CA2510667C - Securement system for a fuel cell operating in a closed room - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un système de sécurisation d'une pile à
combustible fonctionnant dans un local fermé.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la sécurité des installations pour piles à combustible.
s En fonctionnement, une pile à combustible rejette dans l'atmosphère ambiante de l'air appauvri en oxygène provenant du compartiment cathodique de la pile, ainsi que de la vapeur d'eau. D'autre part, de l'hydrogène peut également être émis accidentellement dans l'air environnant, soit à la suite de fuites localisées à l'intérieur du système à pile à combustible, soit parce qu'il Io est rejeté dans l'air appauvri en oxygène en sortie de pile.
En cas d'utilisation dans un local fermé, il y a donc des risques d'accumulation des rejets émis par la pile à combustible. Ce risque est particulièrement sensible dans le cas où la ventilation, naturelle ou forcée, du local où se trouve la pile est inférieure au minimum requis, ou dans le cas où
is ce local ne présente pas un volume suffisant.
Les risques liés à une accumulation excessive des produits rejetés par la pile à combustible en fonctionnement sont d'ordre divers.
II y a d'abord le risque d'asphyxie. En effet, l'accumulation de l'air appauvri provoque un manque d'oxygène qui peut être gênant, voire fatal, ceci 2o avant que les performances du système de pile lui-même n'en soient suffisamment affectées.
Par ailleurs, une accumulation d'hydrogène fait peser un risque d'explosion ou d'incendie du local dans lequel est située la pile à
combustible.
Enfin, la présence de buée en sortie de pile, sans constituer un risque 2s réel pour la vie des personnes, peut présenter un caractère génant par les condensations qui pourraient en résulter à proximité de la sortie du système de pile.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un système de sécurisation d'une pile à combustible 3o fonctionnant dans un local fermé, qui permettrait de limiter, et même d'éliminer, les risques précités dus à une trop grande concentration dans ledit local des produits gazeux émis par le système de pile. The present invention relates to a system for securing a battery to fuel operating in a closed room.
The invention finds a particularly advantageous application in the field of safety of fuel cell installations.
s In operation, a fuel cell releases into the atmosphere ambient oxygen-depleted air from the cathode compartment of the pile, as well as water vapor. On the other hand, hydrogen can accidentally emitted into the surrounding air, either as a result of of localized leaks inside the fuel cell system, either because it Io is released into the depleted oxygen air at the stack outlet.
If used in a closed room, there are risks accumulation of releases emitted by the fuel cell. This risk is particularly sensitive in the case where ventilation, natural or forced, of where the battery is located is less than the required minimum, or where This local does not have enough volume.
The risks associated with excessive accumulation of rejected products the fuel cell in operation are of various kinds.
First there is the risk of asphyxiation. Indeed, the accumulation of air depleted causes a lack of oxygen that can be bothersome, even fatal, this 2o before the performance of the battery system itself is sufficiently affected.
In addition, a build-up of hydrogen poses a risk explosion or fire in the room in which the battery is located.
combustible.
Finally, the presence of steam at the stack outlet, without constituting a risk 2s real for the life of people, may be of a genial nature by condensations that could result near the exit of the system stack.
Also, the technical problem to be solved by the object of this invention is to propose a system for securing a fuel cell 3o operating in a closed room, which would limit, and even to eliminate, the aforementioned risks due to excessive concentration in said local gaseous products emitted by the battery system.
2 Une solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit système de sécurisation comprend un détecteur de fuites d'hydrogène sur le circuit d'alimentation du compartiment anodique de ladite pile à combustible.
s Plus spécialement, ledit détecteur de fuites comprend un comparateur du débit d'hydrogène fourni au compartiment anodique au débit d'hydrogène équivalent au courant produit par la pile à combustible.
Concernant maintenant l'ensemble des gaz rejetés dans le local, il est également prévu par l'invention que, ladite pile présentant une sortie d'air ~o appauvri, ledit système de sécurisation comprend un ventilateur placé dans ledit local en amont de la direction de ventilation par rapport à ladite sortie d'air appauvri.
Ainsi, le ventilateur dilue l'air en sortie de la pile à combustible de même que la vapeur d'eau. II permet également de ventiler la fuite maximum Is de l'hydrogène compte tenu des dimensionnements du système.
Ledit ventilateur a également pour rôle de provoquer un brassage de l'air à l'endroit où se situe la pile à combustible et d'éviter la formation de poches où des gaz dangereux pourraient s'accumuler.
L'efficacité du ventilateur est elle-même contrôlée du fait que le 2o système de sécurisation selon l'invention comprend un détecteur de fonctionnement minimal dudit ventilateur.
