Brevet FR2916903A1 — publié le 20081205

Alimentation en gaz d'une pile à combustible L'invention concerne l'alimentation en gaz d'une pile à combustible. Une pile à combustible permet la production d'électricité grâce à deux réactions chimiques couplées : l'oxydation d'un combustible réducteur sur une première électrode ou anode et la réduction d'un oxydant sur une seconde électrode ou cathode. L'électricité produite circule dans un circuit alimenté par les deux électrodes. A ce jour, on utilise couramment l'hydrogène comme combustible et l'oxygène contenu dans l'air comme oxydant. 1 o La pile à combustible trouve une utilité particulière dans le domaine du transport qui à ce jour utilise essentiellement de l'énergie fossile issue principalement du pétrole. L'utilisation de cette énergie produit une quantité importante de dioxyde de carbone contribuant à l'augmentation de l'effet de serre au niveau planétaire. D'autres polluants tels que des 15 particules ou des oxydes d'azotes sont également produits par l'utilisation de carburants issus du pétrole. Le principal avantage de l'utilisation d'une pile à combustible utilisant comme gaz d'alimentation de l'hydrogène et de l'oxygène, est que le seul produit des réactions chimiques d'oxydation et de réduction est de l'eau 20 n'entraînant aucune pollution ni aucune contribution à l'effet de serre. Concrètement, dans une pile à combustible à membrane, l'hydrogène est introduit sous forme gazeuse au niveau de l'anode. En présence d'un catalyseur, comme par exemple du platine contenu dans l'anode, l'hydrogène libère des électrons dans l'anode selon la réaction 25 suivante : H2 - 2H+ +2e-. Les électrons e- libérés à l'anode vont rejoindre la cathode au travers d'un circuit électrique utilisant l'énergie produite par la pile à combustible et les protons H+, libérés lors de cette première réaction, vont 30 migrer vers la cathode en traversant une membrane. Au niveau de la cathode, les protons H+ vont se combiner à l'oxygène 02 et aux électrons e-toujours en présence d'un catalyseur selon une seconde réaction : 2H+ +2e- + 1/2 02 -H20. Les deux réactions chimiques sont exothermiques. L'alimentation en hydrogène H2 peut se faire soit par intermittence soit de manière continue. Dans ce dernier cas, lors de la réaction chimique au niveau de l'anode, la totalité de l'hydrogène H2 circulant sous forme gazeuse n'est pas utilisée et l'excédent d'hydrogène H2 est renvoyé en amont de l'anode au moyen d'un auxiliaire de recirculation, appelé éjecteur, qui peut être consommateur d'énergie électrique ou mécanique. Un tel éjecteur peut également être mis en oeuvre pour l'oxygène 02. On note néanmoins que la recirculation d'oxygène 02 présente surtout un intérêt lorsque ce gaz est fourni pur à la pile à combustible. Dans le cas où on utilise l'oxygène 02 de l'air on peut se passer de recirculation. La pile à combustible peut être construite selon plusieurs configurations. Dans une première configuration, la pile à combustible comporte une partie active comprenant un ou plusieurs couples d'électrodes ainsi que des membranes associées à chaque couple. Cette partie active est située entre deux plaques terminales, l'une distribuant l'hydrogène H2 et l'autre l'oxygène 02 vers la partie active. Dans une autre configuration, deux parties actives, semblables à celles de la première configuration, sont situées de part et d'autre d'une culasse assurant la distribution à la fois de l'hydrogène H2 et de l'oxygène 02. Par la suite les plaques terminales seront également appelées culasse et l'invention pourra être mise en oeuvre dans les deux configurations. On a placé l'éjecteur à l'extérieur de la pile à combustible. Cette disposition permet un démontage facile de l'éjecteur lors d'opérations d'entretien. En revanche, cela oblige à mettre en place de nombreuses canalisations et raccords pour faire circuler le gaz notamment entre l'éjecteur et la pile à combustible. La multiplication des canalisations et des raccords augmente les risques de défauts d'étanchéité dans le transport du gaz et par conséquent le risque de création d'atmosphère explosive avec l'oxygène de l'air lorsque le gaz utilisé est par exemple de l'hydrogène. L'invention a pour but de réduire le nombre de canalisations et de raccords entre éjecteur