Brevet FR2893187A1 — publié le 20070511

La présente invention concerne une installation fonctionnelle consommatrice d'énergie électrique utilisant une pile à combustible ainsi qu'un procédé pour alimenter en énergie une telle installation. L'invention concerne plus particulièrement une installation fonctionnelle consommatrice d'énergie électrique utilisant une pile à combustible, comprenant un organe consommateur d'énergie électrique, une pile à combustible reliée à l'organe consommateur pour alimenter ce dernier en énergie électrique, la pile à combustible étant du type à combustible gazeux, notamment de l'hydrogène gazeux, une première réserve de combustible gazeux destinée à alimenter par défaut la pile. Certaines installations consommatrices d'électricité sont alimentées par une pile à combustible produisant de l'électricité à partir d'hydrogène et d'air. L'utilisation d'une pile à combustible peut être préférée à d'autres sources d'énergies électriques (telles qu'un réseau électrique), notamment lorsque l'installation est trop éloignée d'un réseau électrique ou pour des raisons de sécurité ou d'intolérance à des pannes d'alimentation. De telles installations concernent par exemple, des relais de télécommunication, des sites bancaires, des laboratoires ou des appareillages médicaux... Pour produire de l'électricité, une pile à combustible doit être alimentée en combustible, par exemple de l'hydrogène gazeux. Classiquement, dans les installations précitées, il est prévu une réserve de combustible pour alimenter la pile. Cependant, les installations connues sont peu satisfaisantes en ce qui concerne la gestion de la réserve d'alimentation en combustible de la pile. En effet, les installations connues peuvent être sujettes à des pannes d'alimentation de combustible (en cas de fuite notamment). Pour résoudre ce problème, une solution connue consiste à sur-dimensionner la réserve de combustible destinée à alimenter la pile. Cette solution n'est pas satisfaisante car elle nécessite d'immobiliser un volume important de combustible (en général plusieurs cadres de bouteilles sous pression). De plus, cette solution est quelquefois incompatible avec l'espace disponible pour la réserve de combustible. Par ailleurs, pour estimer l'autonomie restante de la pile dans les installations connues, il est nécessaire de mesurer la pression dans la réserve avec des moyens qui doivent être compatibles avec les hautes pressions mesurées. Ces moyens de mesure sont en général coûteux. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, l'installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde réserve de combustible gazeux pour la pile, des moyens de distribution sélective de combustible à la pile à partir de la première ou de la seconde réserve, les moyens de distribution étant sensibles à un défaut d'alimentation ou à une alimentation insuffisante à partir de la première réserve et des moyens de commutation automatique la distribution de combustible à partir de la seconde réserve lors d'une telle alimentation insuffisante ou défectueuse de la première réserve. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'installation comporte des moyens de détection d'une alimentation insuffisante en combustible de la première réserve, - l'organe consommateur, la pile à combustible et la seconde réserve sont disposés sensiblement dans un même contenant ou de façon sensiblement adjacente dans une première zone, - la première réserve est éloignée relativement à l'ensemble comprenant l'organe consommateur, la pile à combustible et la seconde réserve, - l'installation comprend des moyens de mesure ou d'estimation de la quantité de combustible gazeux consommé en temps réel par la pile, des moyens de traitement de données recevant des moyens de mesure ou d'estimation la quantité combustible consommé en temps réel par la pile et conformés pour calculer le moment d'un seuil de combustible insuffisant dans la première réserve, les moyens de traitement de données étant reliés aux moyens de distribution pour commander la commutation de la distribution de combustible de la première réserve à la seconde réserve lors lorsque le seuil de combustible est ou devient insuffisant dans la première réserve, - les moyens de traitement de données comportent des moyens de stockage et de transmission de données apte à communiquer avec un système de surveillance d'un ensemble d'installations, - l'installation comporte des moyens de détermination et/ou de saisie de la quantité initiale de combustible dans la première réserve - l'installation comporte des moyens de détection de débit et/ou de pression à la sortie de la seconde réserve, - l'installation comporte des moyens de mesure de la pression de gaz dans où à la sortie de la seconde réserve, - la première réserve de combustible gazeux est reliée à la pile au moyen d'une première ligne d'alimentation comprenant des premiers moyens de régulation de pression et/ou de