Dans un premier mode de réalisation, ledit fonctionnement minimal concerne le débit d'air fourni par le ventilateur. II faut alors munir le système d'un capteur de débit et comparer le débit mesuré à un seuil minimum donné.
2s Dans un second mode de réalisation, ledit fonctionnement minimal concerne la vitesse de rotation du ventilateur. Là encore, il faut équiper le ventilateur d'un capteur de vitesse et comparer la vitesse de rotation mesurée à un seuil minimum donné.
De plus, on sait qu'une autre source de production d'hydrogène dans 30 l'air de sortie à la cathode de la pile peut provenir de l'inversion de polarité
dans certaines cellules de la pile. Le passage forcé de courant dans des cellules sous-alimentées en oxygène provoque par phénomène de demi-électrolyse la formation d'hydrogène dans le compartiment air. 2 A solution to the technical problem consists, according to the present in that said security system comprises a detector of hydrogen leaks on the feed circuit of the anode compartment of said fuel cell.
More specifically, said leak detector comprises a comparator the flow of hydrogen supplied to the anode compartment at the hydrogen flow rate equivalent to the current produced by the fuel cell.
Regarding now all the gases released into the room, it is also provided by the invention that said stack having an air outlet ~ o depleted, said security system includes a fan placed in said room upstream of the ventilation direction with respect to said exit depleted air.
Thus, the fan dilutes the air at the outlet of the fuel cell of same as water vapor. It also allows to ventilate the maximum leak Is hydrogen considering the sizing of the system.
Said fan also has the role of causing a stirring of where the fuel cell is located and avoid training of pockets where dangerous gases could accumulate.
The efficiency of the fan itself is controlled by the fact that the 2o security system according to the invention comprises a detector of minimal operation of said fan.
In a first embodiment, said minimal operation relates to the air flow supplied by the fan. It must then be provided system a flow sensor and compare the measured flow to a given minimum threshold.
2s In a second embodiment, said minimal operation relates to the speed of rotation of the fan. Again, we must equip the fan a speed sensor and compare the rotational speed measured at a given minimum threshold.
In addition, it is known that another source of hydrogen production in The outlet air at the cathode of the cell can come from the inversion of polarity in some cells of the stack. The forced passage of current in cells underfed by oxygen causes by half phenomenon electrolysis the formation of hydrogen in the air compartment.
3 Afin d'obtenir une protection contre le risque lié à ce phénomène, le système de sécurisation selon l'invention comprend un détecteur de l'hydrogène produit dans le compartiment cathodique de ladite pile à
combustible.
s De manière pratique, ledit détecteur d'hydrogène comprend un comparateur de la tension fournie par la pile à combustible à un seuil donné.
Enfin, d'autres dispositions avantageuses sont prévues par l'invention concernant la sécurisation du système de pile à combustible vis-à-vis de la production d'oxygène ou d'hydrogène rejeté dans l'atmosphère ambiante du lo local.
En effet, l'invention prévoit que le système de sécurisation comprend un détecteur de teneur minimale en oxygène disposé en amont du ventilateur.
De même, s'agissant de l'hydrogène, il y a avantage à ce que le système de sécurisation conforme à l'invention comprend un détecteur de Is teneur maximale en hydrogène disposé en amont du ventilateur.
Ce positionnement desdits détecteurs en amont du ventilateur est préférable à un positionnement en aval, notamment après la sortie d'air appauvri. En effet, dans cette dernière disposition, les gaz ne seraient pas encore complètement homogénéisés dans le volume du système et un 2o positionnement correct ne serait pas assuré.
L'invention propose donc un ensemble de mesures de sécurisation qui provoquent l'arrêt immédiat du système de pile à combustible dès lors qu'au moins l'une d'entre elles n'est pas satisfaite.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre 2s d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
La figure 1 est un schéma d'un système de sécurisation d'une pile à
combustible, conforme à l'invention.
Sur la figure 1 est représentée de manière schématique une cellule 10 3o d'un système de pile à combustible comprenant un compartiment anodique 11 dans lequel est injecté de l'hydrogène, constituant le combustible de la pile.
En sortie du compartiment anodique 11, sont rejetés de l'hydrogène ainsi que de la vapeur d'eau. 3 In order to obtain protection against the risk associated with this phenomenon, the security system according to the invention comprises a detector of the hydrogen produced in the cathode compartment of said battery combustible.
In practice, said hydrogen detector comprises a comparing the voltage supplied by the fuel cell to a given threshold.
Finally, other advantageous arrangements are provided by the invention concerning the safety of the fuel cell system vis-à-vis the production of oxygen or hydrogen released into the ambient atmosphere of the lo local.
Indeed, the invention provides that the security system comprises a minimum oxygen content detector arranged upstream of the fan.
Similarly, with respect to hydrogen, it is advantageous for the security system according to the invention comprises a detector of Is maximum hydrogen content arranged upstream of the fan.
