EP2162939A2 - Procede et dispositif de securisation passive d'un ensemble pile a combustible - Google Patents

Procede et dispositif de securisation passive d'un ensemble pile a combustible

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EP2162939A2
EP2162939A2 EP08806001A EP08806001A EP2162939A2 EP 2162939 A2 EP2162939 A2 EP 2162939A2 EP 08806001 A EP08806001 A EP 08806001A EP 08806001 A EP08806001 A EP 08806001A EP 2162939 A2 EP2162939 A2 EP 2162939A2
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EP
European Patent Office
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anode
flow
buffer
cathode
exhaust
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08806001A
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German (de)
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Inventor
Damien-Pierre Sainflou
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PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
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Publication date
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Priority claimed from FR0755856A external-priority patent/FR2917902B1/fr
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Definitions

  • the present invention relates to the field of fuel cells. More particularly, the present invention relates to the field of on-board fuel cell generator sets. The use of such onboard generator sets has grown considerably recently, particularly in the field of motor vehicles.
  • a fuel cell for example a proton exchange membrane fuel cell called PEMFC, produces electricity from the synthesis reaction of water by combining oxygen and hydrogen. 'hydrogen.
  • the oxygen usually from a source A, for example atmospheric air is routed, if necessary after humidification.
  • station C to the cathode Ha while hydrogen, from a source B of pure storage or hydrogenated fuel processing is conveyed to the anode Hb of a fuel cell H to produce hydrogen electricity G by chemical reaction.
  • the temperature of this fuel cell is regulated by an external control system D of the temperature.
  • the cathode Ha exits through the exhaust line E a mixture of moist air depleted about 50% oxygen and the water produced during the reaction in the fuel cell. combustible.
  • the permanent hydrogen evacuation for the purposes of proper operation of the fuel cell assembly poses a notorious safety problem for it, especially when the fuel cell is loaded on board a vehicle. , a problem that can be amplified by certain vehicle life situations such as indoor use, stopping, maintenance, accident etc.
  • Such an inert gas device is known from JP-A-7029586 which shows the introduction into a line of anode flow of a mixture of an inert gas and an anode gas to purge this line, with a concentration of hydrogen in this mixture below the explosive limit.
  • a mixture of cathode gas and inert gas is provided for purging the cathode line.
  • This document also shows a recirculation loop between the anode exhaust line and the anode feed line.
  • the document FR-A-2,870,390 describes a device for securing a fuel cell assembly comprising a reactor disposed downstream of the fuel cell and capable of recombining hydrogen and oxygen by producing hydrogen. water and thus ensuring passive safety.
  • This document does not describe any means of regulating the hydrogen concentration. It only discloses the use of, for example, catalytic burners, means for removing hydrogen or maintaining it at a harmless concentration.
  • the operation of a catalytic burner is strongly disturbed when the fuel cell system undergoes periodic purges of the anode line of this system. Indeed, the sudden influx of a high concentration of hydrogen raises the temperature to levels too important to be compatible with the materials used in the catalytic burner. Between each purge, the catalytic burner lowers its temperature and then tends to deactivate and the combustion reaction of the hydrogen is accordingly reduced or canceled.
  • this reserve is initially pressurized around the atmospheric pressure because if it was not completely emptied of the previous purge it is still slightly pressurized. It may also have been put in slight depression during its emptying.
  • the reserve fills and pressurizes again to reach the maximum driving pressure of the filling that is to say the pressure of the anode outlet. This establishes a back pressure between the reserve and the anode compartment which slows down the purge rate by deteriorating the quality of the purge, for example by making the evacuation of less efficient water and resulting in a lesser renewal of the gas mixture. It is then necessary to increase the purge time to maintain the quality of the purge.
  • the problem underlying the present invention is, on the one hand, to ensure the security of a fuel cell assembly for hydrogen discharges, this security having to take particular account of irregularities in flow rate. hydrogen from the purges occurring in the anode compartment of the fuel cell and secondly, to allow proper operation of the fuel cell by reducing the disadvantages occurring during purges.
  • the subject of the invention is a method of passive securing of a fuel cell assembly, having cathode output streams, anode, sent at least in part to a means of elimination proper to maintain the fuel cell.
  • hydrogen at a harmless concentration comprising the steps of: collecting at least a portion of the anode output stream in a buffer reserve, controlled discharge of the buffer reserve, this regulation being effected according to one or more parameters of the various output streams and / or operating conditions of the cell and / or the removal means in order to always guarantee a hydrogen concentration lower than the Lower Explosive Limit in the flux obtained after mixing, mixing the output stream regulated anode with the cathode output stream, and conducting at least a portion of the stream after mixing for example with a catalytic burner.
  • the evacuation of the buffer reservoir is carried out by creating a depressurization of the buffer reserve
  • the flow mixtures are made by venturi effect using a depressor element and the method comprises a step of controlling the flow characteristics just before and after mixing the anode flow and the cathode flow, this mixture then being conducted at least in part to the removal means.
  • the method may further comprise a step of controlling the flow characteristics just before and after mixing the anode flow and the cathode flow, this mixture then being led at least partly to the elimination means.
  • the regulation of the evacuation flow rate of the buffer reserve (3) is carried out as a function of one or more of the following parameters: product stream, periodicity of the purges of the anode zone, pressure of the buffer reserve (3) , hydrogen concentration in the buffer pool (3) and / or the anode flow exhaust line (F), moisture content, flow rate and concentration of oxygen or hydrogen or nitrogen in the lines (E , F, K) for the escape of the cathode, anode and outlet flow of a battery casing, parameters of the depressive effect generated by the flow rates of the exhaust lines (E and F; E and K ) and the narrowing of the receiving exhaust line (E or F) section, oxygen concentration upstream of the anode and cathode flow junction and / or hydrogen concentration downstream of the anode and cathode flow junction .
