Brevet FR2930681A1 — publié le 20091030

La présente invention est relative à une pile à combustible de type PEM, et plus particulièrement à une pile à combustible de type PEM dotée de systèmes de court-circuit ou bypass de l'humidificateur. La Pile à Combustible fonctionne selon le procédé inverse de l'électrolyse. Elle restitue de l'eau à partir d'hydrogène et de l'oxygène de l'air en produisant de l'électricité et de la chaleur. Cette réaction non polluante (la pile ne produit que de l'eau) est obtenue dans chacune des cellules de base qui sont associées pour constituer un module d'énergie de la puissance souhaitée : le stack. Les Piles à Combustible présentent de nombreux avantages, et notamment : - de hauts rendements énergétiques le rendement net électrique d'une pile varie entre 30 et 70 %, en comparaison, celui d'un moteur à combustion est en moyenne de 20 % ; - de faibles niveaux sonores : seuls certains organes comme le compresseur, le système de ventilation produisent un léger bruit. Les émissions sonores sont très faibles de l'ordre de 40 à 50 dB à 1m ; - modularité la pile est constituée de cellules élémentaires mises en série et en parallèle pour obtenir le couple tension-intensité désiré. Malgré les récents progrès de développement et l'émergence de nouveaux matériaux qui ont permis d'envisager différentes applications des piles à combustible dans les domaines du transport public, du stationnaire, du petit portable et de la distribution d'énergie, les industriels travaillent toujours à l'amélioration des performances de ces piles. L'un des éléments connus et susceptibles de diminuer ces performances provient du contrôle du taux d'humidité dans le stack. Par ailleurs, il est nécessaire de rendre l'allumage de telles piles possibles dans toutes les conditions atmosphériques. Ainsi, il est apparu qu'à densité de courant élevée, l'eau s'accumule dans les canaux et bloque l'alimentation en réactifs, réduisant de ce fait la surface active de l'ensemble électrode-membrane-électrode (EME ou Membrane Electrode Assembly MEA en anglais). Il est alors nécessaire d'augmenter le débit d'alimentation en réactifs et la stoechiométrie afin d'éliminer l'eau liquide. Cependant ceci entraîne une consommation accrue du compresseur et donc une perte de performance de la pile. En outre des dommages mécaniques irréversibles des membranes de diffusion des gaz peuvent être causés par une accumulation d'eau dans les canaux. Même si le design des microcanaux, le design des plaques, le choix des matériaux, les propriétés des gaz d'alimentation, la densité de courant, la température de fonctionnement, la pression d'assemblage, etc, sont paramétrés pour optimiser le fonctionnement des piles, des hétérogénéités dans le contrôle de ces paramètres conduisent à des conditions opératoires non prévisibles qui rendent inévitable la formation de gouttelettes d'eau. Il convient donc de doter les systèmes de moyens efficaces d'élimination de ces gouttelettes. Une proposition de solution à la perte de performance par accumulation d'eau a été décrite dans la demande de brevet US2006/0029837. Cependant cette solution ne s'avère pas complètement satisfaisante. De façon inattendue et surprenante, les présents inventeurs ont trouvé qu'il était possible de palier aux difficultés de fonctionnement d'une pile à combustible dont le système cathodique est relié à un humidificateur en la dotant d'un système de bypass de l'humidificateur dans le sens entrant et d'un système de bypass de l'humidificateur dans le sens sortant. Ce système est particulièrement adapté aux piles à combustibles dont le système cathodique est doté de son propre humidificateur, c'est-à-dire aux piles à combustibles dont l'humidification du système cathodique et l'humidification du système anodique sont indépendants. De telles piles sont par exemple décrites dans FR 2 843 236. Ainsi l'invention a pour objet un système de bypass d'un humidificateur de cathode de pile à combustible comprenant : - un humidificateur ; - un stack ; - un conduit d'amenée du gaz comburant, tel que 15 l'air, dans l'humidificateur; - un conduit d'alimentation en gaz comburant du stack ; - un conduit de sortie du gaz comburant du stack ; et - un conduit de rejet de l'eau ; ledit humidificateur étant en communication fluide avec : 20 - le conduit d'amenée du gaz