et partie active de la pile à combustible tout en conservant une facilité de démontage de l'éjecteur en proposant une intégration partielle de l'éjecteur dans la culasse. A cet effet, l'invention a pour objet une pile à combustible alimentée par au moins un gaz et comportant une partie active dans laquelle le gaz participe à une réaction d'oxydoréduction permettant de générer un courant électrique entre deux électrodes de la partie active, une culasse comprenant une canalisation d'amenée du gaz au contact d'une première des électrodes et une canalisation d'extraction d'un excédent de gaz après son passage au contact de la première électrode, et un éjecteur permettant à l'excédent de gaz de retourner dans la canalisation d'amenée, l'éjecteur comprenant une chambre dans laquelle se mélange l'excédent de gaz au gaz d'alimentation, caractérisé en ce que l'éjecteur comporte un corps dans lequel la chambre est réalisée et en ce que la culasse comporte une cavité dans laquelle le corps est inséré. Cette intégration partielle de l'éjecteur permet de rendre la pile à combustible plus compacte. En effet, la ou les culasses ainsi que la ou les parties actives sont généralement contenues dans un volume parallélépipédique. L'intégration partielle de l'éjecteur à la culasse permet de limiter la présence de composants à l'extérieur de ce volume. On limite ainsi les risques d'endommagement des canalisations par d'éventuelles actions mécaniques extérieures inopinées. L'intégration de l'éjecteur dans la culasse permet aussi d'améliorer les caractéristiques hydrauliques de la pile à combustible par minimisation des pertes de charge dans les différentes canalisations où circule le gaz, du fait de la réduction des longueurs de canalisations et du nombre de raccords nécessaires. Par ailleurs, on s'est rendu compte que, pour améliorer le rendement de la pile à combustible, on pouvait réchauffer les gaz, hydrogène H2 et oxygène 02 avant de les faire circuler le long des électrodes. Il est connu de réchauffer ces gaz en brûlant une partie des gaz en excédent et en utilisant la chaleur dégagée par cette combustion pour le réchauffage de gaz circulant vers la partie active. Ce mode réalisation du réchauffage des gaz est pénalisant en terme de rendement puisqu'une partie des gaz ne participent pas aux réactions chimiques de la partie active. L'invention permet de pallier ce problème en utilisant la totalité des gaz, ou tout au moins de la totalité de l'un des gaz, pour les réactions chimiques tout en réchauffant ce ou ces gaz sans apport énergétique extérieur en utilisant la chaleur dégagée par les réactions chimiques. L'éjecteur forme un composant démontable de la culasse et avantageusement on dispose dans la pile à combustible des moyens d'étanchéité entre le corps de l'éjecteur et la cavité de la culasse dans laquelle le corps est inséré. La chambre peut s'ouvrir dans la canalisation d'amenée afin de limiter les pertes de charges dans la circulation du gaz. Le corps de l'éjecteur comporte par exemple deux entrées, la première entrée recevant le gaz d'alimentation et la deuxième entrée recevant l'excédent de gaz par la canalisation d'extraction. Les deux entrées sont situées à l'extérieure de la culasse. La pile à combustible est par exemple alimentée en gaz sous pression et avantageusement la pression du gaz est convertie en énergie cinétique dans l'éjecteur pour aspirer l'excédent de gaz vers la canalisation d'amenée par effet venturi. La recirculation du gaz ne nécessite ainsi aucun apport extérieur d'énergie autre que celle déjà contenue dans le gaz lui-même. L'éjecteur peut comporter une buse destinée à augmenter la vitesse du gaz d'alimentation à son entrée dans la chambre d'aspiration. Pour faciliter l'entretien de l'éjecteur, la buse forme une pièce rapportée dans le corps de l'éjecteur. La culasse de la pile à combustible contribue au refroidissement de la partie active et avantageusement la culasse comporte des moyens d'échange thermique entre un flux thermique prélevé de la partie active et le gaz circulant dans la chambre d'aspiration. Cet échange thermique permet le réchauffage du gaz avant son entrée dans la partie active de la pile à combustible. