Brevet FR2904147A1 — publié le 20080125

Procédé de gestion de la consommation en hydrogène et oxygène d'une pile à combustible La présente invention concerne les véhicules automobiles et plus particulièrement ceux équipés d'une pile à combustible. Les piles à combustible sont développées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Les piles à combustible nécessitent une alimentation en hydrogène et en oxygène. Généralement, l'oxygène provient de l'air ambiant et l'hydrogène peut être produit par un reformeur. Le reformeur permet de produire un gaz riche en hydrogène, appelé reformat, à partir d'un carburant hydrocarboné d'origine pétrolière, synthétique ou issu de la biomasse tel que ceux utilisés actuellement par les véhicules automobiles. On obtient ainsi un système de pile à combustible permettant de fournir de l'énergie à partir d'un carburant conventionnel. Les piles à combustible sont formées de plusieurs cellules électrochimiques montées en série et au sein desquelles a lieu la réaction d'oxydoréduction générant l'énergie électrique. En particulier, le nombre et le dimensionnement des cellules électrochimiques constituant la pile à combustible détermine sa puissance et donc ses applications possibles. Cependant, pour des applications, par exemple automobiles, la demande de puissance varie dans le temps et peut se trouver dans une gamme de valeurs inadaptée au fonctionnement de la pile à combustible. Le courant électrique produit par une cellule électrochimique est lié à sa consommation en hydrogène et en oxygène. Les taux d'utilisation anodique et cathodique d'une cellule électrochimique interviennent dans le rendement de celle-ci puisqu'ils représentent la part d'hydrogène et d'oxygène consommée par la cellule électrochimique pour produire de l'énergie. Or, bien que les taux d'utilisation anodique et cathodique restent stables sur une grande 2904147 2 plage de fonctionnement d'une cellule électrochimique, ils diminuent en-dessous d'une intensité limite ce qui diminue le rendement de la cellule. Autrement dit, la différence entre la quantité d'hydrogène et d'oxygène consommée et la quantité d'hydrogène et d'oxygène 5 nécessaire pour produire la même énergie que celle fournie par la cellule, augmente. Ces faibles taux d'utilisation anodique et cathodique se traduisent par une consommation plus importante en hydrogène et oxygène des cellules électrochimiques par rapport à l'énergie produite. 10 Le brevet US 6,503,651 propose une pile à combustible dans laquelle les cellules électrochimiques sont alimentées, de manière individuelle, en hydrogène, en oxygène et en fluide de purge. Il est alors possible de contrôler le fonctionnement et la purge de chaque cellule prise individuellement. 15 La demande WO 2005/121917 propose une pile à combustible dont les cellules électrochimiques comprennent plusieurs canaux de circulation des fluides et plusieurs micro-vannes. Les micro-vannes permettent de réguler la circulation des fluides dans la cellule électrochimique en modifiant les trajets de circulation de ceux-ci. 20 Dans les deux cas, la réalisation et la gestion de telles cellules électrochimiques sont complexes et délicates. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention a pour but de proposer un procédé permettant d'optimiser le rendement d'une pile à combustible, notamment en 25 regard de sa consommation en hydrogène et en oxygène. Un procédé de gestion de la consommation en hydrogène et oxygène d'une pile à combustible pour véhicule automobile, la pile à combustible comprenant au moins deux modules reliés électriquement en série et formés de cellules électrochimiques dotées chacune d'une 30 membrane-électrode, comprend, en-dessous d'un seuil de rendement, une étape dans laquelle on met hors circuit, par l'intermédiaire d'une dérivation, un des modules. Pour une application automobile, la gamme de puissance délivrée par la pile à combustible varie selon l'usage fait du véhicule 2904147 3 et les conditions extérieures. Ainsi, selon la gamme d'utilisation, et plus particulièrement selon le courant ou la tension d'utilisation, les cellules électrochimiques offrent un rendement, notamment par l'intermédiaire de leurs taux d'utilisation anodique et cathodique, plus 5 ou moins élevé. Le procédé permet alors de mettre hors-circuit un ou plusieurs modules de la pile à combustible de façon à modifier, au niveau des cellules électrochimiques restant actives, les caractéristiques courant-tension et donc leur rendement. En particulier, une diminution du nombre de cellules électrochimiques actives d'une 10 pile à combustible permet d'augmenter le taux d'utilisation en hydrogène et oxygène de chaque cellule électrochimique. Le procédé permet ainsi d'une part d'éviter un accroissement de la consommation d'hydrogène dont la production à partir, par exemple, d'un reformeur, consomme une énergie importante dans le 15 système de pile à combustible. De plus, on évite également un accroissement de la consommation d'oxygène, que ce soit au niveau du compartiment cathodique ou au niveau du reformeur. La diminution de la consommation en oxygène permet de réduire la consommation énergétique du compresseur fournissant l'air comprimé. 