  • the invention also relates to a device for passive safety of a fuel cell assembly having an anode, a cathode, an exhaust line of the cathode output stream, an exhaust line of the output stream. anode, these flows being at least partially directed towards an elimination means, the exhaust line of the anode outlet stream comprising a buffer reserve, a regulating means being provided at the outlet of the buffer reserve for a controlled evacuation of this anode output stream out of the buffer pool, said regulation of the buffer pool evacuation flow being performed as a function of one or more parameters of the various output streams and / or operating conditions of the cell and / or the removal means so as to always guarantee a hydrogen concentration lower than the lower limit of explosivity in the flux obtained after mixing.
  • the removal means is a catalytic burner.
  • the device may advantageously comprise a battery casing and an exhaust line of the casing outlet flow.
  • the means for regulating the buffer reserve is a calibrated leak
  • the device may also comprise means for modifying the diameter of the calibrated leak during operation.
  • the device further comprises control means of the control means, associated with a control logic.
  • the device further comprises means capable of putting the buffer reserve in slight depression by suction.
  • the regulation means is a proportional solenoid valve or a pump, the device further comprising control means of the control means, associated with a control logic.
  • the pump may be for example a positive displacement pump, piston, diaphragm or peristaltic.
  • a solenoid valve is disposed in the exhaust line of the anode outlet flow before the buffer reserve, this solenoid valve serving as purge solenoid valve of the anode compartment of the fuel cell and supplying the buffer in flow output anode.
  • the exhaust line of the regulated anode output stream joins the exhaust line of the cathode output stream, the latter being, if necessary, increased by the stack outlet flow. and the anode output stream is mixed with at least the cathode output stream by a mixing interface.
  • This mixing interface may be a venturi depressor effect, that is to say that one of the two respective exhaust lines has a portion, having a narrowing of the exhaust section, arranged just after the other line exhaust system leads into this exhaust line and that, where appropriate, mixing of the cathode output stream with the battery case output stream was performed with a similar mixing interface.
  • the exhaust line of the anode outlet flow after the buffer tank comprises a non-return valve, this valve preventing, on the one hand, the flow of flow in the buffer pool from the interface of mixing and in particular the oxygen present in the cathode outlet flow exhaust line, and now, on the other hand, the buffer reserve.
  • a buffer reserve has an auxiliary output a solenoid valve periodic emptying of water.
  • the anode outlet flow exhaust line has a recirculation loop in passing leading a part of the anode outlet flow into the anode feed line of the fuel cell.
  • the anode flow outlet exhaust line of this device is housed in a housing, this housing being optionally the battery housing.
  • the invention also relates to the use of a passive safety device as described above for a fuel cell set for a generator set to be shipped, in particular on a vehicle.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a fuel cell system with its supply network and its evacuation network according to the state of the art
  • FIG. 2 shows two graphs illustrating, by two respective curves, the evolution of the pressure in the fuel cell and in the buffer pool respectively without and with depressurization
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of a fuel cell assembly with its supply network and its evacuation network according to an embodiment according to the present invention
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of a fuel cell assembly with its supply network and its evacuation network having a recirculation loop according to another embodiment
  • FIG. 5 is a graph showing the hydrogen emissions in the event of unregulated purge and with regulation as a function of time
  • FIG. 6 is a schematic representation of the regulation circuit according to a third embodiment of the present invention with a recirculation loop and a piloted evacuation pump.
  • FIG. 2 shows two graphs illustrating the evolution of the pressure in the fuel cell and in a reserve located on the exhaust line of the anode outlet flow respectively without and with depressurization, the graph with depressurization showing effect obtained by a method and a device according to the invention.
  • the first graph illustrates the state of the art and shows two curves respectively showing the pressure variation over time in the anode compartment (the highest curve in pressure) and in a reserve located on the line of exhaust of the anode outlet flow where the purge flows are directed (the least pressure curve). These curves were obtained in the case where there is no depressurization of the reservoir.
  • the anode compartment is generally pressurized to 0.5 bar relative to atmospheric pressure and its pressure is maintained substantially constant when there is no purge, as shown by the curve of the top of the first graph before the purge.
  • the pressure in the tank may have decreased due to its emptying and there remains in it a depressurization, as shown in the bottom curve of the first graph before purging.
  • Figure 3 shows three exhaust lines of the fuel cell assembly H, without a recirculation loop bringing a portion of the anode outlet flow to the anode supply line of the fuel cell. This arrangement according to Figure 3 is called "Dead end" or exhaust without recycling.
  • a first exhaust line E discharges the cathode output stream Ha for example to a catalytic burner 8 disposed at the end of this line E. To this line will be joined other exhaust lines as will be seen by the following.
  • This first line E may optionally include a means 5 for condensing the water in the evacuated stream followed by means 1 for recovering this water.
  • a second exhaust line K discharges the casing output stream J consisting essentially of leaks produced in the fuel cell assembly H and from the leakage extraction system consisting of a housing J with a ventilation discharge.
  • This second line K opens into the first line E and the two streams are mixed in a mixing interface 7 by ventimpression effect where the first line E has a narrowed section portion disposed just after the introduction of the flow of the second line K in the first, which allows to create a central zone of depression due to the circumferential speed and to obtain a mixture of the two flows faster and more homogeneous.