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente schématiquement l'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible ; la figure 2 représente des surfaces fonctionnelles d'un éjecteur permettant la recirculation d'un gaz ; la figure 3 représente en coupe une partie d'une culasse d'une pile à combustible et un injecteur partiellement inséré dans la culasse. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. L'invention est décrite en rapport à une pile à combustible de type à membrane, utilisant de l'hydrogène comme gaz réducteur et l'oxygène de l'air comme gaz oxydant. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à ce type de pile à combustible. L'invention peut être mise en oeuvre dans tout type de pile à combustible utilisant au moins un gaz pour lequel on met en oeuvre une recirculation d'un excédent d'au moins un des gaz lors d'une réaction chimique interne à la pile à combustible. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une partie active 1 d'une pile à combustible 2. la partie active 1 comporte une anode 3 et une cathode 4 séparées par une membrane 5. Un réservoir 6 sous pression permet d'alimenter la pile à combustible en hydrogène. Un détendeur 7 recevant l'hydrogène sous pression en sortie du réservoir 6 abaisse la pression de l'hydrogène qui est ensuite délivré à une première entrée 8 d'un éjecteur 9. La pression en sortie du détendeur 7 demeure suffisante pour être convertie en énergie cinétique générant une dépression au niveau d'une seconde entrée 10 de l'éjecteur 9. L'éjecteur 9 comporte une canalisation divergente 11 formant une sortie de l'éjecteur 9. la canalisation divergente 11 alimente en hydrogène, par une canalisation d'amenée 12, la partie active 1 et plus précisément l'anode 3. L'hydrogène circule le long de l'anode 3 et une partie de l'hydrogène en excédent ressort de la partie active 1 par un canal d'extraction 13 conduisant cet excédent vers la seconde entrée 10 de l'éjecteur 9 pour y être aspiré par l'hydrogène provenant de la première entrée 8. La figure 2 représente en coupe des surfaces fonctionnelles d'un éjecteur 9 permettant la recirculation de l'hydrogène. On retrouve sur cette figure les deux entrées 8 et 10 ainsi que la canalisation divergente 11 formant la sortie de l'éjecteur 9. l'entrée 8 se prolonge dans l'éjecteur 9 par une buse 15 permettant d'accélérer l'hydrogène provenant du réservoir 6. A cet effet, la buse 15 comporte une partie terminale convergente 16 débouchant dans une chambre d'aspiration 17 de l'éjecteur 9. En amont de la chambre d'aspiration 17, l'éjecteur comporte une canalisation convergente 18 disposé autour de la buse 15 dans lequel débouche le canal d'extraction 13. L'accélération de l'hydrogène dans la buse 15 génère une dépression dans la chambre d'aspiration 17 permettant l'aspiration de l'hydrogène présent dans le canal d'extraction 13. En aval de la chambre d'aspiration 17, le mélange de l'hydrogène provenant du réservoir et du canal 1 o d'extraction 13 est ralenti dans la canalisation divergente 11. La figure 3 représente en coupe une partie d'une culasse 20 d'une pile à combustible et un injecteur 9 partiellement inséré dans la culasse 20. L'éjecteur comprend un corps 19 dans lequel sont réalisés la canalisation convergente 18, la chambre d'aspiration 17, la canalisation divergente 11 et 15 la canalisation d'extraction 13. La buse 15 forme une pièce rapportée dans la culasse 20. Cela facilite l'entretien de la pile à combustible et permet le remplacement éventuel de la buse 15. La buse 15, lorsqu'elle est place dans le corps 19, la canalisation convergente 18, la chambre d'aspiration 17 et la canalisation divergente 11 sont de révolution et s'étendent selon un même 20 axe 21. La canalisation d'extraction 13 est tubulaire et s'étend selon un axe 22 perpendiculaire à l'axe 21. La culasse 20 comporte une cavité 25 dans laquelle le corps 19 est insérée. La cavité 25 et la surface extérieure du corps 19 sont cylindriques de même diamètre nominal pour que le corps puisse s'ajuster 25 dans la cavité 25. Au fond de la cavité on peut prévoir une gorge 26 dans laquelle est placé un joint torique 27 assurant l'étanchéité du corps 19 par rapport à la culasse 20 et plus précisément de la canalisation divergente 11 par rapport à la canalisation d'amenée 12. La culasse 20 est réalisée de façon massive. La canalisation 