INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
La partie 4 avale du circuit fluidique selon l’art antérieur comprend une première ligne d’évacuation secondaire 120 reliant la sortie 12 du premier groupe 10 de cellules électrochimiques au conduit d’évacuation principal 400, et une deuxième ligne d’évacuation secondaire 220 reliant la sortie 22 du deuxième groupe 20 de cellules électrochimiques au conduit d’évacuation principal 400. Les première et deuxième lignes d’évacuation secondaire 120, 220 forment typiquement un collecteur de sortie de la pile 1. Le conduit d’évacuation principal 400 est relié à un échappement 41, et est pourvu d’une vanne de purge 40.
La illustre un premier mode de réalisation d’une pile à combustible à architecture ping-pong selon l’invention, reprenant certains éléments de la pile à combustible illustrée à la . En particulier, les groupes 10, 20 de cellules électrochimiques et la partie 4 avale du circuit fluidique sont sensiblement identiques à ceux de l’art antérieur. De préférence, les deux groupes 10, 20 de cellules ont le même nombre de cellules, mais ils peuvent aussi être différents. Les groupes 10, 20 peuvent être imbriqués dans un seul et même empilement, avec une alternance de cellules du premier groupe et du deuxième groupe, comme décrit dans le document brevet FR2975227.
Dans ce premier mode de réalisation illustré à la , les modifications vis-à-vis de l’art antérieur sont situées dans la partie 3 amont du circuit fluidique.
La partie 3 amont selon le premier mode de réalisation de l’invention comprend de préférence une vanne d’arrêt 30 en sortie du réservoir 2, un conduit d’alimentation principal 300 sur lequel est monté un premier détendeur 31, de préférence un seul et unique premier détendeur 31, par exemple un détendeur 31 à double étage, éventuellement régulé par un capteur de pression 33, et configuré pour diminuer la pression du fluide issu du réservoir 2 depuis la haute pression vers la moyenne pression. La section du conduit d’alimentation principal 300a augmente en sortie du premier détendeur 31. Il faut noter que la présence de fluide à haute pression et le besoin de détente par le détendeur 31 vers de la moyenne pression est lié à une hypothèse d’alimentation par un réservoir 2 haute pression. Dans le cas d’une alimentation d’un autre type, par exemple par un stockage à moyenne pression ou via un réseau de gaz, cette alimentation pourra se faire directement à moyenne pression par une interconnexion sur le conduit d’alimentation principal 300a.
La partie 3 amont du circuit fluidique selon le premier mode de réalisation de l’invention comprend également une première ligne d’alimentation secondaire 100a, 100b reliant le conduit d’alimentation principal 300a à l’entrée 11 du premier groupe 10 de cellules électrochimiques, et une deuxième ligne d’alimentation secondaire 200a, 200b reliant le conduit d’alimentation principal 300a à l’entrée 21 du deuxième groupe 20 de cellules électrochimiques. Les première et deuxième lignes d’alimentation secondaire 100, 200 comprennent respectivement un premier injecteur 101 et deuxième injecteur 102.
Les premier et deuxième injecteurs 101, 201 permettent avantageusement de : Diminuer la pression du fluide issu du premier détendeur 31 depuis la moyenne pression vers respectivement une première basse pression et une deuxième basse pression, Autoriser ou bloquer le passage du fluide vers respectivement la première entrée 11 et la deuxième entrée 21.
Chaque injecteur 101, 201 remplit ainsi à la fois la fonction d’un détendeur et d’une vanne commutation. Les premier et deuxième injecteurs 101, 201 sont de préférence régulés en pression respectivement par des capteurs 102, 202 situés en aval des injecteurs 101, 201, respectivement sur les première et deuxième lignes d’alimentation secondaire 100b, 200b. Un cycle d’ouverture/fermeture à haute fréquence (jusqu’à plusieurs cycles par seconde) peut être appliqué à chaque injecteur 101, 201 en fonction de l’écart entre la consigne de pression et la valeur de pression mesurée en aval par les capteurs 102, 202. Ceci les rend plus réactifs, flexibles et précis vis-à-vis des conditions souhaitées pour la pile.
Selon une possibilité, les premier et deuxième injecteurs 101, 201 sont sensiblement identiques et la première basse pression est sensiblement égale à la deuxième basse pression. Selon une autre possibilité, les premier et deuxième injecteurs 101, 201 peuvent être dimensionnés différemment l’un de l’autre, et la première basse pression peut être différente de la deuxième basse pression.