détente à une première pression de détente, - la seconde réserve de combustible gazeux est reliée à la pile au moyen d'une seconde ligne d'alimentation comprenant des seconds moyens de régulation de pression et/ou de détente à une seconde pression, - l'alimentation de la pile en combustible est réalisée par équilibrage de pression, - les première et seconde lignes d'alimentation comportent des portions amont distinctes reliées respectivement à la première et à la seconde réserve et se rejoignent en une portion commune aval reliée à la pile, la première pression de détente étant supérieure à la seconde pression de détente, de façon à provoquer d'une part une alimentation de la pile par défaut à partir de la première réserve lorsque la pression de combustible dans la première réserve est supérieure à la première pression de détente, et d'autre part, une alimentation de la pile à partir de la seconde réserve lorsque la pression de combustible dans la première réserve est inférieure à la première pression de détente, - la portion commune aval comporte des troisièmes moyens de régulation de pression et/ou de détente à une troisième pression de détente, - le procédé comporte une étape de commutation de la distribution de 30 combustible de la première réserve à la seconde réserve lorsque est déterminé un seuil de combustible insuffisant dans la première réserve. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé pour alimenter en énergie une telle installation fonctionnelle. A cette fin le procédé d'alimentation concerne une installation fonctionnelle consommatrice d'énergie électrique utilisant une pile à combustible, comprenant un organe consommateur d'énergie électrique, une pile à combustible reliée à l'organe consommateur pour alimenter ce dernier en énergie électrique, la pile à combustible étant du type à combustible gazeux, notamment de l'hydrogène gazeux, une première et une seconde réserve de combustible gazeux aptes à alimenter la pile, le procédé comportant : - une étape consistant à alimenter par défaut la pile à partir de la première réserve, - une étape de détection ou de détermination d'une alimentation en combustible insuffisante ou défectueuse à partir de la première réserve, - une étape de commutation de l'alimentation en combustible à partir de la seconde réserve lorsque l'alimentation en combustible à partir de la première réserve est susceptible d'être insuffisante ou est défectueuse. Selon d'autres particularités : - le procédé comporte une étape de détermination de la quantité initiale de combustible dans la première réserve, une étape de mesure ou d'estimation de la quantité de combustible consommée en temps réel par la pile, et une étape de détermination d'un seuil de combustible insuffisant atteint dans la première réserve en fonction de la quantité initiale de combustible et de la quantité de combustible consommée en temps réel, - l'étape de détection ou de détermination d'une alimentation en 25 combustible insuffisante ou défectueuse comporte une détection d'un débit à la sortie de la seconde réserve. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en perspective et schématique d'un 30 exemple d'installation selon l'invention, - la figure 2 représente une vue schématique illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation du type de celle de la figure 1, - la figure 3 représente un détail d'une l'installation du type de celles des figures 1 et 2 illustrant un exemple de structure d'une partie d'un circuit d'alimentation en combustible. La figure 1 représente une armoire 9 contenant au moins un organe 2 consommateur d'énergie électrique, par exemple des dispositifs électroniques formant un relais ou une antenne de radiocommunication pour téléphone sans fil. L'armoire contient au moins une pile à combustible 3 prévue pour assurer l'alimentation électrique de l'organe 2 consommateur. La pile à combustible 3 produit classiquement de l'électricité à partir d'hydrogène gazeux et d'air. Une telle pile à combustible est par exemple une pile du type PEM ( Proton Exchange Membrane ). De préférence, la pile 3 est disposée de façon adjacente ou au moins proche de l'organe 2 consommateur. De cette façon, les raccordements entre la pile 3 et l'organe 2 peuvent être simplifiés et réduits. De plus, dans ce cas, en période froide, la chaleur générée par la pile 2 peut être utilisée pour réchauffer l'enceinte et les appareils froids. La pile 3 est alimentée normalement (par défaut) par une première réserve 4 d'hydrogène gazeux stocké sous pression. Par exemple l'hydrogène est stocké dans la première réserve 4 à une pression d'au moins 10 bar. La première réserve 4 comporte, par exemple, une ou plusieurs bouteilles de gaz et de préférence au moins un cadre constitué d'une pluralité de bouteilles (schématisé à la figure 1). De façon avantageuse, la première réserve 4 peut être disposée de façon relativement éloignée de l'armoire 9 contenant la pile 3 et