  • the mixing interface 7 also aids in the ventilation of the battery case by creating a vacuum on the exhaust line K of the outlet flow of the battery case J downstream of the ventilation of the battery case J.
  • the flow resulting from the mixing of the cathode output and stack cell output flows is called the motor flow. Due to the incorporation of the casing outlet stream in the first exhaust line E, the resulting mixture has a dilution air booster for the first exhaust line E which will be useful when the flow of this first line E exhaust will be mixed with the anode output stream as will be seen below.
  • the third exhaust line F relates to the output flow of the anode Hb. As already mentioned, this stream contains hydrogen emitted abruptly with a frequency and duration often variable depending on the operating conditions of the fuel cell H, in addition to the accumulation of water and nitrogen.
  • the third exhaust line F directs the output flow of the anode Hb to a solenoid valve 4, serving as purge solenoid valve of the anode compartment of the fuel cell H, then, optionally, by a means of condensing the water with a recovery means 1 1 of water, for example a phase separator. Then this exhaust line F leads to a buffer pool 3 which is an essential feature of the present invention.
  • the flow is then pressurized in this buffer pool 3 and can be evacuated regularly from this buffer reserve 3 between two anode purges by a regulating means 10.
  • the anode output flow thus regulated is routed to a second mixing interface 9 venturi effect similar to that described above and allowing vacuum suction of the flow by an anode flow junction / depressive motor flow as mentioned above.
  • This mixing interface 9, as the mixing interface 7 venturi prevents the rise in one or the other of the two lines E, F exhaust and helps the emptying of the buffer reserve 3 by creating a vacuum on the anode outlet exhaust line F downstream of the regulating means 10 of the buffer reservoir 3. It should be noted that in an arrangement according to FIG.
  • the buffer reservoir 3 can serve as a separator of phase in addition to or instead of phase separator 1 1.
  • this buffer reserve 3 advantageously has a drain with a solenoid valve 13 as shown in FIG. 6, to which reference will be made for the description of this drain.
  • a check valve 2 is interposed between the buffer reservoir 3 and the mixing interface 9. It should be noted that if this non-return valve 2 is preferably disposed after the regulating means 10, it can also be placed between the buffer pool 3 and the regulating means 10 when the latter allows it. The purpose of this non-return valve 2 is to avoid a rise of gas from the mixing interface 9 and in particular oxygen of the exhaust line E of the cathode output stream to the buffer pool 3, which could cause the creation of an oxygen-hydrogen explosive mixture. This non-return valve 2 thus reinforces the anti-raising function of the mixing interface 9 with venturi effect arranged downstream. This check valve 2 also has the role of maintaining the vacuum in the buffer pool in addition to the control means.
  • the object of the present invention is to regulate the portion of the anode output stream located in the buffer pool 3 and intended to be mixed with the cathode output stream, preferably mixed upstream with the flow of leaving the cell casing J so that the concentration of hydrogen in the mixture is limited to a concentration of less than a fraction, for example 50%, of the lower explosive limit (LEL).
  • LEL lower explosive limit
  • This limit is 4% in dry air and therefore in this case for a limitation to 50% that is to say half of the LEL, the hydrogen concentration should not exceed 2%.
  • this limit may vary according to the humidity contained in the flows and this variation will therefore have to be taken into account for the adequacy of the regulating means with the concentration of hydrogen to be obtained in the mixture.
  • the purpose of the present invention is to maintain the buffer reserve under vacuum in order to increase the efficiency of the purges in the anode compartment.
  • the various parameters to be taken into account for carrying out such a regulation of the hydrogen concentration are numerous.
  • the following parameters may be mentioned without being limiting: operating parameters of the fuel cell assembly H as product stream, temperature, feed rates of this stack, periodicity of purges of the anode zone, pressure in the buffer pool 3, nitrogen concentration in the anode outlet stream, hydrogen concentration in the buffer pool 3 and / or the exhaust line F, moisture content in the exhaust lines E, F, K flow rate and concentration of hydrogen in the lines E, F, K exhaust, concentration of oxygen in the cathode exhaust line E, extraction rate of the casing J stack, parameters of the depressive effect generated by the flow rates of the lines E, F, K exhaust and narrowing of the section of the receiving exhaust line, oxygen concentration upstream of the anode and cathode flow junction and / or hydrogen concentration downstream of the junction of the anode and cathode flows.
  • a first solution for regulating the anode flow is to use in the exhaust line F at least a portion of the anode outlet flow at the outlet of the buffer reservoir 3 a calibrated leak 10 which has a diameter restricted leakage to allow regulation of at least the portion of the anode flow passing through the exhaust line F after the buffer reserve 3.
  • This leakage diameter is determined according to the various parameters to be taken into account, some of which have been cited previously. It is advantageous to determine a single leakage diameter between the buffer reservoir 3 and the mixing interface 9 of the anode and cathode flows.
  • the hydrogen flow rate will be linearly related to the pressure in the buffer pool 3 and to a lesser extent to the flow rate of the mixed cathode output stream, if any, to the casing outlet flow. J stack. This flow of hydrogen will therefore decrease over time and in this case it is advisable to choose a fraction of the LEI a little higher than 50% knowing that this fraction will be reached at the beginning of regulation.
  • the leakage diameter is changed automatically during operation. This can be achieved by means of a diaphragm calibrated leak whose opening can be enlarged or shrunk as needed.
