconvénients précités par des moyens simples de mise en oeuvre et de faible encombrement. A cet effet, le dispositif de l'invention est conforme à la description ci-dessus et est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de jonction entre la partie en air du réservoir de fluide caloporteur et la ligne d'échappement cathodique ou anodique de façon à former une dépression locale permettant de maintenir la pression du fluide caloporteur inférieure ou sensiblement égale à la pression du comburant et du carburant. Avantageusement, le dit moyen de jonction est un tronçon de tube dont l'extrémité libre située dans la dite ligne d'échappement cathodique ou anodique est biseauté, l'angle du biseau étant adapté aux paramètres du système. De préférence, le dispositif de l'invention comporte un moyen de passage de bulles de gaz depuis le circuit de refroidissement jusqu'au réservoir de fluide caloporteur de façon à évacuer du système pile à combustible le comburant et/ou le carburant éventuellement présents dans le fluide caloporteur. Selon un mode préféré de l'invention, le dit moyen de jonction est disposé entre la partie en air du réservoir de fluide caloporteur et la ligne d'échappement cathodique. Préférentiellement, le carburant est de l'hydrogène et le comburant est l'oxygène. Enfin, le dispositif de l'invention trouve application pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation électrique de tout système en nécessitant dans un véhicule automobile. 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 dispositif de l'invention et sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système pile à combustible de l'art antérieur ; - la figure 2 est une représentation schématique du dispositif de l'invention ; - la figure 3 représente la partie cerclée III de la figure 2 ; et - la figure 4 est une représentation schématique 35 partielle d'une variante du dispositif de l'invention. Les références des éléments de l'art antérieur qui sont communs avec ceux du dispositif de l'invention seront reprises dans la description ci-après. En référence à la figure 2, le réservoir de fluide caloporteur munie du bouchon 14 et comportant une partie inférieure en fluide caloporteur 13 et une partie supérieure en air 12, est disposé en aval du système pile à combustible 1 qui comprend le compartiment anodique 3, le compartiment cathodique 2 et sa ligne d'échappement 4, en étant relié au conduit de refroidissement 15 par une liaison 24. En référence à cette même figure, un tronçon de tube 18 s'étend depuis le réservoir du fluide caloporteur 11 jusqu'à la ligne d'échappement cathodique 4 en traversant de façon hermétique la paroi du réservoir 20 et la paroi de la ligne d'échappement 21a. Par ailleurs, dans le dispositif de l'invention, l'extrémité libre de ce tronçon de tube 19 qui est disposé dans la ligne d'échappement cathodique 4 est biseautée, le biseau étant orienté vers la sortie 21 de la ligne d'échappement 4. De plus, le dispositif comprend un séparateur de phase 22 monté sur le circuit de refroidissement 10 en aval du conduit de refroidissement 15 et en amont du réservoir de fluide caloporteur 11. Plus précisément, le séparateur 22 est relié d'une part au conduit de refroidissement 15 par la liaison 25 et d'autre part au réservoir de fluide caloporteur 11 par la liaison 23. Par ailleurs, le séparateur 22 comporte une troisième voie permettant de véhiculer le fluide caloporteur circulant dans la liaison 25 vers le module de refroidissement 16 non représenté sur cette figure et qui est relié au séparateur 22 par la liaison 26. Ce séparateur 22 autorise, d'une part la circulation du fluide caloporteur depuis le conduit de refroidissement 15 vers le module de refroidissement 16, et d'autre part la circulation du fluide caloporteur depuis le réservoir 11 et vers le conduit de refroidissement 15 via le module de refroidissement 16 lorsque le circuit de refroidissement 10 présente un manque en fluide caloporteur. Par ailleurs, ce séparateur 22 permet d'orienter les bulles de gaz éventuellement présentes dans le fluide caloporteur en sortie du conduit de refroidissement 15 exclusivement vers le réservoir de fluide caloporteur 12. Enfin, le pilotage du système assure la régulation des pressions d'air et d'hydrogène, étant entendu que le dispositif de l'invention présente un intérêt d'autant plus important que les pressions en comburant et en carburant sont approximativement égales. En référence à la figure 4, le réservoir de fluide caloporteur 11 et le séparateur 22 peuvent être montés en amont du conduit de refroidissement 15. Le fonctionnement du dispositif de l'invention est décrit ci-après. Le dispositif de l'invention tel qu'il est décrit précédemment permet de maintenir la pression du fluide caloporteur à une valeur inférieure ou à une valeur proche de la pression de l'air circulant dans le compartiment cathodique 2. Il est rappelé que les pressions en hydrogène et en oxygène sont très proches ce dont il résulte que la pression du fluide caloporteur sera ainsi également inférieure ou égale à la pression de l'hydrogène circulant dans le compartiment anodique 3. Par ailleurs, le dispositif de l'invention peut également permettre d'évacuer l'hydrogène et l'air ayant pu fuir de leurs compartiments respectifs cathodique 2 et anodique 3 dans le fluide caloporteur. En référence à la figure 2, les pressions dans le 35 dispositif de l'invention se répartissent de la façon suivante. P1 est la pression du gaz dans le compartiment cathodique 4 et dans la ligne d'échappement cathodique 4 en sortie de ce compartiment cathodique 2. P2 est la pression du gaz dans la ligne 5 d'échappement cathodique 4 au niveau de l'extrémité libre 19 du tronçon de tube 18. P3 est la pression du gaz dans la ligne d'échappement cathodique 4 à l'entrée du tronçon de tube 18 et ainsi également la pression dans la partie en air 10 12 du réservoir de fluide caloporteur 11. P4 est la pression du fluide caloporteur dans la liaison 23 entre le réservoir 11 et le séparateur 22. P5 est la pression du fluide caloporteur sur la liaison 24 en sortie du conduit de refroidissement 15. 