20 Préférentiellement, on détermine le seuil de rendement de la pile à combustible en fonction du courant délivré par la pile à combustible. Le procédé permet ainsi de limiter les baisses de rendement liées aux conditions de fonctionnement électriques des cellules 25 électrochimiques. Préférentiellement, on met électriquement hors circuit un module par l'intermédiaire d'un court-circuit. On se place dans le cas où la pile à combustible est constituée de plusieurs modules montés en série. La mise hors circuit d'un des 30 modules peut se faire alors par l'intermédiaire d'un court-circuit du module à déconnecter. Préférentiellement, on met hors circuit un module lorsque le courant délivré par la pile à combustible est inférieur à une première valeur définie. 2904147 4 Le procédé permet d'éviter les baisses de rendement des cellules électrochimiques fonctionnant à faible charge. Lorsque les cellules électrochimiques délivrent un courant inférieur à une valeur définie, un ou plusieurs modules sont mis alors hors circuit de manière 5 à ce que le courant délivré au niveau des modules actifs soit plus important. On force ainsi la pile à combustible à travailler à une densité de courant supérieure à une valeur définie en-dessous de laquelle les taux d'utilisation en hydrogène et oxygène des cellules électrochimiques diminue, c'est-à-dire en-dessous de laquelle le 10 rendement des cellules électrochimiques diminue. Préférentiellement, on remet en circuit un module hors circuit lorsque le courant délivré par la pile à combustible est supérieur à une deuxième valeur définie. Préférentiellement, la première valeur définie et la deuxième 15 valeur définie changent en fonction du nombre de modules mis hors circuit. Préférentiellement, on interrompt l'alimentation en flux gazeux anodique et/ou cathodique du ou des modules mis hors circuit. Préférentiellement, le ou les modules sont mis hors circuit 20 temporairement. Préférentiellement, on met hors circuit ou on remet en circuit un des modules de la pile à combustible également en fonction des tensions de fonctionnement des éléments électriques alimentés par la pile à combustible. 25 Préférentiellement, on remet en circuit un module hors circuit lorsque la tension de la pile à combustible est inférieure à une troisième valeur définie. Le procédé tient également compte de la tension de fonctionnement de la pile à combustible. Il s'agit, ici encore, de faire 30 en sorte que les cellules électrochimiques présentent une caractéristique courant-tension permettant d'une part d'optimiser leur rendement et d'autre part de maintenir leur durée de vie. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation et d'un mode de 2904147 5 mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma bloc représentant les éléments principaux du système de la pile à combustible ; 5 - la figure 2 représente un schéma bloc d'un mode de réalisation permettant la mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 3 représente un organigramme d'un mode de mise en oeuvre selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un module de puissance capable 10 de fournir une puissance électrique pour une application automobile par exemple. Le module de puissance comprend une pile à combustible 1 constituée d'un compartiment anodique 2, d'un compartiment cathodique 3 et d'un système de refroidissement 4. La pile à combustible 1 peut ainsi être constituée d'un empilement de cellules 15 électrochimiques à membrane-électrode dans lesquelles les circuits de circulation des flux anodiques, cathodique et de refroidissement se juxtaposent. Le circuit de circulation du fluide de refroidissement comprend une première conduite 5 alimentant ledit système de refroidissement 4, et une deuxième conduite 6 permettant d'acheminer, 20 par exemple vers un échangeur thermique, ledit liquide de refroidissement rejeté par le système 4 à une température plus élevée. Le compartiment anodique 2 est alimenté en gaz riche en hydrogène. Le gaz riche en hydrogène est produit par reformage d'un carburant hydrocarboné. Le carburant hydrocarboné, stocké dans un 25 réservoir 7, est acheminé par une conduite 8 vers un système reformeur 9. Le système reformeur 9 produit un gaz riche en hydrogène par réaction, par exemple, de vapo-reformage. La réaction de vapo-reformage est une réaction endothermique permettant de produire un gaz riche en hydrogène en faisant réagir le carburant 30 hydrocarboné avec de l'eau. Le système reformeur 9 est ainsi en contact thermique avec un brûleur 10 qui permet de fournir au système reformeur 9 l'énergie thermique nécessaire à la réaction de vapo-reformage. 