  • the operating parameters of the fuel cell can be important for determining the concentrations of hydrogen and oxygen in the respective flows which joins the flow parameters in the various lines E, F, K exhaust and the parameters the depressive effect of the mixing interface 9 makes it possible to determine the maximum concentration of hydrogen in the controlled anode output stream.
  • the nitrogen concentration in the portion of the anode output stream fed to the buffer tank 3 is also an important parameter. This recirculation concentration can reach 30 to 70% and must be taken into consideration.
  • the moisture content in the exhaust line F of the anode outlet flow is also to be considered because it has a direct impact on the lower explosive limit and consequently the acceptable hydrogen injection rate is to be adapted to a function of the value obtained in real time to ensure a mixture presenting no risk of explosion.
  • control of the control means 10 can only be done with a control logic, not shown in the figures.
  • the presence of Many sensors are needed on the various lines E, F, K exhaust from the output flow of the electrodes and output from the battery case.
  • the sensors 6 upstream and downstream of the mixing interface 9 respectively measuring the oxygen concentration upstream of the junction of the exhaust lines E and F and the concentration of hydrogen downstream of this junction may be mentioned. ensure optimized regulation of hydrogen injection.
  • the mixture after the junction of the two lines E and F exhaust anode and cathode or both lines anode and engine when the line K exhaust casing outlet was previously attached to the line E exhaust cathode is conducted for example to a catalytic burner 8 with concentrations of hydrogen and oxygen ensuring its optimal operation regardless of the operating conditions of the fuel cell.
  • the regulation means 10 draws from the buffer reservoir 3 a maximum flow of this buffer reserve until it is depressed with respect to the ambient atmospheric pressure.
  • the mixing interface 9 will also perform suction contributing to create a vacuum in the buffer pool 3, as well as the check valve 2 maintain this vacuum in the reserve after aspiration.
  • the control means may be for example a positive displacement pump, piston, membrane or peristaltic.
  • the control means is advantageously controlled by a control logic
  • the regulating means 10 allows a maximum hydrogen evacuation and simultaneously it increases the pressure difference on either side of the purge solenoid valve 4 of the exhaust line F of the anode outlet flow.
  • the gases included in the flow of the anode compartment of the fuel cell are therefore evacuated with much more potential energy and pressure, so at a higher speed.
  • the evacuation of liquid water from the anode compartment of the cell is more efficient. The anode compartment will suffer less quickly against pressure due to the filling of the buffer pool 3 not depressurized.
  • the purge in a buffer reserve 3 for the regulation of the gas flow is similar to a transfer of a certain amount of pressurized gas contained in the anode compartment to a buffer reserve 3 at lower pressure.
  • the natural flow is therefore ensured by the pressure difference between these two elements, and it is all the more fast that the pressure difference is great.
  • Gradual establishment of the pressure equilibrium decreases the flow velocity.
  • the purge is faster.
  • the purge can be shortened which decreases the time of power drop of the battery during purging.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fuel cell assembly H with its supply network A, B and its evacuation network E, F, K having a recirculation loop 12 according to another embodiment. of the present invention.
  • the exhaust line F of the anode output stream has a phase separator 1 1 before the separation of the circulation loop 12 from the anode outlet exhaust line F going to the buffer pool 3 via a solenoid valve 4, called purge solenoid valve.
  • a solenoid valve 4 called purge solenoid valve.
  • FIG. 5 clearly shows that, without regulation in the anode outlet exhaust line F, the release of hydrogen is very unequal because of periodic purge releases limited in time which cause peaks of hydrogen. Between these peaks EH2P, there remains a low concentration of hydrogen EH2F which represents low emissions due to fuel cell leaks H. Without control treatment in this exhaust line F, such peaks EH2P of hydrogen concentration would exceed LEL and would present a hazard after joining the anode and cathode exhaust lines E and F. It can be seen that, thanks to the regulation according to the present invention, these EH2P peaks of hydrogen concentration are eliminated and that the hydrogen concentration EH2L is substantially constant over time after regulation, which makes it possible to produce a mixture in non-explosive proportions. with the cathode flow.
  • regulating means 10 Some precautions for using the regulating means 10 must be taken during purges occurring in the anode portion of the fuel cell H. For example, if this regulating means is a pump 10, it must be slowed by the control logic during a purge of the fuel cell so as not to have its flow disturbed uncontrollably by the rapid repressurization of the buffer reserve 3.
  • FIG. 6 shows an anode outlet stream exhaust line F comprising the essential elements of the securing device according to the present invention in the form of a buffer reserve 3 and a regulation means of the evacuation of this buffer reserve 3 in the form of a pump 10.
  • This exhaust line F joins after the buffer reserve 3 and the pump 10 the exhaust line E of the cathode output stream via the interface of mixing 9.
  • a non-return valve 2 already described.
  • the embodiment described in FIG. 6 has a recirculation loop 12 which directs a portion of the anode outlet flow towards the anode supply line by intercalating it after the hydrogen source B. shown in Figure 1.
  • This recirculation loop 12 is arranged before the buffer tank 3 in parallel with its corresponding exhaust line F and after a phase separator 1 1 which allows the elimination of a certain portion of the water present in the line F d 'exhaust.
  • a phase separator 1 1 Between the phase separator 1 1 and the buffer reservoir 3 is a solenoid valve 4, as already described in FIG. 3.
  • a phase separator 1 1 upstream of the buffer reservoir 3 water can still accumulate in the buffer pool 3 by condensation.
  • This accumulation of water in the buffer pool 3 can then be evacuated using an opening drain controlled by the control logic or by a water level detection in the buffer pool 3, this drain being provided with a drain solenoid valve 13.