l'organe 1 consommateur. Par exemple à quelques mètres de distance ou à plusieurs dizaines de mètres. En déportant de cette façon la première réserve 4, il est possible d'alimenter des piles 2 situées dans des zones inadaptées pour accueillir une réserve 4 relativement volumineuse ainsi que des opérations de remplacement ou d'entretien des cadres 4 de bouteilles. Selon l'invention, l'installation comprend également une seconde 5 réserve d'hydrogène gazeux disposée, de préférence, à proximité de la plie 3 et avantageusement également dans l'armoire 9. La seconde réserve 5 comprend par exemple au moins une bouteille ou réservoir d'hydrogène gazeux sous pression et de préférence plusieurs bouteilles. La seconde réserve 5 constitue une réserve tampon destinée à assurer la continuité de l'alimentation de la pile 3 en hydrogène, en cas de défaillance de la première réserve 4. La seconde réserve 5 est par exemple dimensionnée pour permettre une autonomie d'alimentation suffisante pour permettre l'intervention d'une équipe de maintenance ou de distribution de gaz sous pression (par exemple de 24 à 48 heures). De préférence, la seconde réserve 5 a une capacité inférieure à la première réserve (et donc un volume inférieur). De préférence le rapport entre la quantité de combustible de la première réserve 4 et la quantité de combustible de la seconde réserve 5 est compris entre 1/3 et 1/100ième La figure 2 représente de façon simplifiée l'installation selon l'invention. Par soucis de concision, les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits en détail une seconde fois. Selon l'invention, l'installation comprend des moyens 6 de distribution sélective de combustible à la pile 3 à partir de la première 4 ou de la seconde réserve 5. Ces moyens 6 de distribution sont de préférence sensibles à un défaut d'alimentation ou à une alimentation insuffisante à partir de la première réserve 4, pour commuter automatique la distribution de combustible à partir de la seconde réserve 5 lorsque la première réserve 4 fait ou va faire défaut. Une telle architecture présente de nombreux avantages. En effet, plutôt que d'utiliser deux réserves de taille importante, dont l'une reste immobilisée à l'état plein pendant de longues périodes, la seconde réserve 5 permet de prévoir une réserve tampon plus réduite optimisant l'immobilisation de gaz sur le site de l'installation. De préférence, l'installation est équipée de moyens 10 de mesure de la pression de gaz dans où à la sortie de la seconde réserve 5. Par exemple, un capteur de pression 10 relève la pression du gaz la sortie de la seconde réserve 5. Cette information et transmise avantageusement à des moyens 7 de traitement de données de l'installation. De préférence, ces moyens 7 de traitement de données comportent des moyens de stockage et de transmission 17 de données apte à communiquer avec un système connu de surveillance d'un ensemble de réservoirs ou d'installation. Par exemple une antenne 17 permet une communication sans fil des données de l'installation vers un système connu de centralisation et de télésurveillance de plusieurs installations analogues ou non (non représenté), en vue de gérer l'approvisionnement en gaz ou en vue d'opérations de maintenance. Avantageusement, l'installation selon l'invention peut comporter des moyens 8 de mesure ou d'estimation de la quantité de combustible gazeux consommé en temps réel par la pile 3. Ces moyens 8 de mesure ou d'estimation peuvent être situés au niveau de la pile 3 elle-même, par exemple en surveillant la quantité d'électricité délivrée en temps réel par la pile 3 (l'électricité produite par la pile étant sensiblement proportionnelle à la quantité de combustible consommée). Les moyens 7 de traitement de données (comprenant un calculateur ou analogue) sont reliés aux moyens 8 de mesure ou d'estimation et reçoivent l'information D concernant la quantité de combustible consommé en temps réel par la pile 3. Les moyens 7 de traitement de données peuvent calculer le moment d'un seuil de combustible insuffisant dans la première réserve 4. Par exemple, un seuil de combustible insuffisant peut être calculé par les moyens 7 de traitement de données à partir de la quantité initiale connue de combustible dans la première réserve 4. Cette quantité initiale peut être saisie lors de l'approvisionnement de l'installation (saisie ou renseignée automatiquement par des moyens supports d'information portés par les bouteilles par exemple). Les moyens 7 de traitement de données peuvent également détecter une défaillance de l'installation, par exemple une fuite de combustible après sa sortie de la première réserve 4. Dans ces situations, les moyens 7 de traitement de données commandent la commutation de la distribution de combustible de la première réserve 4 à la seconde réserve 5. La figure 3 illustre plus précisément un exemple de réalisation de circuit de distribution de combustible entre les deux réserves 