Avantageusement, la section de la première ligne d’alimentation secondaire 100a en amont de l’injecteur 101 est sensiblement la même que celle du conduit d’alimentation principal 300a. De la même façon, la section de la deuxième ligne d’alimentation secondaire 200a en amont de l’injecteur 201 est sensiblement la même que celle du conduit d’alimentation principale 300a. Seules les lignes d’alimentation secondaire 100b, 200b en aval des premier et deuxième injecteurs 101, 201 présentent une section augmentée apte à conduire un débit volumique constant de fluide à basse pression. L’encombrement total de la partie amont 3 du circuit fluidique est ainsi réduit.
La illustre une première phase de fonctionnement de la pile 1 dans laquelle seul le premier groupe 10 est alimenté en fluide combustible. Dans cette configuration, le premier injecteur 101 est en fonctionnement tandis que le deuxième injecteur 201 est fermé. Le fonctionnement du premier injecteur 101 correspond typiquement à une alternance rapide d’ouvertures et de fermetures. La vanne de purge 40 est fermée. Comme illustré par les flèches le long du circuit fluidique, le fluide combustible issu du réservoir 2 traverse d’abord le premier détendeur 31. Le fluide combustible présente alors en sortie du premier détendeur 31 une pression moyenne de l’ordre de 5 à 20 bars (typiquement 6 à 8 bars). Le fluide combustible est alors conduit en entrée 11 du premier groupe 10 par la première ligne d’alimentation secondaire 100a, 100b, au travers du premier injecteur 101. Le fluide combustible présente alors en sortie du premier injecteur 101 une première basse pression inférieure à 4 bars. Le fluide combustible traverse ensuite le premier groupe 10 puis emprunte successivement la première ligne d’évacuation secondaire 120, la deuxième ligne d’évacuation secondaire 220, et parvient au deuxième groupe 20 par la sortie 22.
La illustre une deuxième phase de fonctionnement de la pile 1 dans laquelle seul le deuxième groupe 20 est alimenté en fluide combustible. Dans cette configuration, le premier injecteur 101 est fermé et le deuxième injecteur 201 est en fonctionnement. Le fonctionnement du deuxième injecteur 201 correspond typiquement à une alternance rapide d’ouvertures et de fermetures. La vanne de purge 40 est fermée. Comme illustré par les flèches le long du circuit fluidique, le fluide combustible issu du réservoir 2 traverse d’abord le premier détendeur 31. Le fluide combustible présente alors en sortie du premier détendeur 31 une pression moyenne de l’ordre de 5 à 20 bars (typiquement 6 à 8 bars). Le fluide combustible est alors conduit en entrée 21 du deuxième groupe 20 par la deuxième ligne d’alimentation secondaire 200a, 200b, au travers du deuxième injecteur 201. Le fluide combustible présente alors en sortie du deuxième injecteur 201 une deuxième basse pression inférieure à 4 bars. Le fluide combustible traverse ensuite le deuxième groupe 20 puis emprunte successivement la deuxième ligne d’évacuation secondaire 220, la première ligne d’évacuation secondaire 120, et parvient au premier groupe 10 par la sortie 12.
La transition entre les première et deuxième phases peut être instantanée, ou se faire avec un décalage. Si l’on passe par une transition où les deux injecteurs 101, 201 sont fermés, cette transition est de préférence courte (de l’ordre de quelques millisecondes par exemple) pour éviter une chute de la pression dans la pile. De la même manière, si les deux injecteurs 101, 201 sont en fonctionnement simultanément pendant la transition, sa durée est de préférence courte (de l’ordre de la seconde) pour éviter basculer dans un mode de fonctionnement de type « dead-end ».
La illustre une troisième phase de fonctionnement de la pile 1 dans laquelle les premier et deuxième groupes 10, 20 sont alimentés simultanément en fluide combustible. Dans cette configuration, le premier injecteur 101 est en fonctionnement et le deuxième injecteur 201 est en fonctionnement . La vanne de purge 40 est soit ouverte pour évacuer le fluide et les produits de réaction vers l’extérieur, soit fermée pour accumuler certains produits ou réactifs, par exemple de l’azote. Comme illustré par les flèches le long du circuit fluidique, le fluide combustible issu du réservoir 2 traverse d’abord le premier détendeur 31. Le fluide combustible présente alors en sortie du premier détendeur 31 une pression moyenne de l’ordre de 5 à 20 bars (typiquement 6 à 8 bars). Une partie du fluide combustible est alors conduite en entrée 11 du premier groupe 10 par la première ligne d’alimentation secondaire 100a, 100b, au travers du premier injecteur 101, et une autre partie du fluide combustible est conduite en entrée 21 du deuxième groupe 20 par la deuxième ligne d’alimentation secondaire 200a, 200b, au travers du deuxième injecteur 201. Le fluide combustible présente alors en sortie du premier injecteur 201 une première basse pression inférieure à 4 bars. Le fluide combustible présente alors en sortie du deuxième injecteur 201 une deuxième basse pression inférieure à 4 bars. Le fluide combustible traverse ensuite respectivement les premier et deuxième groupes 10, 20 puis emprunte les première et deuxième lignes d’évacuation secondaire 120, 220, jusqu’au conduit d’évacuation principal 400. Le fluide appauvri en combustible peut-être accumulé dans la partie avale 4 du circuit fluidique si la vanne de purge 40 est fermée, ou évacué vers l’échappement 41 si la vanne de purge 40 est ouverte.