  • Such passive securing devices allow a regulation of the concentration of hydrogen in the mixture brought for example to the catalytic burner and thus ensures the securing of evacuations of natural hydrogen leaks and discharges related to the anode purges of the battery. fuel in normal operating mode of the fuel cell.
  • safety devices are particularly suitable for on-vehicle fuel cells.
  • these safety devices with a depressurized buffer reserve make it possible to optimize the operation of the fuel cell by improving the quality of the purges and reducing their duration.
  • Active security ensuring the safety of the fuel cell assembly in case of stopping the vehicle or failure of passive securing can also be associated with passive securing for various situations such as stop, accident or maintenance.

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible (H) présentant des flux de sortie cathode, anode, envoyés au moins en partie vers un moyen d'élimination (8) propre à maintenir l'hydrogène à une concentration inoffensive, comprenant les étapes de collecte d'au moins une partie du flux de sortie anode dans une réserve tampon (3), d'évacuation régulée de la réserve tampon (3), cette régulation étant effectuée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres des divers flux de sortie et/ou de conditions de fonctionnement de la pile (H) et/ou du moyen d'élimination (8) afin de toujours garantir une concentration en hydrogène inférieure à la Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) dans le flux obtenu après mélange, de mélange du flux de sortie anode régulé avec le flux de sortie cathode, et de conduite d'au moins une partie du flux après mélange par exemple à un brûleur catalytique (8).

Description

Procédé et dispositif de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible
[0001] La présente invention revendique la priorité des demandes françaises 0755844 et 0755856 déposées le 19/06/2007 dont les contenus (description, revendications et dessins) sont incorporés ici par référence.
[0002] La présente invention concerne le domaine des piles à combustible. Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine des groupes électrogènes embarqués à pile à combustible. L'utilisation de tels groupes électrogènes embarqués s'est considérablement développée récemment, notamment dans le domaine des véhicules automobiles.
[0003] II est connu qu'une pile à combustible, par exemple une pile à combustible à membranes échangeuses de protons dite PEMFC, produit de l'électricité à partir de la réaction de synthèse de l'eau par combinaison d'oxygène et d'hydrogène.
[0004] Comme le montre la figure 1 , illustrant le schéma simplifié d'une pile à combustible, l'oxygène, le plus souvent provenant d'une source A, par exemple de l'air atmosphérique est acheminé, le cas échéant après humidification au poste C, vers la cathode Ha tandis que l'hydrogène, provenant d'une source B de stockage pure ou de la transformation d'un carburant hydrogéné est acheminé à l'anode Hb d'une pile à combustible H pour produire de l'électricité G par réaction chimique. La température de cette pile à combustible est régulée par un système externe de régulation D de la température. A la sortie de la pile à combustible H, de la cathode Ha sort par la ligne d'échappement E un mélange d'air humide appauvri d'environ 50% en oxygène et de l'eau produite lors de la réaction dans la pile à combustible. De l'anode, sort par la ligne d'échappement F un mélange d'hydrogène, d'azote et d'eau, ceci de façon continue ou par intermittence lors de purges. En plus de ces deux évacuations, comme la pile à combustible présente des fuites inévitables en hydrogène, pour des raisons de sécurité du fait de risque d'explosion, les fuites en hydrogène et de certains organes transportant de l'hydrogène peuvent être canalisées dans un carter J puis acheminées vers l'extérieur par un système actif de ventilation débouchant sur la ligne d'échappement K.
[0005] L'évacuation permanente d'hydrogène pour les besoins d'un bon fonctionnement de l'ensemble pile à combustible pose un problème notoire de sécurité pour celui-ci, notamment quand la pile à combustible est embarquée à bord d'un véhicule, problème qui peut être amplifié par certaines situations de vie du véhicule comme l'utilisation en intérieur, l'arrêt, l'entretien, l'accident etc..
[0006] II est connu d'utiliser une réserve de gaz inerte pour assurer par exemple à l'arrêt du véhicule la mise hors fonctionnement du système à pile à combustible ou en cas d'arrêt d'urgence du système. Cette disposition concerne cependant la sécurisation active du système en cas de danger ou d'arrêt du système et non pas la sécurisation passive recherchée dans la présente demande de brevet en vue de prévenir les dérèglements de dégagement d'hydrogène pouvant être potentiellement dangereux au lieu de traiter une solution d'urgence.
[0007] Un tel dispositif à gaz inerte est connu du document JP-A-7029586 qui montre l'introduction dans une ligne de flux d'anode d'un mélange d'un gaz inerte et d'un gaz d'anode pour purger cette ligne, avec une concentration en hydrogène dans ce mélange inférieure à la limite d'explosivité. Pour la purge de la ligne de cathode, il est prévu un mélange de gaz de cathode et de gaz inerte. Ce document montre par ailleurs une boucle de recirculation entre la ligne d'échappement anode et la ligne d'alimentation anode.
[0008] Le document FR-A-2 870 390 décrit un dispositif de sécurisation d'un ensemble pile à combustible comportant un réacteur disposé en aval de la pile à combustible et apte à recombiner l'hydrogène et l'oxygène en produisant de l'eau et assurant ainsi une sécurisation passive. Ce document ne décrit pas de moyen quelconque de régulation de la concentration d'hydrogène. Il ne divulgue ainsi que l'utilisation par exemple de brûleurs catalytiques, de moyens propres à éliminer l'hydrogène ou à le maintenir à une concentration inoffensive. Cependant le fonctionnement d'un brûleur catalytique est fortement perturbé quand le système pile à combustible subit des purges périodiques de la ligne anodique de ce système. En effet, l'afflux soudain d'une forte concentration d'hydrogène élève la température à des niveaux trop importants pour être compatibles avec les matériaux utilisés dans le brûleur catalytique. Entre chaque purge, le brûleur catalytique voit sa température baisser et il tend alors à se désactiver et la réaction de combustion de l'hydrogène est en conséquence réduite ou annulée.
