Brevet FR2950198A1 — publié le 20110318

-1- Dispositif de contrôle de tension pour pile à combustible L'invention concerne un dispositif de contrôle de tension d'une ou plusieurs 5 cellules d'une pile à combustible. Une pile à combustible est un générateur électrique transformant l'énergie chimique contenue dans un comburant (hydrogène, méthanol, ou autres) en une énergie électrique. Une pile à combustible se présente sous la forme d'une cellule délivrant une tension comprise entre 0,3 V et 1,2 V en fonction du type de comburant, et du courant 10 délivré. Afin d'obtenir de bons niveaux de tension, la pile à combustible peut comporter plusieurs cellules montées en série de manière à additionner la tension de chacune d'entre elles. La tension d'une cellule varie en fonction de l'intensité qu'elle fournit, par 15 exemple la tension baisse quand l'intensité fournie augmente. La tension délivrée par une cellule peut aussi varier en fonction des réactions chimiques créées dans la cellule. Les réactions sont normalement stables, mais quelque fois une perturbation peut arriver (par exemple une goutte d'eau qui s'évacue mal, etc.). La tension a alors tendance à baisser rapidement puis peut redevenir normale lorsque la perturbation est passée. 20 Pour ne pas dégrader une cellule, il faut que sa tension ne descende jamais en dessous d'un certain seuil. Au-delà la cellule peut connaître des échauffements et des détériorations partielles qui entraînent un vieillissement prématuré de celle-ci ou sa détérioration totale. Selon une solution connue de l'état de la technique, on mesure de manière 25 analogique la tension de chaque cellule et on transmet cette information à un contrôleur qui vérifie si la tension est au-dessus ou en dessous d'une tension de seuil. Le contrôleur analyse une par une la tension de chaque cellule en les scannant. Classiquement, une isolation galvanique est prévue entre la pile à combustible et le contrôleur de façon à ce que le contrôleur ne soit pas connecté à la pile à combustible en particulier si elle 30 présente des tensions dangereuses. Par ailleurs, dans une mise en série, le courant est le même pour toutes les BRT0459 (DD 11459SG) 2950198 -2- cellules et est donc imposé à la cellule en défaut. II peut alors être concentré sur une partie de la surface de la membrane de la cellule de la pile à combustible et détériorer celle-ci par exemple par échauffement ou par assèchement partiel. L'invention a donc pour objectif de permettre de surveiller de façon simple 5 lorsqu'une cellule franchit sa tension de seuil pour empêcher la détérioration de la cellule et donc de la pile à combustible. À cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle de tension d'une cellule d'une pile à combustible, caractérisé en ce que ledit dispositif de contrôle comporte un premier transistor associé à la cellule relié d'une part à la cellule par sa 10 base et d'autre part à un générateur de courant et, tel que lorsque la cellule présente une tension supérieure à une première tension de seuil, le premier transistor présente aux bornes de sa jonction base émetteur une tension supérieure à la seconde tension de seuil et conduit le courant, et lorsque la cellule présente une tension inférieure à la première tension de seuil, le premier transistor présente aux bornes de sa jonction base émetteur 15 une tension inférieure à la seconde tension de seuil et bloque la transmission du courant. Ainsi, dès que la cellule franchit sa tension de seuil, la transmission du courant est interrompue. Le dispositif de contrôle de tension peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison : 20 - ledit dispositif de contrôle est configuré pour détecter le franchissement de la première tension de seuil d'au moins une cellule d'une pluralité de cellules mises en série de la pile à combustible, et ledit dispositif de contrôle comporte : • une pluralité de premiers transistors respectivement montés en parallèle d'une cellule associée de la pile à combustible en étant reliés par leurs bases à la 25 cellule associée, et • une pluralité de seconds transistors de seconde tension de seuil, lesdits seconds transistors étant respectivement reliés par leurs bases aux collecteurs des premiers transistors, montés en série les uns aux autres de sorte qu'un second transistor soit relié par son émetteur au collecteur d'un second transistor 30 consécutif, et montés en série avec le générateur de courant, de manière à BRT0459 (DD 11459SG) 2950198 -3- bloquer la transmission du courant lorsqu'une cellule présente une tension inférieure à la première tension de seuil, - la première tension de seuil est égale à la seconde tension de seuil, la première tension de seuil est différente de la seconde tension de seuil, et une source de tension de réglage est intercalée entre chaque cellule