L’utilisation de deux injecteurs 101, 201 en lieu et place de vannes de commutation classiques en amont des entrées 11, 21 de chaque groupe 10, 20 permet avantageusement d’appliquer des consignes de pression différentes et/ou variables dans le temps aux groupes 10, 20, lors des différentes phases de fonctionnement de la pile 1. Il est ainsi possible d’appliquer des consignes de pression différentes pour le premier injecteur 101 et pour le deuxième injecteur 201. Il est également possible de diminuer progressivement la pression à la fin de la première phase de fonctionnement (respectivement à la fin de la deuxième phase de fonctionnement). Cela permet d’augmenter la différence de pression dans le circuit fluidique et au sein des groupes 10, 20 entre la fin de la première phase de fonctionnement et le début de la deuxième phase de fonctionnement lui succédant. Le débit de fluide est ainsi augmenté. Cela permet d’améliorer le déplacement de la phase liquide dans les groupes 10, 20 de cellules. Par ailleurs, si des différences de performance apparaissent entre les deux groupes 10, 20 de cellules, l’application de pressions différentes pendant les première et deuxième phases peut remédier à ce problème. L’utilisation de deux injecteurs 101, 201 apporte donc avantageusement plus de réactivité et de souplesse de fonctionnement pour le fonctionnement de la pile 1. Le fonctionnement des injecteurs est également avantageusement indépendant du débit de fluide, qui présente de fortes variations dans une pile à combustible. Ces variations de débit peuvent générer des imprécisions dans le comportement du détendeur 31, qui peuvent être corrigées par les injecteurs 101, 201 au travers du pilotage de ceux-ci. Les injecteurs permettent donc de simplifier le pilotage en pression de la pile. Ceci est d’autant plus vrai quand le détendeur 31 ne dispose pas d’une régulation par un capteur aval 33, élément d’économie et de simplicité pour le système.
Structurellement, le conduit d’évacuation principal 400 commun aux deux groupes 10, 20 peut être inclus dans l’empilement des groupes 10, 20 de cellules, comme décrit dans le document FR2975227. Il joue alors le rôle de séparateur de phase et permet de collecter l’eau liquide. Un organe dédié peut être ajouté pour améliorer l’efficacité de cette séparation, par exemple un matériau poreux, une ou des chicanes, etc.
La illustre un deuxième mode de réalisation d’une pile à combustible à architecture ping-pong selon l’invention. Seules les caractéristiques différentes de ce deuxième mode de réalisation vis-à-vis du premier mode de réalisation sont décrites ci-après. Les autres caractéristiques sont réputées identiques à celles du premier mode de réalisation.
Dans ce deuxième mode de réalisation, les premier et deuxième injecteurs 101, 201 ne sont plus associés chacun à un capteur de pression indépendant. Un seul capteur de pression 401, monté sur la partie 4 avale du circuit fluidique en sortie des premier et deuxième groupes 10, 20, est utilisé pour la régulation des premier et deuxième injecteurs 101, 201. Cela permet de limiter le nombre de capteurs de pression et donc de diminuer les coûts et d’améliorer la compacité de la pile 1. Le contrôle des premier et deuxième injecteurs 101, 201 est également simplifié. Dans cette position du capteur 401, la mesure de pression est effectuée de préférence à mi-chemin entre la sortie du groupe 10 et la sortie du groupe 20. Si les deux groupes 10, 20 sont identiques, cela permet de mesurer une même valeur de pression indépendamment du groupe alimenté.
Comme le capteur 401 est ici monté sur la partie avale 4 du circuit fluidique, il peut être avantageux d’introduire un modèle de pertes de charge dans les deux groupes 10, 20 de cellules, pour le contrôle-commande des injecteurs 101, 201. Cela améliore la régulation des injecteurs 101, 201. Ce modèle de pertes de charge peut être établi à partir d’une caractérisation précise du comportement fluidique des groupes 10, 20 de cellules. Un ou des contrôleurs d’injection (non illustré) configurés pour contrôler les injecteurs 101, 201, peuvent typiquement prendre en compte ce modèle de pertes de charge pour le contrôle et la commande des injecteurs 101, 201.