30 d'amenée 12 est directement réalisée par façonnage de la culasse 20 comme par exemple par moulage ou par usinage. La culasse 20 peut être monobloc ou réalisée en deux parties assemblées selon un plan de joint, par exemple le plan de la figure 3. Dans le cas d'une réalisation monobloc, la canalisation d'amenée 12 et la cavité 25 sont débouchantes pour permettre 35 l'accès d'outils d'usinage ou de noyau de moulage. Les extrémités débouchantes non utilisées pour la circulation du gaz doivent être obstruées par des bouchons, non représentés sur la figure 3. Dans le cas d'une réalisation en deux parties de la culasse 20, la canalisation d'amenée 12 et la cavité 25 ne sont pas obligatoirement débouchantes et on peut se dispenser de bouchons, c'est le cas du mode de réalisation représenté sur le figure 3. Par contre, la réalisation en deux parties nécessite l'assemblage au moyen d'un joint de culasse, par exemple réalisé selon le plan de la figure 3 et assurant l'étanchéité des deux parties entre elles. On a vu précédemment que les réactions chimiques se produisant dans la partie active 1 de la pile à combustible 2 sont exothermiques. La culasse 20 contribue au refroidissement de la partie active 1 en évacuant vers l'extérieur une partie du flux thermique issu de la partie active 1. La culasse 20 comporte des moyens d'échange thermique entre la partie active 1 et le gaz circulant dans les canalisations d'amenée 12 et dans l'éjecteur 9. Par exemple, le flux thermique de la partie active 1 peut être évacué au moyen d'un fluide de refroidissement circulant dans les canalisations disposées au voisinage ou dans les électrodes 3 et 4. Ces canalisations peuvent se prolonger dans la culasse 20 au voisinage la cavité 25 et de la canalisation d'amenée 12 dans lesquels circule l'hydrogène qui est alors réchauffé par conduction thermique au travers des parties massive de la culasse 20. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible alimentée par au moins un gaz et comportant une partie active (1) dans laquelle le gaz participe à une réaction d'oxydoréduction permettant de générer un courant électrique entre deux électrodes (3, 4) de la partie active (1), une culasse (20) comprenant une canalisation d'amenée (12) du gaz au contact d'une première (3) des électrodes (3, 4) et une canalisation d'extraction (13) d'un excédent de gaz après son passage au contact de la première électrode (3), et un éjecteur (9) permettant à l'excédent de gaz de retourner dans la canalisation d'amenée, l'éjecteur (9) comprenant une chambre (17) dans laquelle se mélange l'excédent de gaz au gaz d'alimentation, caractérisé en ce que l'éjecteur (9) comporte un corps (19) dans lequel la chambre (17) est réalisée et en ce que la culasse (20) comporte une cavité (25) dans laquelle le corps (19) est insérée. 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comporte des moyens d'étanchéité entre le corps (19) et la cavité (25). 3. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que la chambre (17) s'ouvre dans la canalisation d'amenée (12). 4. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps (19) de l'éjecteur (9) comporte deux entrées 25 (8, 10), la première entrée (8) recevant le gaz d'alimentation et la deuxième entrée (10) recevant l'excédent de gaz par la canalisation d'extraction (13) et en ce que les deux entrées (8, 10) sont situées à l'extérieure de la culasse (20). 30 5. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle est alimentée en gaz sous pression, en ce que l'énergie de la pression du gaz est convertie en énergie cinétique dansl'éjecteur (9) pour aspirer l'excédent de gaz vers la canalisation d'amenée (12) par effet venturi. 6. Pile à combustible selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'éjecteur (9) comporte une buse (15) destinée à augmenter la vitesse du gaz d'alimentation à son entrée dans la chambre d'aspiration (17) et en ce que la buse (15) forme une pièce rapportée dans le corps (19) de l'éjecteur (9). 7. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la culasse (20) contribue au refroidissement de la partie active (1) et en ce que la culasse (20) comporte des moyens d'échange thermique entre un flux thermique prélevé de la partie active (1) et le gaz circulant dans la chambre d'aspiration (17).15