This positioning of said detectors upstream of the fan is preferable to downstream positioning, especially after the exit of air depleted. Indeed, in this last provision, the gases would not be still completely homogenized in the system volume and a 2o correct positioning would not be assured.
The invention therefore proposes a set of security measures that cause the immediate shutdown of the fuel cell system as soon as least one of them is not satisfied.
The following description with reference to the attached drawing, given as a 2s of non-limiting example, will make clear what is the invention and how it can be achieved.
FIG. 1 is a diagram of a system for securing a battery fuel, according to the invention.
In Figure 1 is shown schematically a cell 10 3o of a fuel cell system comprising an anode compartment 11 in which hydrogen is injected, constituting the fuel of the cell.
At the outlet of the anode compartment 11, hydrogen is rejected as well as water vapor.
4 Au compartiment cathodique 12 de l'air est introduit afin de fournir l'oxygène constituant le comburant de la pile. Les produits sortant du compartiment cathodique 12 sont de l'air appauvri en oxygène et de la vapeur d'eau.
s Au cours du fonctionnement de la pile 10 à combustible, sont rejetés dans le local contenant la pile de l'air appauvri en oxygène, de la vapeur d'eau et de l'hydrogène provenant des fuites pouvant exister à l'intérieur du système de pile à combustible. De plus, de l'hydrogène peut être mêlé à l'air appauvri en sortie du compartiment cathodique, la présence de cet hydrogène étant dû
to au phénomène de demi-électrolyse mentionné plus haut.
Afin de limiter les risques liés à ces rejets gazeux dans un local fermé, le système de sécurisation illustré à la figure 1 prévoit un certain de dispositions pratiques visant soit à contrôler la teneur des gaz rejetés ou formés dans la pile, soit à en éviter les effets néfastes.
ts Tout d'abord, on peut voir sur la figure 1, la présence d'un ventilateur 20 placé en amont de la direction de ventilation par rapport à la sortie 121 de l'air appauvri. L'action du ventilateur 20 est de diluer l'air et la vapeur d'eau sortant de la pile à combustible, ainsi que de ventiler les fuites d'hydrogène.
De même, sont évitées les formations de poches et les accumulations des gaz 2o dangereux.
Pour augmenter la sécurisation conférée par le ventilateur 20, le système de la figure 1 comprend un détecteur du fonctionnement minimal dudit ventilateur, de manière à ce que si certains paramètres de fonctionnement du ventilateur 20 deviennent inférieurs à un seuil donné, le 2s système de pile à combustible est automatiquement arrêté.
La détection du fonctionnement minimal du ventilateur 20 peut se faire sur la rotation elle-même ou sur le débit d'air fourni. Dans les deux cas, la valeur de vitesse de rotation ou le débit mesuré est comparé à un seuil S1. Si la comparaison est négative, le comparateur 21 délivre un signal d'arrêt au 3o système.
Comme on peut le voir sur la figure 1, deux détecteurs 30, 40 sont disposés en amont du ventilateur 20. II s'agit d'un détecteur 30 de teneur maximale en hydrogène et d'un détecteur 40 de teneur minimale en oxygène.
Ces détecteurs ont pour rôle de contrôler que la quantité d'hydrogène et la quantité d'oxygène présentes dans l'atmosphère ambiante du local n'est pas trop importante, respectivement suffisante.
Chacun des détecteurs 30, 40 est relié à un comparateur 31, 41 de la s concentration mesurée en hydrogène à un seuil haut S2 et de la concentration en oxygène à un seuil bas S3. Là encore, la comparaison négative à un de ces seuils provoque l'arrêt de la pile.
Le système de sécurisation de la figure 1 comprend également un détecteur de fuites d'hydrogène sur le circuit 111 d'alimentation du io compartiment anodique 11 de la pile.
Ainsi que l'illustre la figure 1, ce détecteur de fuites d'hydrogène comporte un débit-mètre 50 destiné à mesurer le débit D d'hydrogène dans le circuit 111 d'alimentation. Par ailleurs, il est possible de connaître le débit massique DO d'hydrogène effectivement consommé équivalent au courant I
Is produit par la pile et mesuré par un ampèremètre 52 en utilisant la relation de proportionnalité fournie par la loi de Faraday DO = a.l où a = Nbcellules / (2.constante Faraday).(22,4 I/mol) Les valeurs des débits D et DO ainsi obtenus sont appliquées à un 2o comparateur 51. Un écart de plus ou moins 5% par exemple permet de détecter une fuite d'hydrogène ou la défaillance de l'un des capteurs et d'arrêter le fonctionnement de la pile.
