Brevet FR2941092A1 — publié le 20100716

La présente invention se rapporte à un circuit de sécurité permettant d'éviter l'état de non débit ou de circuit électrique ouvert d'une pile à combustible lors de son fonctionnement permanent. Ce circuit de sécurité comporte une charge de dissipation thermique. Parmi les moyens de production d'énergie électrique existants, les piles à combustible constituent un moyen particulièrement intéressant. En effet, il s'agit de générateurs électriques fiables réalisables dans de petites dimensions, qui peuvent fonctionner aussi bien chez les particuliers que dans les entreprises. Ces générateurs électriques sont par ailleurs très peu polluants. Utilisant la conversion d'un combustible en électricité par l'intermédiaire d'une conversion électrochimique, les piles à combustible sont statiques et silencieuses. En outre, les piles à combustible présentent un rendement bien supérieur aux centrales thermiques, avec une émission de CO2 réduite de 60%. De même, les piles à combustible n'émettent aucun rejet volatil polluant tels que les oxydes NO, ou SOx et peuvent fonctionner aussi bien avec du gaz naturel, de l'hydrogène, du méthanol ou d'autres combustibles renouvelables. Il s'agit d'une source d'énergie électrique pratique, fiable, économique, silencieuse et respectueuse de l'environnement. Parmi les quelques rares inconvénients des piles à combustible, on sait que celles-ci présentent parfois une mise en route délicate qui doit être surveillée attentivement. Par ailleurs, selon la nature des piles à combustible, les matériaux utilisés peuvent être fragiles et s'user rapidement en cas de fonctionnement cyclique impliquant de nombreux arrêts et redémarrages, ce qui peut diminuer la durée de vie globale de la pile. En outre, le processus électrochimique d'une pile à combustible constituant un générateur électrique est de nature à se dérouler en continu pour des raisons de rendement et de disponibilité. En effet, les phases transitoires de mise en route sont lentes et progressives. Par ailleurs, les composants ainsi que les joints de ces piles doivent présenter un état de bon fonctionnement permanent. Pour toutes ces raisons, il est préférable de faire fonctionner en continu les piles à combustible prévues pour générer de l'électricité domestique ou industrielle. Ce fonctionnement permanent est celui d'un générateur électrique débitant dans un réseau ou sur une charge. Par conséquent, il est nécessaire de prévoir un système de sécurité pour les piles à combustible lorsque le circuit électrique d'utilisation est ouvert et/ou lorsque l'électricité générée par celles-ci n'est pas utilisée. Par exemple, lorsque le réseau électrique est en panne ou ouvert ou ne débite pas, il n'est pas souhaitable et même contre-indiqué qu'une pile à combustible continue à débiter dans le réseau. En effet, cela représenterait un danger évident, notamment pour les techniciens intervenant sur ce réseau. Mais il est tout aussi contre-indiqué de l'arrêter, pour toutes les raisons précédemment évoquées. Ainsi, dans une telle situation, et dans toutes celles de circuit consommateur ouvert, il faut basculer le circuit électrique générateur de la pile à combustible vers un circuit de sécurité comportant une charge qui permet de dissiper l'énergie électrique produite, par exemple sous forme d'énergie calorifique dans un dissipateur thermique. L'énergie électrique produite est classiquement dissipée sous forme de chaleur au moyen d'une résistance à dissipateur par air placée dans l'air ambiant et refroidie par un flux d'air forcé provenant par exemple d'un ventilateur pour éviter toute surchauffe. Cependant, ce type de charge de dissipation comprenant une résistance à dissipateur par air et un ventilateur, est encombrant, relativement onéreux, et ne permet pas d'utiliser l'énergie thermique produite. Le but de l'invention est de trouver une alternative plus avantageuse au type de dispositif existant de dissipation par effet aéraulique de l'énergie électrique. Pour résoudre ce problème technique, le circuit de sécurité à dissipation de l'énergie électrique selon l'invention comporte une résistance électrique immergée dans un liquide