Brevet FR3026234A1 — publié le 20160325

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des piles à combustible, et plus précisément les systèmes d'initiation de piles à combustible. ETAT DE L'ART Les piles à combustible fonctionnent à des températures déterminées en fonction de leur technologie associée. Ainsi, à titre d'exemple, les piles à combustibles à membrane échangeuse de proton à basse température présentent un fonctionnement optimal dans une plage de température typiquement comprise entre 70°C et 80°C, tandis que les piles à combustibles à membrane échangeuse de proton à haute température présentent un fonctionnement optimal dans une plage de température typiquement comprise entre 160°C et 180°C. Du fait de ces plages optimales de fonctionnement, démarrer une pile à combustible à une température non adaptée peut s'avérer difficile, et entrainer une production d'électricité insuffisante jusqu'à l'établissement d'un régime stable à une température suffisamment élevée. Or, les piles à combustible sont intéressantes pour la réalisation de systèmes de secours. Elles peuvent en effet former des sources d'énergie maintenues en l'état lors d'un fonctionnement normal, et sollicitées en cas de panne ou de défaillance d'une alimentation principale. On comprend bien que cette problématique de démarrage des piles à combustible est particulièrement pénalisante pour la réalisation de système de secours, qui nécessitent un démarrage rapide et fiable de la pile à combustible. Plusieurs alternatives ont été proposées afin de réaliser une montée en température d'une pile à combustible préalablement à son démarrage, mais ces différentes alternatives sont basées sur l'utilisation d'un système externe pour réaliser cette montée en température, par exemple via l'utilisation d'une résistance chauffante, un thermoplongeur, ou l'injection de gaz chauds dans la pile à combustible. Cette dépendance à un système externe pour assurer le démarrage d'une pile à combustible formant un système de secours est problématique, et nuit à la fiabilité même d'un tel système de secours. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise ainsi à répondre au moins partiellement à ces 1 5 problématiques. A cet effet, la présente invention propose un système de génération d'énergie, comprenant une pile à combustible et un contrôleur adapté pour déclencher la mise en service de la pile à combustible, 20 ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réservoir contenant un ensemble réactif comprenant au moins un réactif, le contrôleur étant configuré de manière à sélectivement déclencher une réaction exothermique de l'ensemble réactif contenu dans le réservoir, 25 le système comprenant en outre un échangeur thermique configuré de manière à ce que la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif contenu dans le réservoir soit au moins en partie transférée à la pile à combustible, de manière à élever la température de la pile à combustible jusqu'à une valeur seuil de démarrage. 30 De manière avantageuse, en l'absence de commande appliquée par le contrôleur, l'ensemble réactif contenu dans le réservoir est inerte. L'ensemble réactif comprend typiquement deux réactifs dont la mise au contact déclenche une réaction exothermique, ou un unique réactif adapté pour, lors de l'application d'une commande par le contrôleur, réaliser une réaction physico-chimique exothermique. Selon une première variante, la pile à combustible comprend un circuit de refroidissement, et le réservoir est configuré de manière à, lors de l'application d'une commande par le contrôleur, injecter l'ensemble réactif dans le circuit de refroidissement de manière à transférer la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif vers la pile à combustible , l'ensemble réactif étant adapté pour que suite à la réaction exothermique, le produit de la réaction exothermique agisse en tant que fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement. Selon une autre variante, l'échangeur thermique est un pont thermique entre le réservoir et la pile à combustible, adapté pour transférer la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif vers la pile à combustible. Selon encore une autre variante, la pile à combustible comprend un circuit de refroidissement, l'échangeur thermique étant configuré de manière à transférer la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif vers la pile à combustible via le circuit de refroidissement. L'invention concerne également un procédé de démarrage d'une pile à combustible, dans lequel on déclenche une réaction exothermique d'un ensemble réactif dans un réservoir, de manière à dégager de la chaleur qui est transférée à la pile à combustible afin d'élever sa température jusqu'à une valeur seuil de démarrage, puis, une fois cette valeur seuil de démarrage atteinte, on démarre la pile à combustible. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un système selon un aspect de l'invention, - les figures 2 et 3 présentent deux variantes du système présenté sur la figure 1, 1 0 - la figure 4 illustre schématiquement un procédé selon un aspect de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. 15 DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 représente schématiquement un système 1 selon un aspect de l'invention, comprenant une pile à combustible 2, un contrôleur 3 et 20 un réservoir 4. La pile à combustible est par exemple une pile à combustible à membrane échangeuse de proton à basse température présentant un fonctionnement optimal dans une plage de température typiquement 25 comprise entre 70°C et 80°C, ou une pile à combustible à membrane échangeuse de proton à haute température, présentant un fonctionnement optimal dans une plage de température typiquement comprise entre 160°C et 180°C. 30 Dans le mode de réalisation représenté, la pile à combustible 2 comprend un circuit de refroidissement 21, adapté pour dissiper au moins une partie de la chaleur dégagée par la pile à combustible 2 lors de son fonctionnement. Le réservoir 4 comprend un ensemble réactif, comprenant un ou plusieurs réactifs maintenus dans un état inerte, l'ensemble réactif étant configuré pour, lors de l'application d'une commande, réaliser une réaction exothermique. L'ensemble réactif peut comprendre un unique réactif, par exemple de l'acétate de sodium, ou plusieurs réactifs, par exemple deux réactifs tels que de l'hydroxyde de sodium et de l'eau. Plus généralement, le ou les réactif(s) composant l'ensemble réactif sont choisis de manière à pouvoir être conservés dans un état inerte, avantageusement pendant une durée importante, et à pouvoir réaliser une réaction exothermique, par exemple par mise en contact dans le cas de plusieurs réactifs, ou par initiation d'une réaction physico chimique dans le cas d'un réactif unique. A titre d'exemple, dans le cas où l'ensemble réactif comprend de l'hydroxyde de sodium et de l'eau, la réaction exothermique est la dissolution de l'hydroxyde de sodium dans l'eau. Dans le cas où l'ensemble réactif comprend un unique réactif tel que de l'acétate de sodium, la réaction exothermique est la cristallisation de l'acétate de sodium. Le contrôleur 3 est configuré de manière à piloter le démarrage de la pile à combustible 2, et à appliquer une commande au réservoir 4 de manière à initier la réaction exothermique de l'ensemble réactif. Le système 1 comprend un échangeur thermique 5, adapté pour transférer de la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif contenu dans le réservoir 4 à la pile à combustible 2, afin d'élever la température de la pile à combustible 2 jusqu'à une valeur seuil de démarrage. La valeur seuil de démarrage est déterminée en fonction de la nature de la pile à combustible 2, et est typiquement sensiblement comprise dans la plage optimale de température pour la pile à combustible 2 choisie, par exemple comprise entre 70°C et 80°C pour une pile à combustible à membrane échangeuse de proton à basse température, ou comprise entre 160°C et 180°C pour une pile à combustible à membrane échangeuse de proton à haute température. L'ensemble réactif est ainsi avantageusement choisi et calibré de manière à permettre d'atteindre cette valeur seuil de démarrage, afin de 1 0 réaliser un démarrage de la pile à combustible 2 dans des conditions optimales. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'échangeur thermique 5 est un pont thermique entre le réservoir 4 et la pile à 1 5 combustible 2, transférant directement de la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif à la pile à combustible 2. Le système 1 est typiquement conservé dans un état inerte, et constitue par exemple une source d'énergie de secours, par exemple dans un 20 aéronef, visant à remplacer ou à suppléer une source principale en cas de défaillance ou de panne de cette dernière. En fonctionnement, le contrôleur 3 délivre une commande pilotant la mise en service du système 1. Cette commande délivrée par le contrôleur 3 entraine alors l'initiation de la réaction exothermique de 25 l'ensemble réactif, par exemple par mise en contact des réactifs lorsqu'il y en a plusieurs, ou par initiation d'une réaction physico-chimique lorsqu'il y a un unique réactif. Cette réaction exothermique va entrainer une élévation de température de la pile à combustible 2 de manière à ce que la température de la pile 30 à combustible 2 atteigne une valeur seuil de démarrage, comme décrit précédemment. Le contrôleur 3 commande alors le démarrage de la pile à combustible 2, typiquement une fois qu'une valeur seuil de