15 L'objectif de l'invention est que P5 soit inférieur ou sensiblement égal à pl. Lorsque le système pile à combustible est en phase d'arrêt, aucun fluide ne circule dans le système ce dont il résulte que P1 est égal à P5, c'est-à-dire que la 20 pression de l'oxygène est égale à la pression du fluide caloporteur. Par ailleurs, comme la pression de l'hydrogène est sensiblement égale à la pression de l'oxygène, il en résulte que la pression de l'hydrogène est aussi égale à 25 la pression du fluide caloporteur. Cette égalité des pressions permet la minimisation des fuites d'oxygène et d'hydrogène dans le fluide caloporteur et inversement la minimisation des fuites de fluide caloporteur dans les compartiments cathodiques 2 30 et anodique 3. Pendant le fonctionnement du système pile à combustible 1, P1 est supérieure à P2 du fait de la perte de charge sur les gaz engendrée par la ligne d'échappement 4, P2 est supérieure à P3 du fait de la 35 dépression locale due à la perturbation de l'écoulement provenant du biseau de l'extrémité libre 19 du tronçon de tube 18, P3 est sensiblement égale à P4 puisqu'il n'y a pas d'écoulement de fluide caloporteur dans la liaison 23 et P4 est inférieure à P5 du fait de la perte de charge dans la liaison 24 entre le conduit de refroidissement 15 et le séparateur 22. Ainsi, l'homme du métier adaptera le biseau de l'extrémité libre 19 du tronçon de tube 18 de façon que la dépression créée au niveau de cette extrémité libre et représentée par la flèche sur la figure 3, conduise à l'objectif selon lequel la pression du fluide caloporteur est inférieure ou égale à la pression de l'air. Plus précisément, cet objectif sera atteint tant que l'écart de pression P2 - P3 provenant de la dépression locale au niveau du biseau sera supérieur ou égal à la différence entre l'écart de pression P5 - P4 et l'écart de pression P1 - P2 provenant respectivement des pertes de charge sur le circuit de refroidissement et sur la ligne d'échappement cathodique. Ainsi, par le dispositif de l'invention, les fuites de fluide caloporteur vers les compartiments anodiques et 20 cathodiques sont minimisées. Par ailleurs, en cas de fuite d'hydrogène et/ou d'air vers le fluide caloporteur, les bulles d'hydrogène et/ou d'oxygène dans ce fluide caloporteur passeront à travers le séparateur 22 et seront orientées vers la 25 partie en air 12 du réservoir de fluide caloporteur 11, puis seront évacuées vers l'extérieur du système via la ligne d'échappement cathodique 4. Dans le cadre de l'invention, il peut être prévu que le tronçon de tube 18 soit raccordé à la ligne 30 d'échappement anodique. Cependant, cette conception du dispositif de l'invention est moins avantageuse puisqu'il pourra en résulter une accumulation d'hydrogène dans le réservoir de fluide caloporteur 11, ce qui peut être dangereux. 35 Ainsi, le dispositif de l'invention permet d'une part, d'éviter les fuites de fluide caloporteur dans les compartiments anodique et cathodique et d'autre part, d'évacuer du système pile à combustible 1 l'hydrogène et l'oxygène ayant éventuellement fuit dans le fluide caloporteur. Aussi, les moyens utilisés dans le dispositif de l'invention sont simples et ne nécessitent l'intervention ni d'un superviseur, ni d'un actionneur particulier. En effet, le dispositif utilise avantageusement un composant déjà présent sur les systèmes existants, à savoir le réservoir de fluide caloporteur, et nécessite donc une faible adaptation pour être opérationnel ainsi qu'un faible supplément d'encombrement. Enfin, le dispositif de l'invention est un dispositif d'asservissement en ce sens qu'il fonctionne quelque soit l'état du système puisque l'augmentation du débit d'air dans la ligne d'échappement cathodique 4 conduira à l'augmentation de l'écart de pression entre P3 et P2 et ainsi à l'augmentation de l'écart de pression entre P5 et P4. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'asservissement de la pression du fluide caloporteur dans un système pile à combustible (1) comprenant au moins un compartiment anodique alimenté en carburant (3) et un compartiment cathodique alimenté en comburant (2) en aval desquels sont respectivement montées une ligne d'échappement anodique (5) et une ligne d'échappement cathodique (4), et un conduit de refroidissement (15) monté sur un circuit de refroidissement (10) au moins muni d'un réservoir de fluide caloporteur (11) comportant une partie en air (12) et une partie en fluide caloporteur (13), caractérisé en ce que le dit dispositif comprend un moyen de jonction (18) entre la partie en air (12) du réservoir de fluide caloporteur (11) et la ligne d'échappement cathodique (4) ou anodique (5), de façon à former une dépression locale permettant de maintenir la pression du fluide caloporteur inférieure ou sensiblement égale à la pression du comburant et du carburant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit moyen de jonction (18) est un tronçon de tube (18) dont l'extrémité libre (19) située dans la dite ligne d'échappement cathodique (4) ou anodique (5) est biseautée, l'angle du biseau étant adapté aux paramètres du système. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de passage de bulles de gaz (22) depuis le circuit de refroidissement (10) jusqu'au réservoir de fluide caloporteur (11) de façon à évacuer du système pile à combustible (1) le comburant et/ou le carburant éventuellement présents dans le fluide caloporteur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dit moyen de jonction (18) est disposé entre la partie en air 11 (12) du réservoir de fluide caloporteur (11) et la ligne d'échappement cathodique (4). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carburant est de l'hydrogène et en ce que le comburant est l'oxygène. 6. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation électrique de tout système en nécessitant dans un véhicule automobile.