Brevet FR2916904A1 — 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. Jusqu'à présent l'éjecteur à été placé à l'extérieur de la pile à combustible. 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. 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 à pour but 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. Un autre but de l'invention est de réchauffer au moins l'un des gaz en utilisant la chaleur dégagée par les réactions chimiques. 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, caractérisé en ce que l'éjecteur est intégré complètement à la culasse. Cette intégration 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 de l'éjecteur à la culasse permet de limiter la présence de composants à l'extérieur de ce volume. De plus, l'intégration de l'éjecteur permet d'intégrer complètement la canalisation de gaz destinée à la recirculation dans la culasse et plus généralement de limiter la présence de canalisations de gaz à l'extérieur de la culasse. On limite ainsi les risques d'endommagement des canalisations par d'éventuelles actions mécaniques extérieures inopinées. On limite aussi les problèmes potentiels d'étanchéité des canalisations de gaz en limitant le nombre de raccords entre canalisations et culasse. Limiter le risque de défauts d'étanchéité permet de réduire le risque de création d'atmosphère explosive avec l'oxygène de l'air lorsque le gaz utilisé est par exemple de l'hydrogène. 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. Avantageusement, la pile à combustible est alimentée en gaz sous pression. L'énergie de 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 vitesse du gaz provoque une dépression qui permet d'aspirer l'excédent de gaz après son passage le long d'une des électrodes de la pile à combustible. La recirculation du gaz est assurée sans apport énergétique extérieur autre que la pression du gaz, ce qui contribue à améliorer le rendement de la pile à combustible. Avantageusement, l'éjecteur comporte une buse, une canalisation convergente, une chambre d'aspiration et une canalisation divergente. La culasse, est réalisée de façon massive et la canalisation convergente, la chambre d'aspiration et la canalisation divergente sont directement réalisées par façonnage de la culasse. La buse peut former une pièce rapportée dans la culasse. 1 o Avantageusement, la culasse contribue au refroidissement de la partie active et la culasse comporte des moyens d'échange thermique entre un flux thermique prélevé de la partie active et le gaz circulant dans les canalisations d'amenée et d'extraction ainsi que dans l'éjecteur. Le réchauffage du gaz se fait très simplement à l'intérieur de la culasse en 15 utilisant le caractère exothermique des réactions chimiques se produisant dans la partie active de la pile à combustible. Ceci contribue à augmenter le rendement de la pile à combustible. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 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 25 permettant la recirculation de l'hydrogène ; la figure 3 représente en coupe une partie d'une culasse d'une pile à combustible dans laquelle l'éjecteur est complètement intégré. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. 30 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 35 tout type de pile à combustible utilisant au moins un gaz pour lequel on met en oeuvre une recirculation d'un excédent du 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 1 o 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 15 l'anode 3 et une partie de l'hydrogène en excédent ressort de la partie active 1 par une canalisation 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 20 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 25 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 la canalisation d'extraction 13. L'accélération de l'hydrogène dans la buse 15 génère une 30 dépression dans la chambre d'aspiration 17 permettant l'aspiration de l'hydrogène présent dans la canalisation d'extraction 13. En aval de la chambre d'aspiration 17, le mélange de l'hydrogène provenant du réservoir et de la canalisation 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 dans laquelle l'éjecteur 9 est complètement intégré. La buse 15, la canalisation convergente 18, la chambre d'aspiration 17 et la canalisation divergente 11 sont de révolution et s'étendent selon un même axe 21. La canalisation divergente 11 communique avec la canalisation d'amenée 12. La canalisation d'extraction 13 est tubulaire et s'étend selon un axe 22 perpendiculaire à l'axe 21. Afin de permettre la fabrication de la partie terminale convergente 16 et de la canalisation convergente 18, la buse 15 forme une pièce rapportée dans la culasse 20. Cela facilite également l'entretien et permet le remplacement éventuel de la buse 15. Un raccord 23 peut être disposé en amont de la buse 15 pour raccorder l'éjecteur au détendeur 7 non représenté sur la figure 3. Le raccordement de la canalisation d'extraction 13 à l'anode 3 peut être réalisé au moyen d'un raccord 24 de révolution inséré dans un canal 25 débouchant dans la canalisation d'extraction 13 perpendiculairement à celle-ci. La culasse 20 est réalisée de façon massive. La chambre d'aspiration 17, la canalisation divergente 11 et la canalisation d'extraction 13 sont directement réalisés 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, le plan de la figure 3. Dans le cas d'une réalisation monobloc, les différents canaux internes sont débouchant pour permettre l'accès d'outils d'usinage ou de noyau de moulage. Les extrémités débouchantes non utilisées pour la circulation du gaz sont obstruées par des bouchons. Dans le mode de réalisation représenté, deux bouchons 26 et 27 sont nécessaires. Le bouchon 26 obstrue une extrémité avale 28 de la canalisation divergente 11 et le bouchon 27 obstrue un bras mort 29 de la canalisation d'extraction 13. Dans le cas d'une réalisation en deux parties de la culasse 20, les canaux internes ne sont pas obligatoirement débouchants et on peut se dispenser de bouchons. 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 d'extraction 13 ainsi que 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 des canaux internes dans lesquels circule l'hydrogène qui est alors réchauffé par conduction thermique au travers des parties massive de la culasse 20.10 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 (12), caractérisé en ce que l'éjecteur (9) est intégré complètement à la 1 o culasse (20). 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pile à combustible est alimentée en gaz sous pression, en ce que l'énergie de la pression du gaz est convertie en énergie cinétique dans 15 l'éjecteur (9) pour aspirer l'excédent de gaz vers la canalisation d'amenée (12) par effet venturi. 3. Pile à combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'éjecteur (9) comporte une buse (15), une canalisation convergente (18), 20 une chambre d'aspiration (17) et une canalisation divergente (11), en ce que la culasse (20), est réalisée de façon massive et en ce que la canalisation convergente (18), la chambre d'aspiration (17) et la canalisation divergente (11) sont directement réalisées par façonnage de la culasse (20). 25 4. Pile à combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que la buse (15) forme une pièce rapportée dans la culasse (20). 5. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la culasse (20) contribue au refroidissement de la 30 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 les canalisations d'amenée (12) et d'extraction (13) ainsi que dans l'éjecteur (9).