Brevet FR3085087A1 — publié le 20200221

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ELECTRICITE POUR SOUS-MARIN L'invention a pour domaine celui des dispositifs de production d'électricité pour sous-marin, du type comprenant une pile à combustible. Différents types de piles à combustible sont aujourd'hui connues. Cependant, pour une utilisation à bord d'un sous-marin, il est actuellement envisagé d'utiliser un système embarqué de production d'hydrogène à partir du reformage d'un hydrocarbure, associé à une pile à combustible fonctionnant à basse température et à basse pression. De telles piles sont connues, par exemple du document FR 2 944 648. 10 Cependant, le rendement d'une telle pile n'est pas optimal, notamment en cas de variation de la puissance demandée par la charge électrique connectée aux bornes de la pile. L'invention a donc pour but de proposer un dispositif de production d'électricité amélioré palliant à ce problème. 15 Pour cela l'invention a pour objet un dispositif de production d'électricité destiné à être implanté à bord d'un sous-marin, comprenant une pile à combustible comportant au moins une cellule, des moyens d'alimentation en gaz oxygéné, des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné et des moyens d'évacuation des gaz effluents, caractérisé en ce que le dispositif de production d'électricité comporte une unité de régulation du point 20 de fonctionnement en tension et en courant de la pile à combustible par ajustement d'une concentration en gaz oxygéné dans la pile à combustible. Suivant des modes particuliers de l'invention, le dispositif comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prisent isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : 25 - de régulation est propre à faire varier la concentration en gaz oxygéné dans la cathode de la cellule; de la pile à combustible dans une gamme de 10 à 40 %. - l'unité de régulation régule une tension aux bornes de sortie de la pile à combustible autour d'une tension de consigne. - les moyens d'alimentation en gaz oxygéné comportent un réservoir d'oxygène, 30 de préférence apte à contenir de l'oxygène pur en phase liquide, et des moyens d'amenée en gaz oxygéné à la cathode de la cellule de la pile à combustible, l'unité de régulation étant propre à générer un signal de contrôle des moyens d'amenée en gaz oxygéné pour ajuster la concentration en gaz oxygéné dans la pile à combustible. - les moyens d'alimentation en gaz oxygéné et les moyens d'alimentation en 35 combustible hydrogéné sont aptes à amener le gaz oxygéné et le combustible hydrogéné à une pression adaptée à la pression de fonctionnement de la pile à combustible, et en ce 2 que les moyens d'amenée en gaz oxygéné comportent un vaporisateur apte à générer de l'oxygène gazeux pour alimenter la pile à combustible, et une pompe apte à introduire de l'oxygène liquide dans le vaporisateur à une pression adaptée à la pression de fonctionnement P de la pile à combustible. - les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné comportent un réservoir d'hydrocarbure et une pompe apte à introduire du combustible hydrogéné dans la pile à combustible à la pression de fonctionnement de la pile à combustible. - les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné comprennent, en outre, un brûleur aval connecté entre la pompe et la pile à combustible, le brûleur aval étant alimenté en comburant par une dérivation des moyens d'alimentation en gaz oxygéné, ledit brûleur aval constituant un système de préchauffage du combustible hydrogéné. - la pile à combustible est implantée dans une enceinte résistante à la pression dont la pression interne est maintenue à la pression de fonctionnement de la pile à combustible. - la pression de fonctionnement de la pile à combustible est supérieure ou égale à 10 bars, et de préférence supérieure ou égale à une pression d'immersion maximale Pûmax du sous-marin. L'invention a également pour objet un sous-marin comportant le dispositif précédent. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un sous-marin équipé d'un dispositif de production d'énergie selon l'invention - la figure 2 est une représentation détaillée d'un mode dc réalisation du dispositif de production d'électricité dont est équipé le sous-marin de la figure 1 ; - la figure 3 représente les points de fonctionnement de la pile à combustible du dispositif de la figure 2 à concentration en oxygène constante, pour différentes concentrations en oxygène et, - la figure 4 représente, en fonction du temps, différentes grandeurs de la pile à combustible du dispositif de la figure 2. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un sous-marin 2 équipé d'un dispositif de production d'électricité 4 apte à fournir une puissance électrique. Le dispositif de production d'électricité 4 comporte une pile à combustible 24. De préférence, le dispositif de production d'électricité 4 génère une puissance suffisante pour entraîner les moyens de propulsion G du sous-marin 2. 