démarrage de température a été atteinte dans la pile à combustible 2. La figure 4 représente schématiquement ces étapes successives ; - une étape El d'initiation d'une réaction exothermique de l'ensemble réactif, - une étape E2 de transfert de chaleur dégagée par la réaction vers la pile à combustible 2, et - une étape E3 de démarrage de la pile à combustible 2. De cette manière, le démarrage de la pile à combustible 2 est fiabilisé et optimisé. En effet, le système 1 tel que proposé se suffit à lui-même, et ne nécessite pas l'utilisation d'un système annexe pour réaliser le démarrage. Seule une impulsion initiale est nécessaire pour déclencher la réaction exothermique de l'ensemble réactif. Le système 1 ainsi présenté est de plus avantageux en ce que l'ensemble réactif peut être conservé à un état inerte pendant une durée 20 élevée, ce qui permet par exemple de réaliser un générateur de secours ayant une durée de vie importante. On comprend bien que la réaction exothermique de l'ensemble réactif entraine une consommation de l'ensemble réactif. Le système 1 est donc 25 typiquement à usage unique, à moins de comprendre plusieurs réservoirs 4 indépendants pouvant être actionnés successivement pour réaliser plusieurs démarrages de la pile à combustible 2. Un tel système est cependant compatible avec une utilisation pour la réalisation d'un système de secours, qui a vocation à être remplacé 30 après usage. Les figures 2 et 3 présentent deux modes de réalisation particuliers du système 1 décrit précédemment. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le réservoir 4 est intégré dans le circuit de refroidissement 21 de la pile à combustible 4. Plus précisément, le réservoir 4 présente un refoulement relié au circuit de refroidissement 21 via un clapet anti retour 66, et une admission reliée au circuit de refroidissement 21 via un distributeur 6. Le distributeur 6 comprend un orifice d'admission 61, un premier orifice de refoulement 62 et un second orifice de refoulement 63. Le distributeur 6 est piloté au moyen d'une commande 64, à laquelle s'oppose un ressort 65. La commande 64 est typiquement pilotée par le contrôleur 3. Le distributeur 6 alterne entre deux positions : - une position de refroidissement, dans laquelle l'orifice d'admission 1 5 61 est relié au premier orifice de refoulement 62, tandis que le second orifice de refoulement 63 est obturé, - une position de démarrage, dans laquelle l'orifice d'admission 61 est relié au second orifice de refoulement 63, tandis que le premier orifice de refoulement 62 est obturé. 20 Le premier orifice de refoulement 62 est relié à la pile à combustible 2, tandis que le second orifice de refoulement 63 est relié au réservoir 4. L'orifice d'admission 61 est relié à la pile à combustible 2, typiquement via un dissipateur thermique. En position de refroidissement, le réservoir 4 est donc isolé du circuit de 25 refroidissement 21, tandis qu'en position de démarrage, le réservoir est intégré au circuit de refroidissement. A l'état inerte, le distributeur 6 est en position de refroidissement ; le réservoir 4 est donc isolé du circuit de refroidissement, et maintient 30 l'ensemble réactif dans un état inerte. En fonctionnement, le contrôleur 3 délivre une commande pilotant la mise en service du système 1. Cette commande délivrée par le contrôleur 3 entraine alors le basculement du distributeur 6 en position de démarrage, ce qui relie donc le réservoir 4 au circuit de refroidissement 21. L'ensemble réactif se mélange au fluide caloporteur du circuit de refroidissement 21, ce qui déclenche la réaction exothermique de l'ensemble réactif, et augmente donc la température du fluide caloporteur circulant dans le circuit de refroidissement 21. Le fluide caloporteur passe ensuite par la pile à combustible 2, et en élève donc la température par transfert thermique, avant d'être refroidi lors du passage par le dissipateur thermique du circuit de refroidissement 21 1 0 puis de passer à nouveau par le réservoir 4. Comme précédemment, une fois que la température de la pile à combustible 2 atteint une valeur seuil de démarrage, la pile à combustible est démarrée. Le distributeur 6 peut alors retourner en position de refroidissement pour ne pas élever plus que nécessaire la 1 5 température de la pile à combustible 2, ou demeurer en position de démarrage si l'ensemble réactif a déjà entièrement réagi. Dans le mode de réalisation représenté, le distributeur 6 est maintenu par défaut par le ressort 65 en position de démarrage. En 20 fonctionnement, la commande 64 est pilotée par le contrôleur 3 de manière à maintenir le distributeur 6 en position de refroidissement. En cas de défaillance électrique entrainant un arrêt d'alimentation de la commande 64, le distributeur 6 bascule alors