Brevet FR3127335A1 — publié le 20230324

Un ensemble comprenant une pile à combustible à membrane d’échange de protons (1) comprenant une entrée anodique (Ea), une entrée cathodique (Ec), une sortie anodique (Sa) et une sortie cathodique (Sc), lesdites sorties (Sa, Sc) étant configurées pour évacuer des gaz d’échappement (Ga, Gc) comprenant de l’acide, ensemble comprenant au moins un dispositif de capture d’acide (2) monté à au moins une des sorties (Sa, Sc) pour extraire au moins une partie de l’acide présent dans les gaz d’échappement (Ga, Gc) et évacuer des gaz d’échappement désacidifiés (Ga*, Gc*). Figure de l’abrégé : Figure 2 Ensemble et procédé d’utilisation d’une pile à combustible à membrane d’échange et d’un dispositif de capture d’acide La présente invention concerne le domaine des piles à combustible du type à membrane d’échange de protons connu sous son abréviation anglaise PEMFC pour « Proton Exchange Membrane Fuel Cell ». L’invention vise en particulier une pile à combustible destinée à être embarquée dans un aéronef, notamment, pour alimenter des équipements électriques participant à la propulsion de l’aéronef. De manière connue, en référence à la , une pile à combustible 1 comporte une entrée anodique Ea, une entrée cathodique Ec, une sortie anodique Sa et une sortie cathodique Sc. L’entrée anodique Ea reçoit par exemple du dihydrogène tandis que l’entrée cathodique Ec reçoit par exemple du dioxygène afin de produire de l’électricité aux bornes de la pile à combustible 1 (non représentées). Des gaz d’échappement sont évacués par la sortie anodique Sa et la sortie cathodique Sc. Une telle pile à combustible 1 comporte généralement des assemblages membrane électrodes (AME) comprenant une membrane polymère solide qui joue le rôle d’électrolyte. Pour améliorer la conductivité protonique de la membrane, il est connu de doper la membrane à l’acide, en particulier, à l’acide phosphorique. Les gaz d’échappements, qui sont évacués par la sortie anodique Sa et la sortie cathodique Sc, contiennent majoritairement de l’oxygène, de l’azote, de l’hydrogène et de la vapeur d’eau mais également des traces d’acide (quelques ppm). Pour une pile à combustible haute température, c’est-à-dire fonctionnant à des températures comprises entre 120°C et 200°C, les gaz d’échappement possèdent des températures élevées et sont corrosifs du fait des traces d’acide, ce qui est très contraignant pour les équipements situés en aval (vannes Va, Vc, capteurs, etc), ce qui réduit leur durée de vie. Des inconvénients supplémentaires apparaissent par ailleurs lors des phases de démarrage/arrêt de la pile à combustible 1. Lors de ces phases, la température de la pile à combustible est inférieure à la température de fonctionnement et l’acide résiduel présent dans les conduites d’échappement de la pile à combustible 1 peut cristalliser et obstruer la sortie anodique Sa et la sortie cathodique Sc, des conduites d’échappement Ca, Cc, ainsi que les équipements situés en aval de la pile à combustible 1. La cristallisation de l’acide peut ainsi entrainer la corrosion, le grippage ou l’obstruction de certaines conduites d’échappement Cc, Ca et des équipements aval, ce qui présente un inconvénient. Une solution immédiate pour éliminer cet inconvénient consiste à proposer des membranes dépourvues de dopage acide. Une telle solution n’est néanmoins pas pertinente étant donné qu’elle pénalise la conductivité protonique. Une autre solution immédiate consiste à utiliser des membranes qui présentent une meilleure rétention de l’acide phosphorique mais il n’existe pas de solutions techniques matures et performantes à ce jour. L’invention vise à éliminer au moins certains de ces inconvénients. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention concerne un ensemble comprenant une pile à combustible à membrane d’échange de protons comprenant une entrée anodique, une entrée cathodique, une sortie anodique et une sortie cathodique, lesdites sorties étant configurées pour évacuer des gaz d’échappement comprenant de l’acide. L’ensemble est remarquable par le fait qu’il comporte au moins un dispositif de capture d’acide monté à au moins une des sorties pour extraire au moins une partie de l’acide présent dans les gaz d’échappement et évacuer des gaz d’échappement désacidifiés. De manière avantageuse, un dispositif de capture d’acide est monté à au moins une des sorties de manière à extraire l’acide des gaz d’échappement afin d’éviter l’endommagement d’équipements en aval tels qu’une vanne ou un capteur. Grâce à l’invention, la pile à