2904147 6 Le gaz riche en hydrogène est ensuite acheminé, par une conduite 11, vers un refroidisseur-séparateur 12 puis du refroidisseur-séparateur 12 vers le compartiment anodique 2 par une conduite 13. Le refroidisseur-séparateur 12 permet de récupérer l'eau 5 contenue dans le gaz riche en hydrogène et de la stocker dans un réservoir 14. L'utilisation de refroidisseurs-séparateurs permet notamment de récupérer l'eau se formant dans le module de puissance pour alimenter le système reformeur 9. Il est alors possible de maintenir un bilan d'eau positif pour le module de puissance. L'eau 10 récupérée par le refroidisseur-séparateur 12 est acheminée, par une conduite 17, vers le réservoir 14, puis est mise sous pression par un compresseur 15 et est acheminée vers le système reformeur 9 par une conduite 16. Les gaz issus du compartiment anodique 2 sont acheminés par 15 une conduite 20 vers un refroidisseur-séparateur 21. L'eau contenue dans les gaz issus du compartiment anodique est acheminée, par une conduite 18, vers le réservoir 14, tandis que les autres composants, et notamment l'hydrogène non-consommé par la pile à combustible 1, sont envoyés vers le brûleur 10 afin de compléter leur combustion. 20 Les gaz issus du compartiment cathodique 3 sont acheminés par une conduite 22 vers un refroidisseur-séparateur 23. L'eau contenue dans les gaz issus du compartiment anodique est acheminée, par une conduite 19, vers le réservoir 14, tandis que les autres composants sont envoyés à l'échappement par une conduite 24. 25 Le brûleur 10 est alimenté d'une part par les gaz issus du compartiment anodique 2 qui comprennent de l'hydrogène non-consommé et qui sont acheminés par une conduite 25, et d'autre part par de l'oxygène comprimé issu d'un groupe de compression et acheminé par une conduite 26. 30 Le groupe de compression comprend un compresseur volumétrique 27 entraîné par un moteur électrique 28, à titre de premier étage de compression, et un groupe turbocompresseur comprenant un compresseur 29 relié par un arbre 30 à une turbine 31, à titre de deuxième étage de compression. Le compresseur volumétrique 27 est 2904147 7 alimenté en air ambiant. L'air ambiant subit une première compression puis est envoyé dans le compresseur 29 du deuxième étage, entraîné via l'arbre commun 30, par la turbine 31. La turbine 31 est alimentée, d'une part, par les gaz brûlés récupérés à la sortie du brûleur 10 et, d'autre 5 part, par les gaz issus du compartiment cathodique 3 récupérés à la sortie du refroidisseur-séparateur 23 et acheminés par une conduite 24. A la sortie de la turbine 31, les gaz sont envoyés à l'échappement par une conduite 32. L'air comprimé par le groupe de compression jusqu'à une pression comprise par exemple entre 1 et 2 bars, permet d'alimenter 10 en oxygène le compartiment cathodique 3 de la pile à combustible 1 et le brûleur 10. La figure 2 représente de manière schématique un exemple de réalisation d'un dispositif de gestion de pile à combustible 1 permettant la mise en oeuvre de l'invention. Sur la figure 2, la pile à 15 combustible 1 est constituée de quatre modules 40, 41, 42, 43 comprenant chacun par exemple 100 cellules électrochimiques. Chaque module 40, 41, 42, 43 est respectivement alimenté en reformat par les conduites 44, 45, 46, 47 et en air comprimé par les conduites 48, 49, 50, 51. Les conduites d'alimentation en reformat et en air comprimé 20 permettent d'alimenter indépendamment chaque module grâce notamment à des vannes 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, par exemple des électro-vannes, permettant de contrôler le débit de chaque module 40, 41, 42, 43. Les modules 40, 41, 42, 43 peuvent ne pas être reliés 25 directement entre eux, mais leur raccordement électrique est exécuté par une boîte de jonction BJ. La boîte de jonction BJ comprend par exemple des connecteurs capables de relier en série les différents modules 40, 41, 42, 43 et d'en déconnecter éventuellement un ou plusieurs. La boîte de jonction BJ relie également le système 30 électrique de la pile à combustible 1 à la chaîne de traction CT du véhicule. La boîte de jonction BJ ainsi que les vannes 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59 sont par exemple contrôlées par une unité de commande électronique UCE (non représentée). L'UCE permet de synchroniser 2904147 8 les commandes de la boîte de jonction BJ et de l'alimentation de