automatiquement en position de démarrage afin d'assurer le démarrage de la pile à 25 combustible 2. Dans ce mode de réalisation, c'est donc le circuit de refroidissement 21 de la pile à combustible qui constitue l'échangeur thermique 5 transférant de la chaleur dégagée par la réaction exothermique de 30 l'ensemble réactif à la pile à combustible 2. Le résultat de la réaction exothermique de l'ensemble réactif peut ensuite être intégré au fluide caloporteur du circuit de refroidissement 21, ou constituer le fluide caloporteur du circuit de refroidissement 21. En variante, le système 1 peut être configuré de manière à ce que ce soit le contrôleur 3 qui déclenche la réaction de l'ensemble réactif et la circulation de fluide dans le circuit de refroidissement 21. Le réservoir 4 peut alors être intégré directement dans le circuit de refroidissement 21 dès lors que l'ensemble réactif est calibré de manière à ce qu'une fois la température seuil de démarrage de la pile à combustible 2 atteinte, la quasi-totalité de l'ensemble réactif ait réagi. Le distributeur 6 peut alors être supprimé. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le réservoir 4 est 1 5 associé à un échangeur thermique 5, configuré de manière à transférer de la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif au fluide caloporteur du circuit de refroidissement 21 de la pile à combustible 2. 20 Le fonctionnement est donc similaire à celui décrit précédemment en référence à la figure 1, à la différence près que la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif est transférée à la pile à combustible 2 par l'intermédiaire du fluide caloporteur de son circuit de refroidissement 21, l'ensemble réactif demeurant isolé du circuit de 25 refroidissement 21. REVENDICATIONS1. Système (1) de génération d'énergie, comprenant une pile à combustible (2) et un contrôleur (3) adapté pour déclencher la mise en service de la pile à combustible (2), ledit système (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réservoir (4) contenant un ensemble réactif comprenant au moins un réactif, le contrôleur (3) étant configuré de manière à sélectivement déclencher une réaction exothermique de l'ensemble réactif contenu dans le réservoir (4), le système (1) comprenant en outre un échangeur thermique (5) configuré de manière à ce que la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif contenu dans le réservoir (4) soit au moins en partie transférée à la pile à combustible (2), de manière à élever la température de la pile à combustible (2) jusqu'à une valeur seuil de démarrage. 2. Système (1) selon la revendication 1, dans lequel en l'absence de commande appliquée par le contrôleur (3), l'ensemble réactif contenu dans le réservoir (4) est inerte. 3. Système (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'ensemble réactif comprend deux réactifs dont la mise au contact déclenche une réaction exothermique. 4. Système (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'ensemble réactif comprend un unique réactif adapté pour, lors de l'application d'une commande par le contrôleur, réaliser une réaction 30 physico-chimique exothermique. 5. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la pile à combustible (2) comprend un circuit de refroidissement (21), et leréservoir (4) est configuré de manière à, lors de l'application d'une commande par le contrôleur (3), injecter l'ensemble réactif dans le circuit de refroidissement (21) de manière à transférer la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif vers la pile à combustible (2), l'ensemble réactif étant adapté pour que suite à la réaction exothermique, le produit de la réaction exothermique agisse en tant que fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement (21). 6. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'échangeur thermique (5) est un pont thermique entre le réservoir (4) et la pile à combustible (2), adapté pour transférer la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif vers la pile à combustible (2). 1 5 7. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la pile à combustible (2) comprend un circuit de refroidissement (21), l'échangeur thermique (5) étant configuré de manière à transférer la chaleur dégagée par la réaction exothermique de l'ensemble réactif vers la pile à combustible (2) via le circuit de refroidissement (21). 20 8. Procédé de démarrage d'une pile à combustible (2), dans lequel (El) on déclenche une réaction exothermique d'un ensemble réactif dans un réservoir (4), de manière à dégager de la chaleur qui est (E2) transférée à la pile à combustible (2) afin d'élever sa température jusqu'à une 25 valeur seuil de démarrage, puis, une fois cette valeur seuil de démarrage atteinte, (E3) on démarre la pile à combustible (2).