La illustre un troisième mode de réalisation d’une pile à combustible à architecture ping-pong selon l’invention. Seules les caractéristiques différentes du troisième mode de réalisation vis-à-vis du premier mode de réalisation ou du deuxième mode de réalisation sont décrites ci-après. Les autres caractéristiques sont réputées identiques à celles du premier mode de réalisation ou du deuxième mode de réalisation.
Dans ce troisième mode de réalisation, deux injecteurs sont montés en parallèle sur chacune des lignes d’alimentation secondaire. Cela permet à la fois d’obtenir une redondance de matériel, en cas de défaillance d’un des injecteurs par exemple, et d’augmenter la gamme de débits pour chaque groupe 10, 20. Ainsi, la première ligne d’alimentation secondaire 100 se divise en deux branches 100a, 100c portant respectivement des injecteurs 101, 103 alimentant chacun l’entrée 11 du premier groupe 10. La deuxième ligne alimentation secondaire 200 se divise également en deux branches 200a, 200c portant respectivement des injecteurs 201, 203 alimentant chacun l’entrée 21 du deuxième groupe 20. Les injecteurs 101, 103, 201, 203 peuvent être tous identiques, identiques deux à deux, ou tous différents en fonction des besoins. L’utilisation de plusieurs injecteurs en parallèle permet avantageusement d’obtenir une gamme de débits plus large. Cela permet également de limiter les oscillations de pression en moyennant les cycles d’ouverture/fermeture de chaque injecteur. Cela permet également de pallier une défaillance d’injecteur. Cela peut également permettre d’augmenter la durée de vie d’un injecteur, car il peut n’être sollicité qu’une fois sur deux.
Ce troisième mode de réalisation est ici illustré avec un capteur 401 en aval des groupes 10, 20, configuré pour réguler l’ensemble des injecteurs 101, 103, 201, 203, comme pour le deuxième mode de réalisation. Un deuxième capteur 403 est ici prévu pour une question de sécurité : en cas de défaillance du capteur 401, le capteur 403 supplée au capteur 401.
Selon un exemple, la pile comprend en outre un contrôleur configuré pour commander les premier et deuxième injecteurs en fonction d’une mesure de pression du capteur et optionnellement d’un modèle de perte de charge établi pour les premier et deuxième groupes de cellules électrochimiques. Cela améliore la régulation des premier et deuxième injecteurs. Un tel modèle peut tenir compte de paramètres complémentaires aux pertes de charge, comme par exemple la température de la pile ou la densité de courant.
Selon un exemple, le circuit fluidique comprend en outre dans la partie amont : Une troisième ligne d’alimentation secondaire en parallèle de la première ligne d’alimentation secondaire, reliée au conduit d’alimentation principal et reliée à la première entrée du premier groupe, une quatrième ligne d’alimentation secondaire en parallèle de la deuxième ligne d’alimentation secondaire, reliée au conduit d’alimentation principal et reliée à la deuxième entrée du deuxième groupe.
Selon un exemple, la pile comprend en outre : Un troisième injecteur sur la troisième ligne d’alimentation secondaire, autorisant ou bloquant l’écoulement du fluide vers la première entrée, et configuré pour diminuer la pression du fluide issu du conduit d’alimentation principal, depuis la moyenne pression vers une troisième basse pression, Un quatrième injecteur sur la quatrième ligne d’alimentation secondaire, autorisant ou bloquant l’écoulement du fluide vers la deuxième entrée, et configuré pour diminuer la pression du fluide issu du conduit d’alimentation principal, depuis la moyenne pression vers une quatrième basse pression.
