Brevet FR2886061A1 — publié le 20061124

La présente invention concerne les piles à combustible à membrane échangeur de protons (PEM) comprenant un compartiment air et un compartiment hydrogène inséré dans un circuit d'hydrogène relié à un circuit de purge comprenant une électrovanne de purge, et des bornes de sortie de courant électrique généré par la pile, destinées à être relié à un circuit utilisateur. Dans ce type de pile à combustible, en fonctionnement, une certaine quantité de l'azote présent côté air permée à travers la membrane et se retrouve côté hydrogène. Ce débit d'azote doit être évacué pour éviter qu'il empêche l'accès de l'hydrogène aux électrodes (phénomène dit d'étouffement ). D'autres éléments pouvant aboutir à l'étouffement du côté hydrogène sont la présence d'impuretés indésirables dans le gaz d'alimentation ou la formation de petits trous dans la membrane (juste avant la fin de vie de cette dernière). De manière connue, on réalise l'évacuation de l'azote ayant ainsi perméé en purgeant le circuit d'hydrogène. Cette purge doit en outre évacuer l'eau liquide produite dont une partie se retrouve dans le compartiment hydrogène. Le réglage du débit de cette purge est délicat : il convient à la fois d'assurer un débit suffisant pour évacuer une quantité suffisante de gaz dans tous les cas (régime de fonctionnement, taux d'impuretés inertes dans l'hydrogène, débit de l'eau liquide qui permée, température, et surtout début ou fin de vie de la membrane). En particulier, la quantité d'hydrogène à purger augmente au cours de la vie des membranes en fonction du vieillissement de ces derniers. Ainsi, dans les systèmes connus, avec réglage à priori des quantités à purger, on est classiquement amené à surdimensionner le débit de purge, ce surdimensionnement étant toutefois préjudiciable au rendement global du système car du combustible (H2) est perdu sans avoir été utilisé. De plus, dans certaines applications, on demande un fonctionnement continu de la pile à combustible. Ainsi, la durée de vie des membranes doit être garantie par des maintenances préventives des systèmes. Or, des perforations soudaines peuvent apparaître dans les membranes proches de leur fin de vie, qui amènent à augmenter la fréquence des maintenances préventives ou à diminuer le taux de disponibilité, ce qui dans tous les cas est préjudiciable à l'équation économique de la pile à combustible dans les applications envisagées. La présente invention a pour objet de proposer un système et un procédé de contrôle simples et efficaces, permettant un ajustement automatique du taux de purges du système en fonctionnement, permettant ainsi d'éviter une surévaluation des quantités d'hydrogène purgées et de détecter l'apparition de disfonctionnements, dus à des présences excessives de contaminants et / ou à des micro-perforations des membranes bien avant des conditions de disfonctionnement aggravées nécessitant l'arrêt du système et autorisant ainsi la réduction du rythme des maintenances préventives. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le système pile à combustible comprend des moyens de mesure de la tension aux bornes de sortie et du courant électrique délivré par la pile, et des moyens de comparaison des variations de tension et de courant par rapport à une valeur déterminée pour actionner sélectivement la vanne de purge. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé de contrôle de fonctionnement d'une telle pile à combustible comprend les étapes de mesurer en permanence la tension U aux bornes de sortie et le courant 1 délivré, d'associer les variations de tension AU et d'intensité İ suivant la formule AN = AU - R İ, où R est un coefficient dépendant des paramètres de fonctionnement du système, de comparer AN à une valeur du seuil déterminée S, et de provoquer une purge du circuit d'hydrogène quand AN devient supérieur à S. Selon un aspect de l'invention, le procédé comprend en outre l'étape de mesurer la fréquence entre purges pour avantageusement émettre un signal d'alerte quand la fréquence tombe en dessous d'un seuil prédéterminé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec le dessin annexé, sur lequel : - la figure unique représente schématiquement un système de pile à combustible pour la mise en u̇vre du procédé selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté très schématiquement une pile à combustible délimitée par son pourtour 1, comportant des bornes 2 de sortie électrique et incluant au moins une paire de cellules 3A, 3B comportant chacune un compartiment hydrogène 4A, 4B d'un