chaque module 40, 41, 42, 43 en fonction du courant et de la tension délivrée par la pile à combustible 1. On constate ainsi qu'on peut contrôler facilement, via huit vannes et une boîte de jonction, 5 l'alimentation en hydrogène/oxygène et la connexion électrique de 400 cellules électrochimiques. L'intensité délivrée par les cellules électrochimiques formant chaque module, est proportionnelle au débit d'hydrogène alimentant ladite cellule et inversement proportionnelle au taux d'utilisation 10 d'hydrogène par la cellule. Or, le taux d'utilisation de la cellule dépend de l'intensité délivrée par ladite cellule électrochimique : lorsque le courant délivré par la cellule électrochimique passe en-dessous d'un seuil donné, la consommation d'hydrogène reste élevée sans augmentation correspondante de l'énergie produite, donc le 15 rendement de la cellule diminue. Ainsi, lors d'un fonctionnement à faible charge, ce qui est souvent le cas sur un cycle complet d'utilisation en condition réelle d'un véhicule automobile dont le moteur d'entraînement est alimenté par une pile à combustible, le courant délivré par les cellules 20 électrochimiques est faible et peut notamment se trouver dans une gamme de valeurs dans laquelle la cellule électrochimique présente un rendement bas. Le procédé permet de maintenir le taux d'utilisation que présentent les cellules en fonctionnement normal, même lorsque la 25 demande de puissance électrique est faible. Le procédé permet ainsi de contrôler la mise hors circuit ou le remise en circuit des différents modules 40, 41, 42, 43 de la pile à combustible 1 de manière à maintenir le courant délivré par chacune des cellules électrochimiques au-dessus d'un seuil défini. 30 A titre d'exemple, la pile à combustible 1 est réalisée pour délivrer, en pleine charge, une puissance de 70kW, lorsqu'elle présente une pression P=3,4 bar. Suivant les conditions de demande en puissance et le dimensionnement de la pile à combustible (nombre de cellules N, surface active S, pression de fonctionnement P, tension U 2904147 9 et densité de courant J correspondante), le courant I délivré par la pile à combustible 1 est compris dans un intervalle allant de 25A à 250A. Ainsi, pour une pile à combustible comportant N=400 cellules électrochimiques et présentant une surface active totale S=312 cm2, 5 cette gamme de courant correspond à une densité de courant comprise entre 0,08 et 0,8 A/cm2. Le procédé selon l'invention permet de faire fonctionner la pile à combustible 1 dans un intervalle de densité de courant plus restreint. Typiquement, le procédé de gestion permet de rester dans un intervalle de densité de courant compris entre 0,4 et 0,8 10 A/cm2. On considère ainsi un fonctionnement de la pile à une pression P de 1,5 bar, de manière à obtenir une puissance proche de 10kW. Lorsque les quatre modules 40, 41, 42, 43 de la pile à combustible 1 sont actifs (configuration A), on obtient, au niveau de chaque cellule 15 électrochimique, une tension de 0,82V et une densité de courant J de 0,1 A/cm2. Par contre, lorsque la pile à combustible 1 ne comprend que trois modules actifs et un module inactif (configuration B), on obtient alors au niveau de chaque cellule électrochimique active, une tension de 0,8V et une densité de courant J de 0,15 A/cm2, et lorsque la pile à 20 combustible ne comprend que deux modules actifs et deux modules inactifs (configuration C), la tension au niveau des cellules électrochimiques actives est égale à 0,76V et la densité de courant J à 0,22 A/cm2. Le mode de fonctionnement en configuration B est plus 25 favorable que celui en configuration A, même si l'on ne peut pas atteindre le domaine préférentiel de densité de courant. Il faut passer dans la configuration C pour s'en approcher. Toutefois, la configuration B permet déjà de sortir de la zone instable de la réponse de la pile à combustible. De plus, un fonctionnement des cellules 30 électrochimiques à une tension de 0,8V apparaît comme un maximum car au-dessus de cette tension, la couche active et notamment les catalyseurs sont beaucoup plus instables et de durée de vie réduite. Enfin, l'augmentation de la densité de courant permet également de préserver la membrane des cellules électrochimiques. 