Les première et deuxième lignes d’alimentation secondaires sont ainsi doublées ou secondées par les troisième et quatrième lignes d’alimentation secondaires, respectivement. Le terme « parallèle » ne signifie pas nécessairement que ces lignes d’alimentation secondaires présentent des structures parallèles entre elles. Le terme « parallèle » ne s’entend pas comme « structurellement parallèle ». Il signifie que le montage de ces lignes d’alimentation secondaires est effectué en parallèle. Il signifie également que ces lignes d’alimentation secondaires sont comparables entre elles. Une troisième ligne d’alimentation secondaire pourvue d’un troisième injecteur permet une redondance de matériel avec la première ligne d’alimentation secondaire pourvue du premier injecteur. Une quatrième ligne d’alimentation secondaire pourvue d’un quatrième injecteur permet une redondance de matériel avec la deuxième ligne d’alimentation secondaire pourvue du deuxième injecteur. Cela améliore la fiabilité de la pile. Cela permet également d’étendre la gamme de débits accessible pour les premier et deuxième groupes de cellules. Cela limite également les oscillations de pression en entrée des groupes de la pile. Les troisième et quatrième lignes d’alimentation secondaires ne sont pas nécessairement identiques aux première et deuxième lignes d’alimentation secondaires. Les troisième et quatrième injecteurs ne sont pas nécessairement identiques aux premier et deuxième injecteurs. Des injecteurs dimensionnés différemment l’un de l’autre, par exemple un gros injecteur et un petit injecteur en parallèle, permettent typiquement de balayer la gamme de débit avec moins d’oscillations de pression. Deux injecteurs identiques en parallèle permettent typiquement de doubler la gamme de débit.
Selon un exemple, les premier, deuxième, troisième et quatrième injecteurs sont régulés en pression par un capteur situé sur la partie avale du circuit fluidique, par exemple sur le conduit d’évacuation principal, typiquement entre les première et deuxième sorties et l’organe de purge. Cela minimise le nombre d’organes présents sur le circuit fluidique. La compacité de la pile est améliorée.
Selon un exemple, la pile comprend en outre un capteur supplémentaire destiné à suppléer le capteur situé sur la partie avale du circuit fluidique. Le capteur supplémentaire forme une redondance avec le capteur situé sur la partie avale du circuit fluidique. Cela améliore la fiabilité de la pile.
Selon un exemple, le conduit d’alimentation principal est relié à un premier organe de détente configuré pour diminuer la pression du fluide issu d’un réservoir stockant le fluide à une pression dite haute pression, depuis la haute pression vers la moyenne pression.
Selon un exemple, le premier organe de détente est formé par un injecteur différent des premier et deuxième injecteurs. Cela améliore la compacité du circuit fluidique. Un injecteur est plus compact qu’un détendeur.
Selon un exemple, le premier organe de détente est un simple détendeur.
Selon un exemple, les lignes d’alimentation secondaires comprennent seulement un ou plusieurs injecteurs avec éventuellement leurs capteurs associés, sans vannes de commutation. Selon un exemple, les lignes d’alimentation secondaires sont directement reliées au conduit d’alimentation principal et aux entrées des groupes considérés.
Sauf incompatibilité, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d’autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif. En particulier, des éléments décrits ou illustrés pour certains modes de réalisation de la pile peuvent être combinés de manière à former un autre mode de réalisation qui n’est pas nécessairement illustré ou décrit. Un tel mode de réalisation n’est évidemment pas exclu de l’invention. Une pile à combustible selon la présente invention comprend au moins deux groupes de cellules électrochimiques. L’homme du métier n’aura aucune difficulté à mettre en œuvre un mode de réalisation comprenant plus de deux groupes de cellules électrochimiques.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « système de pile à combustible à architecture ping-pong » un système comprenant au moins deux groupes de cellules électrochimiques réparties dans un ou plusieurs empilements. Chaque groupe est ainsi constitué d’une série de cellules électrochimiques interconnectées électriquement et fluidiquement. Les cellules se présentent typiquement sous forme d’un assemblage membrane-électrode couramment désigné AME. La pile comprend ici au moins cinq cellules empilées, et de préférence au moins dix.
Le système de pile à architecture ping-pong présente typiquement différentes phases de fonctionnement, en particulier, une première phase pendant laquelle un premier groupe est alimenté directement par un premier injecteur, le deuxième groupe étant alimenté uniquement par le gaz sortant du premier groupe, une deuxième phase pendant laquelle le deuxième groupe est alimenté directement par un deuxième injecteur, le premier groupe étant alimenté uniquement par le gaz sortant du deuxième groupe, une troisième phase de fonctionnement simultané des premier et deuxième groupes et/ou une phase de purge. Les première et deuxième phases sont effectuées en alternance. La troisième phase de fonctionnement et/ou la phase de purge succèdent aux première et deuxième phases.
Les termes « haute pression », « moyenne pression » et « basse pression » sont parfaitement clairs pour l’homme du métier. Une haute pression est strictement supérieure à une moyenne pression. Une moyenne pression est strictement supérieure à une basse pression. Une haute pression est généralement supérieure à 50 bars, voire supérieure à 100 bars. Une haute pression peut atteindre jusqu’à 700 bars, voire plus en fonction des conditions. Une pression moyenne est généralement comprise entre 5 et 40 bars, typiquement entre 5 et 20 bars. Une basse pression est généralement inférieure à 4 bars.