4, 5 et au moins une pile 3. Par soucis de concision, les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits en détail une seconde fois. La première réserve 4 de combustible gazeux est reliée à la pile 3 au moyen d'une première ligne 11 d'alimentation. La première ligne 11 d'alimentation comprend, d'amont en aval (c'est-à-dire de la réserve vers la pile 3), des premiers moyens 12 de régulation de pression et/ou de détente. Ces premiers 12 moyens, comportent, par exemple, une vanne de détente et sont conformés pour détendre le gaz à une première pression P1 de détente (par exemple 8 bar environ). La première ligne 11 comprend ensuite des moyens 26 formant clapet anti-retour et une dérivation vers l'atmosphère A commandée par une première vanne 27 de purge. En aval, la première ligne 11 comporte une vanne 18 de fermeture, par exemple manuelle. En aval, la première ligne 11 d'alimentation est formée par une portion aval 15 comprenant, d'amont en aval, détendeur aval 19, un capteur 20 de pression, une soupape de sécurité 21 vers l'atmosphère A, une vanne 22 de purge pouvant être reliée à l'atmosphère A et une vanne 23 de sécurité. En aval de la vanne 23 de sécurité, la portion aval 15 comprend deux conduits parallèles pourvus chacun d'un clapet anti-retour 25 et d'une extrémité de connexion à une pile 3 respective. En effet, la figure 3 illustre le fait que l'installation peut alimenter plus d'une pile 3 à combustible. La seconde réserve 5 de combustible gazeux est reliée aux piles 3 au moyen d'une seconde ligne 13 d'alimentation. La seconde réserve 5 comprend, d'amont en aval (c'est-à-dire de la réserve vers les piles 3), des moyens 10 de mesure de pression du gaz à la sortie de la seconde réserve 5 et des seconds moyens 14 de régulation de pression et/ou de détente à une seconde pression P2. Les seconds moyens 14 de régulation de pression et/ou de détente comportent par exemple un détenteur de type connu. Ces seconds 14 moyens de détente sont conformés pour détendre le gaz à une seconde pression P2 de détente inférieure à la première pression P1 de détente (par exemple 5 bar environ). En aval ; la seconde ligne 13 d'alimentation comprend des moyens 10 de mesure de pression du gaz en aval du détendeur puis un orifice 28 calibré pour limiter le débit du gaz. En aval de l'orifice 28 calibré, la seconde ligne 13 d'alimentation comprend une soupape de sécurité 29 vers l'atmosphère A, une vanne 30 de purge vers l'atmosphère A et une vanne 31 de fermeture, par exemple manuelle. Après la vanne 31 de fermeture, la seconde ligne rejoint la portion aval 15. C'est-à-dire que la portion aval 15 reçoit le gaz issu des première 11 et seconde 13 lignes. De préférence l'alimentation des piles 3 en combustible est réalisée par équilibrage de pression à partir de la première 4 ou de la seconde 5 réserve. Le détendeur 19 aval est conformé pour détendre le gaz à une troisième pression P3 de détente inférieure à la seconde pression P2 de détente (par exemple 1 bar environ). Du fait des différences de pression entre la première P1 et la seconde pression P2 de détente et de la présence du clapet anti-retour 26, lorsque la pression de combustible dans la première réserve 4 est supérieure à la première pression P1 de détente, la pile 3 est alimentée par défaut à partir de la première 4 réserve. C'est-à-dire que le gaz à la première pression P1 de détente circule prioritairement dans la ligne 11, 15 d'alimentation. En revanche, lorsque la pression de combustible dans la première réserve 4 est inférieure à la première pression P1 de détente, le gaz ne passe pas en aval du premier détendeur 12 laissant la possibilité au gaz issu de la seconde réserve de circuler dans la ligne 13, 15 d'alimentation vers les piles 3. On conçoit donc aisément que l'invention, tout en étant de structure simple et peu coûteuse, permet une meilleure gestion de l'alimentation en combustible d'une installation. L'installation est en particulier plus avantageuse qu'une installation qui comporterait deux réserves associées à une centrale d'inversion à haute pression pour commuter l'alimentation à partir d'une réserve à l'autre. L'emploi d'une centrale d'inversion haute pression de ce type, qui est particulièrement coûteuse, peut être évité dans l'installation selon l'invention. De plus, dans une telle configuration avec centrale d'inversion haute pression, il serait nécessaire de mesurer la pression dans les deux réserves pour en déduire l'autonomie restante en combustible. Selon l'invention, une seule une mesure de pression 10 dans la seconde réserve est nécessaire (la mesure de pression au niveau de la première réserve n'est pas nécessaire). Cette seule mesure 10 peut reliée à un système intelligent de télétransmission de données 7, 17 pour surveiller l'autonomie restante de l'installation. Ceci permet de connaître de façon fiable et peu coûteuse le moment où la première réserve 4 est vide et doit être remplacée par une