assurant la dissipation directe ou le transport de la chaleur dégagée par la résistance. La charge de dissipation selon l'invention présente de nombreux avantages. Premièrement, une résistance électrique immergée est beaucoup moins chère qu'une résistance à dissipateur par air et le coût supplémentaire d'un ventilateur est évité, ainsi que sa consommation d'énergie électrique, ce qui apporte une solution économique au problème technique. En outre, une telle charge de dissipation sans ventilateur est moins bruyante et moins encombrante. Enfin, il est possible de récupérer les calories produites par la résistance de dissipation en utilisant le liquide chauffé par la résistance immergée, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie supplémentaires. Le liquide d'immersion peut ainsi par exemple être de l'eau sanitaire ou le liquide caloporteur d'un circuit hydraulique de chauffage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, description faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : . la figure 1 est une vue schématique d'une pile à combustible équipée d'un circuit de sécurité à résistance immergée selon l'invention, la résistance étant placée dans un ballon d'eau chaude sanitaire ; . la figure 2 est une vue schématique d'une pile à combustible équipée d'un circuit de sécurité à résistance immergée selon l'invention, la résistance étant placée dans un circuit de chauffage. Le dispositif selon la présente invention va maintenant être décrit de façon détaillée en référence aux figures 1 et 2. Les éléments équivalents représentés sur les différentes figures porteront les mêmes références numériques. Le circuit de sécurité 1 selon l'invention comporte une charge de dissipation pour le circuit électrique générateur 2 d'une pile à combustible 3. Il permet d'éviter l'état de circuit électrique générateur ouvert ou sans débit de la pile à combustible 3 lors de son fonctionnement permanent. La présente invention s'applique à une pile à combustible quelconque 3 schématisée sur le dessin par un rectangle. Comme représenté sur les figures, la pile à combustible 3 comprend principalement deux électrodes, une anode 4 et une cathode 5 toutes deux plongées dans un combustible renfermé dans un réservoir 6 à combustible dont le niveau est complété par une ou plusieurs alimentation(s) en combustible. La pile à combustible 3 comprend également un circuit récepteur et de transformation 7 du courant électrique généré entre ses deux électrodes 4 et 5. Ce circuit de réception et de transformation 7 est relié à un commutateur-inverseur ou inverseur simple 8 qui permet de basculer la sortie électrique de la pile à combustible 3 c'est-à-dire son circuit interne générateur soit vers le réseau local ou externe 9, d'utilisation normale consommateur d'énergie, soit vers une charge de dissipation thermique. L'inverseur 8 est préférentiellement commandé par un détecteur 10 de circuit ouvert ou de non débit électrique dans le circuit consommateur dans lequel la pile fournit son énergie électrique. Cela permet d'éviter l'état de circuit électrique ouvert ou de non consommation, susceptible d'interrompre le fonctionnement continu de la pile à combustible 3. Le circuit de sécurité 1 à dissipation de l'énergie électrique selon l'invention comporte une charge de dissipation thermique ou dissipateur thermique par exemple sous la forme d'une résistance électrique 11 de dissipation immergée dans un liquide 12. La résistance électrique de dissipation 11 utilisée est de préférence une résistance blindée par exemple du type de celles utilisées dans les appareils dits chauffe-eau. Le liquide 12 précité est préférentiellement enfermé dans un contenant 13 ouvert ou fermé. Il peut également s'agir d'un liquide 12 en circulation, par exemple d'un circuit d'eau à chauffer ou à préchauffer. Par élévation de sa température, ce liquide 12 assure à son tour, soit le transport, soit la dissipation directe, soit encore le stockage de calories dans le liquide par accumulation de l'énergie thermique générée par la résistance 11. Le contenant 13 dans lequel le liquide 12 est enfermé, en circulation ou non, peut être isolé thermiquement, ce qui permet de récupérer et