comburant, afin de permettre l'humidification du gaz comburant entrant, - le conduit d'alimentation en gaz comburant du stack, - le conduit de sortie du gaz comburant du stack, et - le conduit de rejet de l'eau ; 25 un premier conduit doté d'une vanne étant disposé entre le conduit d'amenée du gaz comburant dans l'humidificateur et le conduit d'alimentation en gaz comburant du stack, formant ainsi un premier bypass de l'humidificateur (qui est appelé dans ce qui suit bypass entrant); 30 un second conduit doté d'une vanne étant disposé entre le conduit de sortie du gaz comburant du stack et le conduit de rejet du gaz comburant, formant ainsi un second bypass de l'humidificateur (qui est appelé dans ce qui suit bypass sortant). Par le conduit de rejet de l'eau, l'eau évacuée est mélangée avec le gaz appauvri en oxygène sortant du stack. Selon un premier mode de réalisation du système de l'invention, lesdites vannes sont actionnables simultanément. Ainsi, les deux systèmes de bypass, c'est-à-dire le bypass entrant et le bypass sortant sont activés ensemble, ainsi la majeure partie du fluide ne traverse plus l'humidificateur. Dans la présente invention, on entend par � la majeure partie �, au moins 75%, de préférence au moins 90% et plus préférentiellement encore au moins 95%. Selon un second mode de réalisation, lesdites vannes sont actionnables indépendamment. Il est alors possible d'actionner la vanne du bypass entrant et ainsi le flux de gaz comburant entrant ne traverse plus l'humidificateur ou alors, il est possible d'actionner la vanne du bypass sortant et ainsi le flux sortant du stack est directement extrait du système. Dans un mode de réalisation avantageux, les vannes sont des vannes tout ou rien. Les vannes sont actionnées automatiquement, selon un schéma d'ouverture et de fermeture préétabli ou bien la fermeture et l'ouverture des vannes peut être provoquée par le déclenchement d'un évènement prédéfini. Selon un autre mode de réalisation, les vannes sont des vannes à ouverture variable qui permettent de moduler le flux et ainsi de réaliser des bypass partiels de l'humidificateur aussi bien sur le flux entrant que sur le flux sortant. Ainsi, il est possible, de faire traverser uniquement une partie du flux entrant dans l'humidificateur, de façon à réguler le taux d'humidité de l'air tout en atténuant la perte de charge due à la traversée de l'humidificateur. L'invention a également pour objet une pile à combustible du type PEM comprenant un système de bypass de l'humidificateur tel que décrit ci-dessus. La pile conforme à l'invention est une pile du type PEM dans laquelle uniquement le flux cathodique est humidifié dans l'humidificateur, le flux d'hydrogène à l'anode n'étant quant à lui pas humidifié par ce même humidificateur. Le flux cathodique ou gaz comburant est ou bien de l'oxygène ou bien, et de façon moins coûteuse, de l'air ambiant. L'invention a encore pour objet un procédé d'élimination des gouttelettes d'eau formées dans le stack d'une pile à combustible de type PEM suivant lequel l'eau accumulée dans le stack est forcée vers le conduit de sortie du stack par diminution de la perte de charge due à la présence de l'humidificateur. La perte de charge est diminuée par dérivation du flux de gaz comburant entrant qui ne traverse plus l'humidificateur (bypass entrant) et/ou par dérivation du flux de gaz comburant sortant du stack qui ne traverse plus l'humidificateur (bypass sortant). Le procédé est avantageusement mis en oeuvre à l'aide du système de bypass conforme à l'invention décrit précédemment. Selon un mode de réalisation avantageux du procédé de l'invention, le bypass entrant et le bypass sortant sont réalisés simultanément, ainsi une perte de charge minimale est imposée au flux. Celui-ci traverse le stack à un débit et une pression importants facilitant ainsi l'élimination des gouttelettes d'eau qui sont forcées mécaniquement par le flux traversant le stack vers la sortie. Le procédé de l'invention, peut ainsi permettre de diminuer la perte de charge d'au plus environ deux fois la perte de charge due à la présence de l'humidificateur. Selon un autre mode de réalisation, le bypass entrant et le bypass sortant sont réalisés séparément. Ce procédé est notamment approprié dans le cas de densité de courant moyenne, ou dans le cas où seuls quelques canaux sont