[0009] Certaines propositions proposent le lissage préalablement à la consommation dans un brûleur catalytique, mais aucune de ces propositions ne s'est avérée satisfaisante.
[0010] En plus du problème de sécurité dû à une trop forte concentration d'hydrogène dans le flux de sortie anode, s'ajoute un problème de bon fonctionnement du compartiment anodique de la pile en combustible.
[0011] En effet, lors des purges d'évacuation dans une réserve de régulation, cette réserve est initialement pressurisée autour de la pression atmosphérique car si celle-ci n'a pas été tout à fait vidée de la purge précédente elle est encore légèrement pressurisée. Elle peut aussi avoir été mise en légère dépression lors de sa vidange. Au cours de la purge, la réserve se remplit et se pressurise à nouveau pour atteindre au maximum la pression motrice du remplissage c'est-à-dire la pression de la sortie anodique. Ainsi s'établit une contre pression entre la réserve et le compartiment anodique ce qui ralentit le débit de purge en détériorant la qualité de la purge en rendant par exemple l'évacuation d'eau moins efficiente et en entraînant un renouvellement moindre du mélange gazeux. Il est alors nécessaire d'augmenter le temps de purge pour maintenir la qualité de la purge. Du fait de l'ouverture de la vanne de purge, pendant celle-ci, la pression dans le compartiment anodique est abaissée et les performances de la pile sont donc amoindries. Il convient donc aussi de réduire cet inconvénient se produisant lors des purges. [0012] Le problème à la base de la présente invention est, d'une part, d'assurer la sécurisation d'un ensemble pile à combustible pour les rejets d'hydrogène, cette sécurisation devant particulièrement tenir compte des irrégularités de débit d'hydrogène imputables aux purges s'effectuant dans le compartiment anode de la pile à combustible et d'autre part, de permettre un bon fonctionnement de la pile à combustible en réduisant les inconvénients se produisant lors des purges.
[0013] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible, présentant des flux de sortie cathode, anode, envoyés au moins en partie vers un moyen d'élimination propre à maintenir l'hydrogène à une concentration inoffensive, comprenant les étapes suivantes : collecte d'au moins une partie du flux de sortie anode dans une réserve tampon, évacuation régulée de la réserve tampon, cette régulation étant effectuée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres des divers flux de sortie et/ou de conditions de fonctionnement de la pile et/ou du moyen d'élimination afin de toujours garantir une concentration en hydrogène inférieure à la Limite Inférieure d'Explosivité dans le flux obtenu après mélange, mélange du flux de sortie anode régulé avec le flux de sortie cathode, et conduite d'au moins une partie du flux après mélange par exemple à un brûleur catalytique.
[0014] De préférence, l'évacuation de le réserve tampon est effectuée en créant une dépressurisation de la réserve tampon
[0015] Avantageusement, les mélanges des flux se font par effet venturi à l'aide d'un élément déprimogène et le procédé comprend une étape de contrôle des caractéristiques des flux juste avant et après mélange du flux anode et du flux cathode, ce mélange étant ensuite conduit au moins en partie vers le moyen d'élimination.
[0016] Le procédé peut de plus comporter une étape de contrôle des caractéristiques des flux juste avant et après mélange du flux anode et du flux cathode, ce mélange étant ensuite conduit au moins en partie au moyen d'élimination.
[0017] La régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon (3) est effectuée en fonction d'un ou de plusieurs des paramètres suivants : courant produit, périodicité des purges de la zone anode, pression de la réserve tampon (3), concentration d'hydrogène dans la réserve tampon (3) et/ou la ligne (F) d'échappement du flux d'anode, taux d'humidité, débit et concentration en oxygène ou en hydrogène ou en azote dans les lignes (E, F, K) d'échappement du flux de cathode, d'anode et de sortie d'un carter de la pile, paramètres de l'effet déprimogène généré par les débits des lignes d'échappement (E et F ; E et K) et le rétrécissement de la section de la ligne (E ou F) d'échappement réceptrice, concentration en oxygène en amont de la jonction des flux anode et cathode et/ou concentration d'hydrogène en aval de la jonction des flux anode et cathode. [0018] L'invention a également pour objet un dispositif de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible présentant une anode, une cathode, une ligne d'échappement du flux de sortie de cathode, une ligne d'échappement du flux de sortie d'anode, ces flux étant dirigés au moins partiellement vers un moyen d'élimination, la ligne d'échappement du flux de sortie d'anode comprenant une réserve tampon, un moyen de régulation étant prévu à la sortie de la réserve tampon pour une évacuation régulée de ce flux de sortie d'anode hors de la réserve tampon, ladite régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon étant effectuée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres des divers flux de sortie et/ou de conditions de fonctionnement de la pile et/ou du moyen d'élimination afin de toujours garantir une concentration en hydrogène inférieure à la Limite Inférieure d'Explosivité dans le flux obtenu après mélange.
[0019] De préférence, le moyen d'élimination est un brûleur catalytique. De plus le dispositif peut avantageusement comporter un carter de pile et une ligne d'échappement du flux de sortie de carter de pile.