et chaque premier transistor associés, la source de tension de réglage fournissant une tension de réglage égale au différentiel de tension entre les première et seconde tensions de seuil, - ladite source de tension de réglage est formée d'une source de courant de réglage et d'une résistance, - la source de courant de réglage comprend une source de tension fixe et une résistance, la source de tension fixe est réalisée par un nombre prédéterminé de cellules de la pile, une diode Zener, et une résistance, la tension aux bornes desdites cellules est supérieure à la tension de Zener de la diode Zener, - le générateur de courant est un générateur de courant à transistor comprenant : • un transistor, • une première résistance montée en série avec le transistor et reliée à l'émetteur du transistor, • une seconde résistance reliée à la base du transistor pour limiter le courant traversant le transistor, • une source de tension, • une diode Zener en série avec la seconde résistance, montées en parallèle de la source de tension, la diode Zener présentant à ses bornes une tension constante, et étant reliée à la première résistance et à la base du transistor, la source de tension du générateur de courant est formée par un nombre prédéterminé de cellules de la pile à combustible, tel que la tension aux bornes desdites cellules soit supérieure à la tension de Zener de la diode Zener, ledit dispositif de contrôle comporte une résistance de fin de chaîne de courant BRT0459 (DD 11459SG) 2950198 -4- montée en série avec le générateur de courant, pour transformer l'information de courant en une information de tension, et ledit dispositif comporte un optocoupleur de fin de chaîne de courant monté en série avec le générateur de courant, pour assurer une isolation galvanique. 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente de façon schématique un circuit de contrôle de franchissement de la tension de seuil d'une cellule d'une pile à combustible, 10 - la figure 2a est un premier exemple de réalisation d'un circuit de contrôle de franchissement de la tension de seuil de cellules d'une pile à combustible mises en série, la figure 2b est un deuxième exemple de réalisation d'un circuit de contrôle de franchissement de la tension de seuil de cellules d'une pile à combustible mises 15 en série, la figure 2c est un troisième exemple de réalisation d'un circuit de contrôle de franchissement de la tension de seuil de cellules d'une pile à combustible mises en série, - la figure 2d est un quatrième exemple de réalisation d'un circuit de contrôle de 20 franchissement de la tension de seuil de cellules d'une pile à combustible mises en série, - la figure 3a illustre un générateur de courant à transistor, la figure 3b représente un circuit de contrôle de franchissement de la tension de seuil de cellules d'une pile à combustible mises en série comprenant le 25 générateur de courant à transistor de la figure 3a, la figure 4 illustre de façon schématique un second mode de réalisation du circuit de contrôle comprenant une source de tension de réglage, la figure 5 est un schéma représentant une première variante de réalisation de la source de tension de réglage de la figure 4, 30 - la figure 6 est un schéma représentant une deuxième variante de réalisation de la BRT0459 (DD11459SG) 2950198 -5- source de tension de réglage de la figure 4, la figure 7 est un schéma représentant une troisième variante de réalisation de la source de tension de réglage de la figure 4, et la figure 8 représente schématiquement un circuit de contrôle de franchissement 5 de la tension de seuil de cellules d'une pile à combustible mises en série, comprenant une source de tension de réglage selon la troisième variante de la figure 7. Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références. La figure 1 illustre un premier exemple de circuit de contrôle de la tension V1 10 d'une cellule d'une pile à combustible. À titre d'exemple, la tension de seuil de la cellule est 0,6 V. Un premier transistor Q1 est monté en parallèle de la cellule. Dans cet exemple, le premier transistor QI est un transistor NPN dont la base est reliée au pôle positif + de la cellule et l'émetteur au pôle négatif û de la cellule. Bien entendu, on peut également 15 prévoir un transistor PNP. Selon un premier mode de réalisation, la tension de seuil du premier transistor Q1 est la même que celle de la cellule, à savoir 0,6V dans cet exemple. La tension aux bornes de la jonction base émetteur Vbel du premier transistor Q1 est tributaire de la tension V1 de la cellule. 