bloqués par la présence de gouttelettes d'eau et qu'un effort mécanique moindre est nécessaire pour les débloquer. Selon un mode de réalisation avantageux, le bypass entrant est réalisé régulièrement pendant un temps t et à des intervalles AT, t étant compris entre 0,01s et 2s, de préférence entre 0,2s et 1s et plus préférentiellement encore entre 0,3s et 0,5s et AT étant compris entre 2s et 10 mn, de préférence entre 5s et 30s et plus préférentiellement encore entre 10s et 15s. Bien entendu, l'homme du métier est en mesure d'adapter les valeurs t et AT en fonction des conditions opératoires de la pile. Avantageusement le bypass sortant est réalisé simultanément. Il est ainsi possible de purger le système de façon systématique à des intervalles de temps régulier. Selon un mode de réalisation particulier, il est possible de purger le système dès lors que les performances diminuent. Le procédé inclut alors un paramétrage de l'ouverture et de la fermeture des vannes en fonction d'une valeur seuil d'un paramètre mesuré pendant tout le temps du procédé qui permet de détecter la présence d'eau liquide en excès. Le procédé est facile à mettre en oeuvre et permet une élimination régulière de toute gouttelette d'eau indésirable. Le procédé permet aussi de réaliser des démarrages lorsque les températures sont négatives. Dans ce cas, l'eau solidifiée dans l'humidificateur empêche toute alimentation du stack en flux d'air, alors on ouvre la vanne du bypass entrant, le gaz comburant alimente le stack, le gaz comburant réchauffé sortant est envoyé dans l'humidificateur entrainant le dégel progressif de l'eau de celui-ci. Dès que l'humidificateur a retrouvé une température de fonctionnement positive, la vanne du bypass entrant peut à nouveau être actionnée selon un fonctionnement normal de la pile. De manière analogue, à des températures négatives, si le stack est alimenté en air comburant humidifié, l'eau ainsi apportée dans les membranes peut se solidifier et obstruer la circulation des flux. On peut alors ouvrir la vanne du bypass entrant de telle sorte que de l'air sec soit amené dans le stack qui retrouvera peu à peu une température de fonctionnement positive, l'eau redeviendra liquide et pourra être éliminée. On peut également arrêter momentanément le fonctionnement de la pile et forcer de l'air sec dans le stack en ouvrant le bypass entrant tout en laissant fonctionner le compresseur, l'air sec entrant est alors forcé vers le conduit de sortie. Le procédé conforme à l'invention permet aussi le redémarrage du système lorsque l'humidificateur est trop humide ou complètement asséché. Dans le cas où celui-ci est trop humide, au démarrage, on maintient ouverte la vanne du bypass entrant et on ouvre la vanne du bypass sortant. Le gaz comburant entrant n'est pas humidifié et assèche l'humidificateur, et le flux sortant du stack, humidifié, est directement éliminé sans passage dans l'humidificateur. Dans le cas d'un humidificateur asséché, au démarrage on ouvre la vanne du bypass entrant en maintenant fermée la vanne du bypass sortant, le gaz comburant est introduit dans le stack, le flux sortant enrichi en eau est alors introduit dans l'humidificateur pour recharger celui-ci en humidité. L'invention va être décrite à l'aide du dessin suivant qui est donné uniquement à titre illustratif et non limitatif. Sur ce dessin, la figure 1 représente de façon schématique un système cathodique d'une pile à combustible conforme à l'invention. De l'air, en tant que gaz comburant, est amené par le conduit 1 dans un compresseur ou surpresseur 2, puis par l'intermédiaire d'un conduit 3 dans l'humidificateur 4. L'air humidifié ressort de l'humidificateur 4 par un conduit 5 qui permet d'alimenter le stack 6. L'air sortant du stack 6 est renvoyé par le conduit 7 vers l'humidificateur 4 où il est rejeté par le conduit 8. Un bypass 9, doté d'une vanne de régulation 10, est placé entre les canalisations 3 et 5, ce bypass est appelé bypass entrant. Un second bypass 11, doté d'une vanne de régulation 12, est placé entre les canalisations 7 et 8, ce bypass est appelé bypass sortant. Ainsi, en fonctionnement classique, les vannes 10 et 12 sont fermées et régulièrement on pratique une purge du système en ouvrant simultanément les vannes 10 et 12. Lorsque les vannes 10 et 12 sont fermées, la pression totale imposée