Enfin, l'hydrogène produit dans l'air en sortie au compartiment cathodique 12 à la suite du phénomène de demi-électrolyse lié à l'inversion de 2s polarité dans la pile peut étre détecté en mesurant au moyen du voltmètre la tension V produite par la pile à combustible et en la comparant par un comparateur 61 à un seuil R.I dont la valeur dépend, avantageusement, du courant I, R étant la pente de la caractéristique nominale courant-tension de la pile à combustible. Si la tension V est inférieure à ce seuil, le comparateur 3o délivre alors un signal d'arrêt du système de pile à combustible. 4 At the cathode compartment 12 of the air is introduced in order to provide the oxygen constituting the oxidant of the cell. Products coming out of 12 cathode compartment are oxygen-depleted air and steam of water.
During operation of the fuel cell, are rejected in the room containing the stack of oxygen-depleted air, steam water and hydrogen from leaks that may exist inside the system fuel cell. In addition, hydrogen can be mixed with depleted air at the outlet of the cathode compartment, the presence of this hydrogen being due to the phenomenon of semi-electrolysis mentioned above.
In order to limit the risks associated with these gaseous discharges in a closed room, the security system illustrated in Figure 1 provides a number of practical provisions to either control the content of the gases released or formed in the pile, or to avoid the harmful effects.
ts First, we can see in Figure 1, the presence of a fan 20 placed upstream of the ventilation direction with respect to the exit 121 of the impoverished air. The action of the fan 20 is to dilute the air and the steam water coming out of the fuel cell, as well as to ventilate the leaks hydrogen.
Likewise, pocket formations and accumulations of gases are avoided 2o dangerous.
To increase the security conferred by the fan 20, the Figure 1 system includes a minimum operating detector said fan, so that if certain parameters of operation of the fan 20 become below a given threshold, the 2s fuel cell system is automatically shut down.
The detection of the minimum operation of the fan 20 can be done on the rotation itself or on the air flow supplied. In both cases, the rotational speed value or the measured flow rate is compared with a threshold S1. Yes the comparison is negative, the comparator 21 delivers a stop signal to the 3o system.
As can be seen in FIG. 1, two detectors 30, 40 are arranged upstream of the fan 20. It is a detector 30 of content hydrogen and a detector 40 of minimum oxygen content.
These detectors have the role of controlling that the quantity of hydrogen and the amount of oxygen present in the ambient atmosphere of the room is not too important, respectively sufficient.
Each of the detectors 30, 40 is connected to a comparator 31, 41 of the s concentration measured in hydrogen at a high threshold S2 and the concentration in oxygen at a low threshold S3. Again, the negative comparison to one of these thresholds cause the battery to stop.
The security system of Figure 1 also includes a hydrogen leak detector on the power circuit 111 of the anode compartment 11 of the battery.
As illustrated in Figure 1, this hydrogen leak detector comprises a flow meter 50 for measuring the flow rate D of hydrogen in the circuit 111 power supply. Moreover, it is possible to know the debit mass DO of hydrogen actually consumed equivalent to the current I
Is produced by the battery and measured by an ammeter 52 using the relationship of proportionality provided by Faraday's law DO = al where a = Nb cells / (2 constant Faraday) (22.4 I / mol) The values of the flow rates D and OD thus obtained are applied to a 2o comparator 51. A difference of plus or minus 5% for example allows detect a hydrogen leak or the failure of one of the sensors and to stop the operation of the battery.
Finally, the hydrogen produced in the air at the outlet to the compartment cathode 12 following the phenomenon of half-electrolysis linked to the inversion of 2s polarity in the cell can be detected by measuring using the voltmeter the voltage V produced by the fuel cell and comparing it with a comparator 61 to a threshold RI whose value depends, advantageously, on current I, R being the slope of the nominal current-voltage characteristic of the Fuel cell. If the voltage V is below this threshold, the comparator 3o then delivers a stop signal of the fuel cell system.
Claims (10)
en ce que, ladite pile présentant une sortie (121) d'air appauvri, ledit système de sécurisation comprend un ventilateur (20) placé dans ledit local en amont de la direction de ventilation par rapport à ladite sortie (121) d'air appauvri. 3. Security system according to one of claims 1 or 2, characterized in this that, said stack having an outlet (121) of depleted air, said system of security comprises a fan (20) placed in said room upstream of the direction ventilation relative to said depleted air outlet (121).
combustible à un seuil donné (R.I). 8. Security system according to claim 7, characterized in that said hydrogen detector comprises a comparator (61) of the voltage (V) supplied by the battery fuel at a given threshold (RI).
en amont du ventilateur (20). 9. Security system according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises a detector (40) of minimum content of oxygen arranged upstream of the fan (20).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EEER | Examination request | ||
| MKLA | Lapsed |
Effective date: 20200831 |
|
| MKLA | Lapsed |
Effective date: 20200831 |