20 Ainsi, lorsque la tension V1 de la cellule est supérieure à la tension de seuil (V1>0,6V), il n'y a pas de danger de détérioration de la cellule, le premier transistor Ql présente une tension aux bornes de sa jonction base émetteur Vbel supérieure à 0.6V (Vbel>0,6V). Le premier transistor Q1 est donc passant. Au contraire, lorsque la tension V1 de la cellule est inférieure à 0,6V (V 1 REVENDICATIONS1. Dispositif de contrôle de tension d'une cellule d'une pile à combustible, caractérisé en ce que ledit dispositif de contrôle comporte un premier transistor (Q1) associé à la cellule relié d'une part à la cellule par sa base et d'autre part à un générateur de courant et, tel que : lorsque la cellule présente une tension (V 1) supérieure à une première tension de seuil, le premier transistor (Q1) présente aux bornes de sa jonction base émetteur une tension (Vbel) supérieure à la seconde tension de seuil et conduit le courant, et lorsque la cellule présente une tension (V 1) inférieure à la première tension de seuil, le premier transistor (Q 1) présente aux bornes de sa jonction base émetteur une tension (Vbel) inférieure à la seconde tension de seuil et bloque la transmission du courant. 2. Dispositif de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est configuré pour détecter le franchissement de la première tension de seuil d'au moins une cellule d'une pluralité de cellules (Cell 1 à Cell n) mises en série de la pile à combustible, et en ce qu'il comporte : une pluralité de premiers transistors (Q1 1 à Q1 n) respectivement montés en parallèle d'une cellule (Cell 1 à Cell n) associée de la pile à combustible en étant reliés par leurs bases à la cellule associée (Cell 1 à Cell n), et une pluralité de seconds transistors (Q21 à Q2n) de seconde tension de seuil, lesdits seconds transistors (Q21 à Q2n) étant : respectivement reliés par leurs bases aux collecteurs des premiers transistors (Q 11 à Q l n), montés en série les uns aux autres de sorte qu'un second transistor soit relié par son émetteur au collecteur d'un second transistor consécutif, et montés en série avec le générateur de courant (I), de manière à bloquer la transmission du courant lorsqu'une cellule (Cell 1 à Cell n) présente une BRT0459 (DD 11459SG) 2950198 -12- tension inférieure à la première tension de seuil. 3. Dispositif de contrôle selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première tension de seuil est égale à la seconde tension de seuil. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que : 5 la première tension de seuil est différente de la seconde tension de seuil, et en ce que une source de tension de réglage (VRi) est intercalée entre chaque cellule (Cell i) et chaque premier transistor (Q1;) associés, la source de tension de réglage (VO fournissant une tension de réglage égale au différentiel de 10 tension entre les première et seconde tensions de seuil. 5. Dispositif de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite source de tension de réglage (VR;) est formée d'une source de courant de réglage (I3;) et d'une résistance (R;;). 6. Dispositif de contrôle selon la revendication 5, caractérisé en ce que la 15 source de courant de réglage (I;;) comprend une source de tension fixe (V;;) et une résistance (Rh). 7. Dispositif de contrôle selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source de tension fixe est réalisée par un nombre prédéterminé de cellules de la pile, une diode Zener (Di) et une résistance (R,;). 20 8. Dispositif de contrôle selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tension aux bornes desdites cellules est supérieure à la tension de Zener de la diode Zener (D;). 9. Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de courant est un générateur de courant à 25 transistor comprenant : un transistor (Q3), une première résistance (R31) montée en série avec le transistor et reliée à l'émetteur du transistor (Q3), une seconde résistance (R32) reliée à la base du transistor (Q3) pour limiter le 30 courant traversant le transistor (Q3), BRT0459 (DD 11459SG) 2950198 -13- une source de tension (V3), une diode Zener (D) en série avec la seconde résistance (R32), montées en parallèle de la source de tension (V3), la diode Zener (D) présentant à ses bornes une tension constante, et étant reliée à la première résistance (R31) et 5 à la base du transistor (Q3). 10. Dispositif de contrôle selon la revendication 9, caractérisé en ce que la source de tension (V3) du générateur de courant est formée par un nombre prédéterminé de cellules de la pile à combustible, tel que la tension aux bornes desdites cellules soit supérieure à la tension de Zener de la diode 10 Zener (D). 11. Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance (Rz) de fin de chaîne de courant montée en série avec le générateur de courant, pour transformer l'information de courant en une information de tension. 15 12. Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte un optocoupleur de fin de chaîne de courant monté en série avec le générateur de courant, pour assurer une isolation galvanique. BRT0459 (DD 11459SG)