réserve pleine. L'installation selon l'invention permet également de signaler toute anomalie de consommation (fuite notamment). En effet, dès que la seconde réserve 5 alimente la pile, (indiqué par l'information du capteur 10 de pression de la seconde réserve), cela indique que la première réserve 4 fait défaut . L'invention peut s'appliquer à tout autre type d'installation consommatrice d'énergie. REVENDICATIONS 1. Installation fonctionnelle consommatrice d'énergie électrique, utilisant une pile à combustible et comprenant un organe (2) consommateur d'énergie électrique, une pile à combustible (3) reliée à l'organe (4) consommateur pour alimenter ce dernier en énergie électrique, la pile à combustible (3) étant du type à combustible gazeux, notamment de l'hydrogène gazeux, une première réserve (4) de combustible gazeux destinée à alimenter la pile (3) par défaut, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde réserve (5) de combustible gazeux pour la pile (3), des moyens (6) de distribution sélective de combustible à la pile à partir de la première (4) ou de la seconde réserve (5), les moyens (6) de distribution étant sensibles à un défaut d'alimentation ou à une alimentation insuffisante à partir de la première réserve (4) et des moyens de commutation automatique la distribution de combustible à partir de la seconde réserve (5) lors d'une telle alimentation insuffisante ou défectueuse de la première réserve (4). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de détection d'une alimentation insuffisante en combustible de la première réserve (4), 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'organe (2) consommateur, la pile à combustible (3) et la seconde réserve (5) sont disposés sensiblement dans un même contenant (9) ou de façon sensiblement adjacente dans une première zone. 4. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première réserve (4) est éloignée relativement à l'ensemble comprenant l'organe (4) consommateur, la pile à combustible (3) et la seconde réserve (5). 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (8) de mesure ou d'estimation de la quantité de combustible gazeux consommé en temps réel par la pile (3), des moyens (7) de traitement de données recevant des moyens (8) de mesure ou d'estimation la quantité combustible consommé en temps réel par la pile (3) et conformés pour calculer le moment d'un seuil decombustible insuffisant dans la première réserve (4), les moyens (7) de traitement de données étant reliés aux moyens (6) de distribution pour commander la commutation de la distribution de combustible de la première réserve (4) à la seconde réserve (5) lors lorsque le seuil de combustible est ou devient insuffisant dans la première réserve (4). 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens (7) de traitement de données comportent des moyens de stockage et de transmission (17) de données apte à communiquer avec un système de surveillance d'un ensemble d'installations. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (10) de détermination et/ou de saisie de la quantité initiale de combustible dans la première réserve (4). 8. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (6) de détection de débit et/ou de pression à la sortie de la seconde réserve (5). 9. Procédé pour alimenter en énergie électrique une installation fonctionnelle consommatrice d'énergie électrique utilisant une pile à combustible, comprenant un organe (2) consommateur d'énergie électrique, une pile à combustible (3) reliée à l'organe consommateur pour alimenter ce 20 dernier en énergie électrique, la pile à combustible (3) étant du type à combustible gazeux, notamment de l'hydrogène gazeux, une première (4) et une seconde réserve (5) de combustible gazeux aptes à alimenter la pile (3), le procédé comportant : - une étape consistant à alimenter par défaut la pile (3) à partir de la première réserve (4), - une étape de détection ou de détermination d'une alimentation en combustible insuffisante ou défectueuse à partir de la première réserve (4), - une étape de commutation de l'alimentation en combustible à partir de la seconde réserve (4) lorsque l'alimentation en combustible à partir de la première réserve (4) est susceptible d'être insuffisante ou est défectueuse. 25 30 10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination de la quantité initiale de combustible dans la première réserve (4), une étape de mesure ou d'estimation de la quantité de combustible consommée en temps réel par la pile (3), et une étape de détermination d'un seuil de combustible insuffisant atteint dans la première réserve (4) en fonction de la quantité initiale de combustible et de la quantité de combustible consommée en temps réel. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'étape de détection ou de détermination d'une alimentation en combustible insuffisante ou défectueuse comporte une détection d'un débit à la sortie de la seconde réserve (5).