de conserver le maximum de la chaleur générée par la résistance 11. Dans ce cas, le contenant 13 peut par exemple, être un ballon 14 d'eau chaude sanitaire, comme représenté sur la figure 1. A l'inverse, le contenant 13 dans lequel liquide 12 est enfermé, en circulation ou non, peut ne pas être isolé thermiquement, ce qui permet de dissiper directement l'énergie thermique par rayonnement et convection. La variante à liquide, plus sécuritaire en cas de durée prolongée de circuit consommateur ouvert, permet d'éviter une surchauffe du liquide 12 chauffé par la résistance 11. Dans ce cas, le liquide 12 se trouve préférentiellement en circulation, ce qui permet un refroidissement plus rapide de celui-ci par échange thermique avec l'extérieur. Le contenant 13 précité peut aussi être une cuve, un bassin, un réservoir, un ballon d'eau chaude sanitaire, un chauffe-eau, un radiateur de chauffage, un corps de chauffe, un réservoir d'eau pour une chaudière. Par extension, le contenant 13 peut être un élément d'un circuit hydraulique de chauffage central ou non ou tout ou partie d'un circuit de chauffage 15 central ou non alimenté par une chaudière 16, le contenant 13 débitant en relève ou en préchauffage dans ce circuit vers des radiateurs tels que 17 ou autres. Il peut s'agir aussi d'un circuit complet de chauffage par liquide caloporteur dans lequel le circuit de chauffage est l'équivalent fonctionnel du contenant 13. Ainsi, à titre d'exemple, sur la figure 2 la charge de dissipation thermique est prévue dans un contenant 13 faisant partie d'un circuit 15 de chauffage central à radiateurs 17. Le liquide 12 est en général de l'eau, mais aussi tout autre liquide caloporteur. Dans ce dernier cas, il peut s'agir du liquide caloporteur d'un circuit hydraulique de chauffage central ou non. Il peut s'agir également d'huile du type connu pour les radiateurs à circulation d'huile. L'idée générale de l'invention est d'utiliser de manière utile, par exemple dans un but de chauffage, l'énergie dissipée par la résistance 11. De manière évidente, l'invention ne se limite pas aux modes préférentiels de réalisation décrits précédemment et représentés sur les différentes figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes sans sortir ni de la portée, ni du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Circuit de sécurité comportant une charge de dissipation pour une pile à combustible (3) fonctionnant en régime permanent, permettant d'éviter l'état de circuit électrique consommateur ouvert ou sans débit électrique, susceptible d'interrompre le fonctionnement permanent de la pile, caractérisé en ce que la charge de dissipation est une résistance électrique (11) immergée dans un liquide (12) et en ce que le circuit renferme un inverseur (8) commandé par un détecteur (10) de circuit ouvert ou de non débit électrique dans le circuit consommateur (9) dans lequel la pile fournit son énergie électrique. 2. Circuit de sécurité selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la résistance de dissipation (11) est une résistance blindée. 3. Circuit de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide (12) est en circulation. 4. Circuit de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide (12) est retenu dans un contenant (13) ouvert ou fermé. 5. Circuit de sécurité selon la revendication 4, caractérisée en ce que le contenant (13) est thermiquement isolé. 6. Circuit de sécurité selon la revendication 4, caractérisée en ce que le contenant (13) n'est pas isolé thermiquement. 7. Circuit de sécurité selon la revendication 4, caractérisée en ce que le contenant (13) est un chauffe-eau, un ballon d'eau chaude sanitaire (14), une cuve, un bassin, un réservoir, un radiateur, un réservoir d'eau pour une chaudière, un corps de chauffe ou un élément d'un circuit hydraulique d'un chauffage ou un circuit hydraulique (15) 5caloporteur d'un chauffage central ou non. 8. Circuit de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide (12) est de l'eau ou un autre liquide caloporteur. 9. Circuit de sécurité selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le liquide (12) est le liquide caloporteur d'un circuit hydraulique (15) de chauffage.