2904147 10 La configuration C à deux modules s'avère encore plus préférable pour le fonctionnement de la pile à combustible 1. A cela s'ajoute également le fait que, dans cette configuration, seule la moitié des modules fonctionnent. On peut ainsi, par une simple alternance des 5 modules mis hors circuit, doubler la durée de vie de la pile à combustible 1. Ainsi, selon l'intensité demandée à la pile à combustible 1, on peut définir le nombre de modules 40, 41, 42, 43 à fermer pour obtenir une intensité supérieure à l'intensité seuil. Plus l'intensité durant le 10 fonctionnement classique de la pile à combustible 1 est faible, plus le nombre de modules à fermer est important. Par ce système, les puissances faibles sont toujours atteignables mais avec un rendement beaucoup plus satisfaisant. On considère à présent un fonctionnement de la pile 1 à une 15 pression P de 2,5 bar, de manière à obtenir une puissance proche de 30kW. Lorsque les quatre modules 40, 41, 42, 43 de la pile à combustible 1 sont actifs (configuration A'), on obtient, au niveau de chaque cellule électrochimique, une tension de 0,77V et une densité de courant J de 0,3 A/cm2. Par contre, lorsque la pile à combustible 1 ne 20 comprend que trois modules actifs et un module inactif (configuration B'), on obtient alors au niveau de chaque cellule électrochimique active, une tension de 0,74V et une densité de courant J de 0,43 A/cm2. Approximativement, la densité de courant seuil permettant de décider du basculement de la pile à combustible 1 sur trois modules au 25 lieu de quatre peut être estimée à 0,5 A/cm2. On peut donc obtenir un meilleur rendement du module de puissance en interdisant le fonctionnement des cellules électrochimiques à des densités de courant faibles. Sur la figure 3, on a résumé un mode particulier de réalisation 30 du procédé de l'invention sous forme d'un organigramme. Ainsi, dans une première étape 60, la densité de courant délivrée par la pile est estimée, suivant l'utilisation du véhicule. La densité de courant estimée est alors comparée à une valeur seuil, par exemple 0,5 A/cm2 (étape 61), et si la densité de courant estimée est plus grande que la 2904147 11 valeur seuil, on laisse la pile à combustible fonctionner avec quatre modules actifs (étape 62) ; si la densité de courant estimée est plus petite que la valeur seuil, on oblige la pile à combustible à fonctionner avec trois modules actifs (étape 63). 5 Lorsque la décision de faire fonctionner la pile à combustible avec trois modules actifs a été prise, on choisit d'abord, à partir de la valeur instantanée d'utilisation de chaque module, le module à mettre hors circuit (étape 64). Puis, dans une dernière étape 65, on déconnecte électriquement, via la boîte de jonction, le module choisi 10 précédemment et les vannes d'alimentation en hydrogène et en oxygène dudit module sont fermées. Le procédé pourra être appliqué à tout type de pile à combustible formée d'au moins deux modules. La souplesse de fonctionnement et l'efficacité du procédé seront d'autant plus grandes 15 que le nombre de modules sera important. Enfin, les valeurs seuils seront à redéfinir pour chaque pile à combustible car elles dépendent du nombre de modules et de la performance du module de puissance. REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion de la consommation en hydrogène et oxygène d'une pile à combustible pour véhicule automobile, la pile à combustible comprenant au moins deux modules reliés électriquement en série et formés de cellules électrochimiques dotées chacune d'une membrane-électrode, dans lequel, en-dessous d'un seuil de rendement, on met hors circuit, par l'intermédiaire d'une dérivation, un des modules. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on détermine le seuil de rendement de la pile à combustible en fonction du courant délivré par la pile à combustible. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on met électriquement hors circuit un module par l'intermédiaire d'un court-circuit. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on met hors circuit un module lorsque le courant délivré par la pile à combustible est inférieur à une première valeur définie. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel on remet en circuit un module hors circuit lorsque le courant délivré par la pile à combustible est supérieur à une deuxième valeur définie. 6. Procédé selon la revendication 4 et 5 dans lequel la première valeur définie et la deuxième valeur définie changent en fonction du nombre de modules mis hors circuit. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel on interrompt l'alimentation en flux gazeux anodique et/ou cathodique du ou des modules mis hors circuit. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le ou les modules sont mis hors circuit temporairement. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel on met hors circuit ou on remet en circuit un des modules de la pile à combustible également en fonction des tensions de fonctionnement des éléments électriques alimentés par la pile à combustible. 2904147 13 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel on remet en circuit un module hors circuit lorsque la tension de la pile à combustible est inférieure à une troisième valeur définie.