côté d'une structure de membrane M inséré dans un circuit d'hydrogène entre un conduit d'amenée d'hydrogène 5 et un conduit de purge 6 incluant une électrovanne de purge 7. Le circuit d'hydrogène comprend des vannes d'entrée 8A, 8B actionnées en alternance. La conduite de purge 6 est reliée, via un séparateur de phases 9, à un double circuit de recirculation à clapets reliant les sorties des compartiments 4A, 4B à leurs entrées en aval des vannes d'admission 8A, 8B. Avec ce type d'agencement, le rythme de basculement des vannes d'entrée 8A, 8B est déterminé en fonction des caractéristiques électriques de la pile et compris entre deux à vingt fois le temps mis par la pile pour consommer l'hydrogène présent dans la pile, soit, pour une pile AXANE de 1,50 kW, d'environ 0,5 seconde. La pression dans les compartiments hydrogène 4A, 4B est, au moins pendant une partie du cycle de recirculation, légèrement inférieure à la pression dans les compartiments côté air, de l'autre côté des membranes M. Selon un aspect de la présente invention, en sortie des bornes 2 sont connectés un détecteur 10 de courant 1 débité par la pile et un détecteur 11 de la tension U délivrée aux bornes 2 reliés à une unité de calcul 12 mesurant en permanence la tension U et le courant 1 délivrés. Avec un tel agencement, lorsqu'une quantité d'azote trop importante est présente dans la partie hydrogène, cet azote vient, après quelque temps de consommation après le basculement de positions des vannes d'entrée 8A, 8B, s'accumuler dans certaines parties, malheureusement imprévisibles et fluctuantes, du compartiment hydrogène 4A, 4B, provoquant une très légère baisse de tension aux bornes 2. Selon l'invention, on effectue une estimation de la chute de tension par une différence des mesures de courant et de tension juste avant et juste après un basculement des vannes 8A, 8B. Cette différence AU est mise en relation avec la différence İ entre les courants juste avant et juste après ces basculements (dans la majorité des cas, İ est sensiblement égal à 0). Si AU - R İ (R étant une pente de la caractéristique courant - tension expérimentale de la pile et dépendant des paramètres de fonctionnement du système) > à un seuil S déterminé, on provoque une purge de la partie hydrogène par un signal adressé par l'unité 12 à la vanne 7 . Ce principe permet un ajustement automatique du taux de purges du système en fonctionnement. D'autre part, la mesure de la fréquence entre purges permet d'accéder à une information concernant soit une alimentation avec un hydrogène de qualité trop médiocre, permettant de changer la source d'alimentation, soit surtout la détection d'une micro perforation de cellule dès qu'elle apparaît. La détection proposée permet donc d'identifier le problème quelques heures avant l'arrêt irrévocable du système, ce qui peut laisser le temps d'intervenir sur ce dernier et augmenter ainsi sa disponibilité en réduisant la contrainte sur le rythme des maintenances conformément à un objet de l'invention. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible comprenant un compartiment hydrogène (4A, 4B) inséré dans un circuit d'hydrogène (5) relié à un circuit de purge (6) comprenant une électrovanne de purge (7), et des bornes (2) de sortie de courant électrique généré par la pile (1), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (11 ; 10) de mesure de la tension (U) auxdites bornes et du courant (I) délivré, et des moyens (12) de comparaison des variations de tension (AU) et de courant ( İ) par rapport à une valeur déterminée pour actionner la vanne de purge (7). 2. Procédé de contrôle du fonctionnement d'une pile à combustible comprenant un compartiment hydrogène (4A, 4B) inséré dans un circuit d'hydrogène (5) relié à un circuit de purge (6) comprenant une électrovanne de purge (7), et des bornes (2) de sortie de courant électrique généré par la pile (1), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes : - de mesurer en permanence la tension (U) aux bornes de sortie (2) et le courant (I) délivré ; - d'associer les variations de tension AU et de courant İ suivant la formule AN = AU - R İ, où R est une valeur déterminée caractéristique de la pile ; - de comparer AN à une valeur déterminée S ; et - de provoquer une purge du circuit d'hydrogène quand AN devient supérieur à S. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de mesurer la fréquence entre purges. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend d'étape d'émettre un signal d'alerte quand la fréquence entre purges tombe au dessous d'un seuil prédéterminé.