3 La pile à combustible 24 est par exemple connectée électriquement à un réseau 80 de recharge de batteries 82, ces dernières alimentant en puissance électrique un moteur électrique 84 entraînant les moyens de propulsion 6. De préférence, la pile à combustible 24 est du type à membrane échangeuse de 5 proton apte à fonctionner à une pression élevée. La température de fonctionnement T de la pile à combustible est aiors entre 60° et 90°C, et de préférence de l'ordre de 75°C. Le dispositif de production d'électricité 4 comporte une enceinte 8 à l'intérieure de laquelle est implantée la pile à combustible. L'enceinte 8 est légèrement pressurisée par une ventilation forcée afin de réaliser un dézonage ATEX. Cette disposition permet de 10 confiner la pile à combustible et d'augmenter ;a sécurité du dispositif de production d'électricité embarqué à bord d'un sous-marin, Du côté amont de la pile à combustible, le dispositif de production d'électricité 4 comporte des moyens d'alimentation en gaz oxygéné, indiqués de manière générale par la référence 11, et des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné, indiqués de 15 manière générale par la référence 15. Du côté aval de l'enceinte 8, le dispositif de production d'électricité 4 comporte des moyens d'évacuation des effluents produits par la pile à combustible, indiqués de manière générale par la référence 20. Avantageusement, les moyens d'évacuations des effluents 20 permettent de recycler les sous-produits des réactions chimiques qui ont lieu dans la 20 pile à combustible. En se référant plus particulièrement à la figure 2, la pile à combustible 24 comporte un assemblage de cellules électrochimiques constituées d'une cathode 26, formant le pôle positif d'un Générateur de courant électrique, une anode 28, formant le pôle négatif du générateur de courant électrique, et une membrane échangeuse de 25 protons 30 séparant la cathode 26 et l'anode 28 tout en autorisant l'échange d'ions entre ces dernières. Une telle pile à combustible est connue de l'homme du métier. En variante, la pile comporte plusieurs cellules, placées en série les unes des autres, En amont du système pile à combustible pile à combustible 24, les moyens d'alimentation fournissent de l'oxygène pur à la boucle alimentant la cathode de la pile à 30 combustible. Cependant, la pile à combustible 24 possède un rendement spécifique 17 qui est strictement proportionnel à la tension de cellule Ucell, selon la relation MF 3600.1000 Où: 4 n est le rendement spécifique, exprimée en kWh i kg ; F = 96485 C/mol est la constante de Faraday ; Ucell est la tension de cellule, c'est-à-dire la différence de potentiel entre la cathode 26 et l'anode 28 de la cellule, exprimée en Volts ; et 5 MH2 = 0.002 kg/molH2. Sur la figure 3, on a représenté différentes courbes, dites courbes de polarisation. Chaque courbe est caractéristique d'une concentration d'oxygène dans la cathode de la cellule de la pile à combustible. Ainsi la courbe Dl correspond à une concentration de 19,5 % en dioxygène ; la courbe D2 à une concentration de 26 %; et la courbe 03 à 10 une concentration de 39 %. Chaque point d'une de ces courbes correspond à un point de fonctionnement électrique de la pile à combustible 24 et associe à une tension de cellule Uceli (V), une intensité I (A/cm2). Jusqu'à présent, pour répondre à une augmentation du besoin en puissance électrique du navire, on déplace le point de fonctionnement de la pile à combustible en augmentant l'intensité du courant délivré, mais en glissant sur une même de courbe de polarisation, c'est-à-dire en allant chercher un autre point de fonctionnement à concentration en dioxygène constante. Ceci est représenté par les points A et B le long de la courbe Dl de la figure 3. 20 Cependant, puisque la courbe de polarisation est décroissante, au point B, la tension de cellule est plus faible qu'au point A. En conséquence le rendement 77 a chuté. Compte tenu de la relation précédente, il a chuté proportionnellement à la différence des tensions de cellule entre les points de fonctionnement A et B. L'invention propose d'adopter un autre principe de régulation qui consiste, dans la 25 recherche d'un autre point de fonctionnement permettant d'augmenter la puissance instantanée délivrée par le pile à combustible 24, à modifier la concentration en dioxygène dans la cathode de la ou des cellules de la pile à combustible de préférence tout en maintenant la tension de cellule constante. Cela est par exemple représenté par les points de fonctionnement A et C sur la 30 figure 3. L'intensité au point de fonctionnement C est sensiblement identique à celle du point de fonctionnement B, mais elle est obtenue par un ajustement de la concentration en dioxygène. Cela revient à passer d'une courbe de polarisation à l'autre, L'intensité au point C est supérieure à celle au point A. Cependant ces deux points de fonctionnement sont caractérisés par une tension de cellule identique et donc par un rendement il 35 identique. 5 Par conséquent, cette régulation permet de maintenir un rendement ri élevé au cours du fonctionnement de la pile à combustible 24, quel que soit le niveau de puissance délivré par la pile à combustible pour répondre au besoin de la charge qui y est connectée. La figure 2 illustre un mode de mise . oeuvre de ce principe de régulation. La pile à combustible 24 est ici raccordée directement au réseau 80 permettant la recharge des batteries 82 du sous-marin. Le dispositif de production d'électricité 4 comporte une unité de régulation 90. L'unité de régulation 90 prend, en tant que variable de rétroaction, la valeur 10 instantanée de la tension sur le réseau 80, c'est-a-dire la tension de cellule Ucell, entre les bornes de sortie de la cellule 26. [unité de régulation 90 reçoit soit directement une consigne de tension Ucons ou indirectement une consigne de rendement à partir de laquelle l'unité 90 déduit une consigne de tension Ucons en utilisant la formule indiquée ci-dessus. 