par le compresseur entre la sortie du compresseur et le conduit de rejet de l'eau est de Ptotale-Patm = 2xAP4 + AP6, AP4 étant la perte de charge due à l'humidificateur et AP6 étant la perte de charge due au stack. Par exemple, dans une pile délivrant un courant de 40A, la perte de charge due à l'humidificateur AP4 est d'environ 40mbar et la perte de charge due au stack AP6 est d'environ 100mbar. Si on considère le cas où la perte de charge entre les conduits 3 et 5 et entre les conduits 7 et 8 est de l'ordre de 40mbars, alors, lorsque l'on ouvre les vannes 10 et 12, la différence de pression entre les conduits 5 et 7 est de l'ordre de 80mbars supérieure à celle rencontrée lorsque les vannes 10 et 12 sont fermées. Cette différence de pression supplémentaire va provoquer une force supérieure sur les gouttelettes d'eau présentes dans les canaux du stack et provoquer leur drainage mécanique. Ceci est obtenu sans augmenter la puissance du compresseur, c'est-à-dire sans consommation d'énergie supplémentaire. Bien entendu, en actionnant une seule des deux vannes, la différence de pression supplémentaire sera diminuée de moitié. Elle peut néanmoins être suffisante dans les cas où des quantités moindres d'eau doivent être éliminées.5 REVENDICATIONS1. Système de bypass d'un humidificateur de cathode de pile à combustible comprenant : - un humidificateur (4); - un stack (6); - un conduit d'amenée du gaz comburant dans l'humidificateur (3); - un conduit d'alimentation en gaz comburant du stack (5); - un conduit de sortie du gaz comburant du stack (7); et - un conduit de rejet de l'eau (8); ledit humidificateur (4) étant en communication fluide avec : le conduit d'amenée du gaz comburant (3), afin de permettre 15 l'humidification du gaz comburant entrant, le conduit d'alimentation en gaz comburant du stack (5), le conduit de sortie du gaz comburant du stack (7), et le conduit de rejet de l'eau (8) ; le système comprenant en outre un premier conduit (9) doté 20 d'une vanne (10), qui est disposé entre le conduit d'amenée du gaz comburant (3) dans l'humidificateur et le conduit d'alimentation en gaz comburant du stack (5), formant ainsi un premier bypass de l'humidificateur (4); et un second conduit (11) doté d'une vanne (12), qui est disposé 25 entre le conduit de sortie du gaz comburant du stack (7) et le conduit de rejet de l'eau (8), formant ainsi un second bypass de l'humidificateur (4). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le 30 fait que lesdites vannes (10,12) sont actionnables simultanément. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites vannes (10, 12) sont des vannes tout-ourien. 4. Pile à combustible du type PEM comprenant un système de bypass de l'humidificateur tel que décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 3. 5. Pile selon la revendication 4, caractérisée par le fait 10 que seul le système cathodique est doté de son propre humidificateur. 6. Procédé d'élimination des gouttelettes d'eau formées dans le stack d'une pile à combustible de type PEM telle que 15 définie à la revendication 4 ou 5, suivant lequel l'eau accumulée dans le stack est forcée vers le conduit de sortie du stack par diminution de la perte de charge due à la présence de l'humidificateur. 20 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la diminution de la perte de charge due à la présence de l'humidificateur est obtenue par dérivation du flux de gaz comburant entrant qui ne traverse plus l'humidificateur (bypass entrant) et/ou par dérivation du flux de gaz 25 comburant sortant du stack qui ne traverse plus l'humidificateur (bypass sortant). 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que le bypass entrant et le bypass sortant sont réalisés 30 simultanément. 9. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que le bypass entrant et le bypass sortant sont réalisés séparément. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que le bypass entrant est réalisé régulièrement pendant un temps t et à des intervalles AT, t étant compris entre 0,01s et 2s, de préférence entre 0,2s et 1s et plus préférentiellement encore entre 0,3s et 0,5s et AT étant compris entre 2s et 10mn, de préférence entre 5s et 30s et plus préférentiellement encore entre 10s et 15s. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le bypass sortant est réalisé simultanément.