combustible n’est avantageusement pas modifiée, seul un dispositif de capture d’acide auxiliaire peut être ajouté dans une conduite d’échappement de la pile à combustible. De préférence, le dispositif de capture d’acide est monté à la sortie cathodique pour extraire au moins une partie de l’acide présent dans les gaz d’échappement cathodique. Cela est avantageux étant donné que la sortie cathodique est à l’origine de la majorité des rejets acides. Selon un aspect de l’invention, l’ensemble comprend en outre un dispositif de capture d’acide monté à la sortie anodique. Autrement dit, un premier dispositif de capture d’acide est monté à la sortie anodique et un deuxième dispositif de capture d’acide est monté à la sortie cathodique. Ainsi, l’ensemble des rejets acides sont traités. Selon un aspect de l’invention, le dispositif de capture d’acide comporte au moins une source basique configurée pour neutraliser l’acide présent dans les gaz d’échappement. Une source basique permet avantageusement d’extraire l’acide en le neutralisant par une source basique, l’ajout d’une base compensant l’acidité. De manière préférée, la source basique comporte au moins une base sous forme solide et poreuse. Une telle source basique est simple à mettre en œuvre et avantageuse pour des gaz d’échappement peu chargés en vapeur d’eau. De préférence, la source basique comporte une ou plusieurs des bases suivantes : NaOH, KOH et Ca2. De telles bases sont simples et pratiques à manipuler. Selon un aspect de l’invention, le dispositif de capture d’acide comporte au moins une vanne de régulation configurée pour commander un passage ou un contournement de la source basique. Ainsi, la vanne permet de commander la consommation de la source basique de manière parcimonieuse. De préférence, la vanne est commandable, en particulier, en fonction d’un paramètre de fonctionnement de la pile à combustible. Ainsi, la régulation est avantageusement automatique. Selon un autre aspect de l’invention, le dispositif de capture d’acide comporte au moins une enceinte de condensation comprenant un liquide dans lequel sont injectés les gaz d’échappement de manière à condenser et diluer l’acide. Une telle enceinte de condensation est avantageuse étant donné qu’elle permet de capter de manière optimale l’eau et l’acide présents dans les gaz d’échappement. De plus, une telle enceinte de condensation permet de refroidir de manière optimale les gaz d’échappement, ce qui est avantageux pour une pile à combustible haute température. De préférence, le dispositif de capture d’acide comporte au moins un circuit de refroidissement configuré pour refroidir le liquide de l’enceinte de condensation afin d’obtenir une condensation optimale au cours du temps. De manière préférée, le dispositif de capture d’acide comporte au moins un circuit de prélèvement de la phase gazeuse de l’enceinte de condensation. Ainsi, des gaz désacidifiés peuvent être évacués vers l’aval. Selon un aspect de l’invention, le dispositif de capture d’acide comporte au moins un échangeur de chaleur configuré pour refroidir les gaz d’échappement désacidifiés. Cela est avantageux pour une pile à combustible haute température. De manière préférée, un échangeur de chaleur est monté en aval de la source basique de manière à éviter une condensation d’acide pouvant endommager l’échangeur de chaleur. De préférence, le dispositif de capture d’acide comporte au moins un séparateur de phase configuré pour récupérer la phase liquide comprenant l’acide et l’eau des gaz d’échappement et d’évacuer une phase gazeuse désacidifiée. De préférence, le dispositif de capture d’acide comporte au moins un réservoir de stockage d’acide configuré pour collecter la phase liquide. De préférence, l’ensemble comprend un premier dispositif de capture d’acide avec une source basique montée à la sortie anodique et un deuxième dispositif de capture d’acide avec un réservoir de condensation monté à la sortie cathodique. L’utilisation de deux dispositifs de capture différents permet de s’adapter aux spécificités de chaque sortie de la pile à combustible. De manière préférée, la pile à combustible comporte au moins une membrane dopée à l’acide, de préférence, à l’acide phosphorique L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un ensemble tel que présenté précédemment, comprenant des étapes consistant à : extraire au moins une partie de l’acide présent dans les gaz d’échappement d’au moins une des sorties de la pile à combustible et évacuer des gaz d’échappement désacidifiés.  