[0020] Dans une variante, le moyen de régulation de la réserve tampon est une fuite calibrée, le dispositif pouvant de plus comporter des moyens pour modifier le diamètre de la fuite calibrée en cours d'opération.
[0021] Dans une variante, le dispositif comporte de plus des moyens de pilotage du moyen de régulation, associés à une logique de commande.
[0022] Dans une variante, le dispositif comporte d'autre part des moyens aptes à mettre la réserve tampon en légère dépression par aspiration.
[0023] Dans une variante, le moyen de régulation est une électrovanne proportionnelle ou une pompe, le dispositif comportant de plus des moyens de pilotage du moyen de régulation, associés à une logique de commande. La pompe peut être par exemple une pompe volumétrique, à piston, à membrane ou péristaltique.
[0024] Préférentiellement, une électrovanne est disposée dans la ligne d'échappement du flux de sortie anode avant la réserve tampon, cette électrovanne servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible et alimentant la réserve tampon en flux de sortie anode.
[0025] Avantageusement, dans le dispositif de sécurisation, la ligne d'échappement du flux de sortie anode régulé rejoint la ligne d'échappement du flux de sortie cathode, ce dernier étant, le cas échéant, augmenté du flux de sortie carter de pile et le flux de sortie anode est mélangé avec au moins le flux de sortie cathode par une interface de mélange. Cette interface de mélange est peut être à effet venturi déprimogène, c'est-à-dire qu'une des deux lignes d'échappement respectives comporte une partie, présentant un rétrécissement de section d'échappement, disposée juste après que l'autre ligne d'échappement débouche dans cette ligne d'échappement et que, le cas échéant, le mélange du flux de sortie cathode avec le flux de sortie carter de pile a été effectué avec une interface de mélange similaire.
[0026] Avantageusement, la ligne d'échappement du flux de sortie anode après le réservoir tampon comprend un clapet anti-retour, ce clapet empêchant, d'une part, la remontée de flux dans la réserve tampon en provenance de l'interface de mélange et en particulier de l'oxygène présent dans la ligne d'échappement de flux de sortie cathode, et maintenant, d'autre part, la réserve tampon.
[0027] Dans une variante, a réserve tampon présente à une sortie auxiliaire une électrovanne de vidange périodique de l'eau.
[0028] Dans une variante, la ligne d'échappement de flux de sortie anode présente en dérivation une boucle de recirculation conduisant une partie du flux de sortie d'anode dans la ligne d'alimentation d'anode de la pile à combustible.
[0029] Dans une variante, la ligne d'échappement de sortie de flux anode de ce dispositif est logée dans un carter, ce carter étant le cas échéant le carter de pile.
[0030] L'invention concerne aussi l'utilisation d'un dispositif de sécurisation passive tel que précédemment décrit pour un ensemble pile à combustible pour groupe électrogène destiné à être embarqué, notamment sur un véhicule.
[0031] L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées, dans lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un système pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation selon l'état de la technique,
- la figure 2 montre deux graphiques illustrant par deux courbes respectives l'évolution de la pression dans la pile à combustible et dans la réserve tampon respectivement sans et avec dépressurisation,
- la figure 3 est une représentation schématique d'un ensemble pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation conformément à un mode de réalisation selon la présente invention,
- la figure 4 est une représentation schématique d'un ensemble pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation présentant une boucle de recirculation conformément à un autre mode de réalisation,
- la figure 5 est un graphique donnant les émissions d'hydrogène en situation de purges non régulées et avec régulation en fonction du temps, et -la figure 6 est une représentation schématique du circuit de régulation selon un troisième mode de réalisation de la présente invention avec une boucle de recirculation et une pompe d'évacuation pilotée.
[0032] La figure 1 a déjà été détaillée dans la partie introductive de la présente description.
[0033] La figure 2 montre deux graphiques illustrant l'évolution de la pression dans la pile à combustible et dans une réserve se trouvant sur la ligne d'échappement du flux de sortie anode respectivement sans et avec dépressurisation, le graphique avec dépressurisation montrant l'effet obtenu par un procédé et un dispositif selon l'invention.
[0034] Le premier graphique illustre l'état de la technique et présente deux courbes montrant respectivement la variation de pression au cours du temps dans le compartiment anodique (courbe la plus élevée en pression) et dans une réserve se trouvant sur la ligne d'échappement du flux de sortie anode où les flux de purges sont dirigés (courbe la moins élevée en pression). Ces courbes ont été obtenues dans le cas où il n'y a pas de dépressurisation du réservoir.
[0035] Le compartiment anodique est généralement pressurisé à 0,5 bar relatif au dessus de la pression atmosphérique et sa pression est maintenue sensiblement constante quand il n'y a pas de purge, comme le montre la courbe du haut du premier graphique avant la purge. Dans le même temps, la pression dans le réservoir peut avoir baissé du fait de sa vidange et il subsiste dans celle- ci une dépressurisation, comme le montre la courbe du bas du premier graphique avant la purge.
[0036] II est connu que dans le compartiment anodique de la pile à combustible en fonctionnement s'accumule de l'eau représentant un facteur d'obstruction des zones actives de la membrane de la pile à combustible et donc un facteur de diminution de la performance de la pile. Cela s'applique aussi pour l'accumulation d'azote dans ce compartiment anodique. Il convient donc de procéder à des purges avec une fréquence dépendante des paramètres de fonctionnement de la pile à combustible et du niveau d'accumulation de l'eau et des gaz dans le compartiment anodique.