15 L'unité de régulation 90 génère un signal de commande S de la pompe 14 de ière à adapter l'apport instantané de gaz oxygéné dans la cathode 26 de sorte que la Lion de la concentration en gaz oxygéné dans la cathode permette de minimiser, à chaque instant, l'écart entre la tension Ucell et la tension Ucons. C'est ce qui est représenté par les différents graphes expérimentaux de la figure 4 20 obtenus sur un démonstrateur. Alors que, grâce à la régulation, la tension G1 reste sensiblement constante au cours du temps (l'écart type sur la tension de cellule étant donnée par le graphe G2), l'intensité du courant (graphe G3) augmente en fonction des besoins des équipements connectés électriquement aux bornes de sortie de la pile à combustible 26. En conséquence, la puissance délivrée, qui est le produit de l'intensité 25 par la tension, varie (courbe G4). La régulation de la concentration en oxygène permet de suivre l'évolution de la tension sur le réseau de recharge des batteries, qui évolue en fonction du niveau de charge des botter i Cette régulation permet alors de s'affranchir d'avoir à utiliser un convertisseur 30 DC/DC pour adapter la tension de sortie de la pile à la tension du réseau de recharge des batteries. Le suivi de débit imposé serait alors gérer par une régulation de pression H2 et 02 : lorsque le débit H2 augmente, la pression va augmenter aussi. L'automate de régulation augmente la consigne d'ouverture de la vanne d'02. Qui 35 va permettre de consommer le surplus d'H2 REVENDICATIONS1.- Dispositif de production d'électricité (4) destiné à être implanté à bord d'un sous-marin (2), comprenant une pile à combustible (24) comportant au moins une cellule, des moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11), des moyens d'alimentation en combustible hydrogéné (15) et des moyens d'évacuation des gaz effluents (20), caractérisé en ce que le dispositif de production d'électricité (4) comporte une unité de régulation (90) du point de fonctionnement en tension et en courant de la pile à combustible (24) par ajustement d'une concentration en gaz oxygéné dans la pile à combustible. 2.- Dispositif de production d'électricité (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de régulation (90) est propre à faire varier la concentration en gaz oxygéné dans lia cathode de la cellule de la pile à combustible (24) dans une gamme de 10 à 40 %. 3.- Dispositif de production d'éiectricité (4) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité de régulation (90) régule une tension aux bornes de sortie de la pile à combustible (24) autour d'une tension de consigne (1.1,0'). 20 4.- Dispositif de production d'électricité (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes; caractérisé en ce les moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11) comportent un réservoir d'oxygène (12), de préférence apte à contenir de l'oxygène pur en phase liquide, et des moyens d'amenée en gaz oxygéné à la cathode de la cellule de la pile à combustible (24), l'unité de régulation (90) étant propre à générer un signal de 25 contrôle des moyens d'amenée en gaz oxygéné pour ajuster la concentration en gaz oxygéné dans la pile à combustible. 5.- Dispositif de production d'électricité (4) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11) et les moyens d'alimentation en 30 combustible hydrogéné (15) sont aptes à amener le gaz oxygéné et le combustible hydrogéné à une pression adaptée à la pression de fonctionnement de la pile à combustible, et en ce que les moyens d'amenée en gaz oxygéné (11) comportent un vaporisateur (32) apte à générer de l'oxygène gazeux pour alimenter la pile à combustible (24), et une pompe (14) apte à introduire de l'oxygène liquide dans le vaporisateur à une 35 pression adaptée à la pression de fonctionnement (P) de la pile â combustible, 7 6.- Dispositif de production d'électricité (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné (15) comportent un réservoir d'hydrocarbure (16) et une pompe (18) apte à introduire du combustible hydrogéné dans la pile à combustible (24) à la pression de fonctionnement (P) de la pile à combustible. 7.- Dispositif de production d'électricité (4) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en combustible hydrogéné (15) comprennent, en outre, un brûleur aval (50) connecté entre la pompe (18) et la pile à combustible (24), le brûleur 10 aval (50) étant alimenté en comburant par une dérivation des moyens d'alimentation en gaz oxygéné (11), ledit brûleur aval (50) constituant un système de préchauffage du combustible hydrogéné. Dispositif de production d'électricité (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pile à combustible (24) est implantée dans une enceinte (8) résistante à la pression dont la pression interne est maintenue à la pression de fonctionnement (P) de ia pile à combustible. 9.- Dispositif de production d'électricité (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression de fonctionnement (P) de la pile à combustible (24) est supérieure ou égale à 10 bars, et de préférence supérieure ou égale à une pression d'immersion maximale (POmax) du sous-marin (2). 10.- Sous-marin équipé d'un dispositif de production trinité, caractérisé en ce que ledit dispositif de production d'électricité (4) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.