PRESENTATION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables. La est une représentation schématique d’une pile à combustible selon l’art antérieur. La est une représentation schématique d’un ensemble d’une pile à combustible et de deux dispositifs de capture d’acide selon l’invention. La est une représentation schématique d’une première forme de réalisation d’un dispositif de capture. La est une représentation schématique d’une deuxième forme de réalisation d’un dispositif de capture. La est une représentation schématique d’une troisième forme de réalisation d’un dispositif de capture. La est une représentation schématique d’une quatrième forme de réalisation d’un dispositif de capture. La est une représentation schématique d’une configuration d’une pile à combustible et deux dispositifs de capture. La est une représentation schématique d’une cinquième forme de réalisation d’un dispositif de capture. La est une représentation schématique d’une configuration d’une pile à combustible et deux dispositifs de capture selon la . Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant. Ensemble comprenant une pile à combustible à membrane d’échange de protons (1) comprenant une entrée anodique (Ea), une entrée cathodique (Ec), une sortie anodique (Sa) et une sortie cathodique (Sc), lesdites sorties (Sa, Sc) étant configurées pour évacuer des gaz d’échappement (Ga, Gc) comprenant de l’acide, ensemble caractérisé par le fait qu’il comporte au moins un dispositif de capture d’acide (2) monté à au moins une des sorties (Sa, Sc) pour extraire au moins une partie de l’acide présent dans les gaz d’échappement (Ga, Gc) et évacuer des gaz d’échappement désacidifiés (Ga*, Gc*). Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de capture d’acide (2) est monté à la sortie cathodique (Sc) pour extraire au moins une partie de l’acide présent dans les gaz d’échappement cathodique (Gc). Ensemble selon la revendication 2, comprenant en outre un dispositif de capture d’acide (2) monté à la sortie anodique (Sa). Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif de capture d’acide (2) comporte au moins une source basique (20) configurée pour neutraliser l’acide présent dans les gaz d’échappement (Ga, Gc). Ensemble selon la revendication 4, dans lequel la source basique (20) comporte au moins une base sous forme solide et poreuse. Ensemble selon l’une des revendications 4 à 5, dans lequel la source basique (20) comporte une ou plusieurs des bases suivantes : NaOH, KOH et Ca(OH)2. Ensemble selon l’une des revendications 4 à 6, dans lequel le dispositif de capture d’acide (2) comporte au moins une vanne de régulation (22) configurée pour commander un passage ou un contournement de la source basique (20). Ensemble selon la revendication 7, dans lequel la vanne (22) est commandable, en particulier, en fonction d’un paramètre de fonctionnement (PAR) de la pile à combustible (1). Ensemble selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif de capture d’acide (2) comporte au moins une enceinte de condensation (30) comprenant un liquide (L) dans lequel sont injectés les gaz d’échappement (Ga, Gc) de manière à condenser et diluer l’acide. Ensemble selon la revendication 9, dans lequel le dispositif de capture d’acide (2) comporte au moins un circuit de refroidissement configuré pour refroidir le liquide (L) de l’enceinte de condensation (30). Ensemble selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le dispositif de capture d’acide (2) comporte au moins un échangeur de chaleur (23) configuré pour refroidir les gaz d’échappement désacidifiés (Ga*, Gc*). Ensemble selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le dispositif de capture d’acide (2) comporte au moins un séparateur de phase (40) configuré pour récupérer la phase liquide comprenant l’acide et l’eau des gaz d’échappement (Ga, Gc) et d’évacuer une phase gazeuse désacidifiée. Ensemble selon la revendication 12, dans lequel le dispositif de capture d’acide (2) comporte au moins un réservoir de stockage d’acide (41) configuré pour collecter la phase liquide. Ensemble comprenant un premier dispositif de capture d’acide (2) selon la revendication 4 monté à la sortie anodique (Sa) et un deuxième dispositif de capture d’acide (2) selon la revendication 9 monté à la sortie cathodique (Sc). Procédé d’utilisation d’un ensemble selon l’une des revendications 1 à 14, comprenant des étapes consistant à : extraire au moins une partie de l’acide présent dans les gaz d’échappement (Ga, Gc) d’au moins une des sorties (Sa, Sc) de la pile à combustible (1) et évacuer des gaz d’échappement désacidifiés (Ga*, Gc*).