[0037] Au début de la purge du compartiment anodique, la pression chute brusquement dans ce compartiment et augmente dans la réserve. Comme déjà précédemment indiqué il s'établit une contre pression entre la réserve et le compartiment anodique qui ralentit le débit de purge. La pression dans le compartiment anodique ne chute pas de façon optimale et le temps Tpsd de purge est augmenté, comme le montre la courbe du haut du premier graphique. Ceci a le désavantage notoire de maintenir la pile à combustible dans des conditions de purge qui sont défavorables à son bon fonctionnement.
[0038] Ainsi pour le bon fonctionnement de la pile, il devra être procédé à des purges efficientes du compartiment anodique et le temps de purge devra être réduit au maximum. [0039] Ceci est réalisé avec le dispositif de sécurisation de la présente invention qui présente donc en outre l'avantage de résoudre le problème de la perturbation du fonctionnement de la pile à combustible, comme il va être montré ci-après.
[0040] La figure 3 montre trois lignes d'échappement de l'ensemble pile à combustible H, sans boucle de recirculation amenant une partie du flux de sortie d'anode vers la ligne d'alimentation anode de la pile à combustible. Cette disposition conformément à la figure 3 est appelée « Dead end » ou à échappement sans recyclation.
[0041] Une première ligne d'échappement E évacue le flux de sortie cathode Ha par exemple vers un brûleur catalytique 8 disposé à la fin de cette ligne E. A cette ligne sera jointe d'autres lignes d'échappement comme on le verra par la suite. Cette première ligne E peut comprendre optionnellement un moyen de condensation 5 de l'eau dans le flux évacué suivi d'un moyen de récupération 1 de cette eau.
[0042] Une seconde ligne d'échappement K évacue le flux de sortie carter J de pile consistant essentiellement en des fuites produites dans l'ensemble pile à combustible H et issu du système d'extraction des fuites consistant en un carter J avec une ventilation d'évacuation. Cette seconde ligne K débouche dans la première ligne E et les deux flux sont mélangés dans une interface de mélange 7 par effet venturi déprimogène où la première ligne E présente une partie de section rétrécie, disposée juste après l'introduction du flux de la seconde ligne K dans la première, ce qui permet de créer une zone centrale de dépression due à la vitesse circonférentielle et d'obtenir un mélange des deux flux plus rapide et plus homogène. L'interface de mélange 7 aide aussi à la ventilation du carter pile en créant une dépression sur la ligne d'échappement K du flux de sortie du carter J de pile en aval de la ventilation du carter J de pile.
[0043] Le flux résultant du mélange des flux de sortie cathode et de sortie carter pile est appelé flux moteur. Du fait de l'incorporation du flux de sortie carter dans la première ligne E d'échappement, le mélange résultant présente un appoint d'air de dilution pour la première ligne E d'échappement ce qui sera utile quand le flux de cette première ligne E d'échappement sera mélangé avec le flux de sortie anode comme on le verra ci-après.
[0044] La troisième ligne F d'échappement concerne le flux de sortie de l'anode Hb. Comme déjà mentionné, ce flux contient de l'hydrogène émis de façon brutale avec une fréquence et une durée souvent variables selon les conditions de fonctionnement de la pile à combustible H, en plus de l'accumulation d'eau et d'azote. La troisième ligne F d'échappement dirige le flux de sortie de l'anode Hb vers une électrovanne 4, servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible H, puis, optionnellement par un moyen de condensation de l'eau avec un moyen de récupération 1 1 de l'eau, par exemple un séparateur de phase. Ensuite cette ligne F d'échappement débouche sur une réserve tampon 3 qui est une caractéristique essentielle de la présente invention. Le flux est alors pressurisé dans cette réserve tampon 3 et peut s'évacuer régulièrement de cette réserve tampon 3 entre deux purges d'anode par un moyen de régulation 10. Le flux de sortie anode ainsi régulé est acheminé vers une deuxième interface de mélange 9 à effet venturi semblable à celle décrite précédemment et permettant l'aspiration par dépression du flux par une jonction flux anode/flux moteur déprimogène comme précédemment cité. Cette interface de mélange 9, comme l'interface de mélange 7 empêche par effet venturi les remontées dans l'une ou l'autre des deux lignes E, F d'échappement et aide à la vidange de la réserve tampon 3 en créant une dépression sur la ligne F d'échappement de sortie anode an aval du moyen de régulation 10 de la réserve tampon 3. Il est à noter que dans une disposition conformément à la figure 3 à échappement sans recyclage, la réserve tampon 3 peut servir de séparateur de phase en complément ou au lieu du séparateur de phase 1 1 . Dans ce cas, cette réserve tampon 3 présente avantageusement un drain avec une électrovanne 13 comme montré à la figure 6 à laquelle on se reportera pour la description de ce drain.
[0045] Un clapet anti-retour 2 est intercalé entre la réserve tampon 3 et l'interface de mélange 9. Il est à noter que si ce clapet anti-retour 2 est de préférence disposé après le moyen de régulation 10, il peut aussi être placé entre la réserve tampon 3 et ce moyen de régulation 10 quand ce dernier le permet. Le but de ce clapet anti-retour 2 est d'éviter une remontée de gaz de l'interface de mélange 9 et notamment d'oxygène de la ligne E d'échappement du flux de sortie cathode vers la réserve tampon 3, ce qui pourrait provoquer la création d'un mélange explosif oxygène- hydrogène. Ce clapet anti-retour 2 renforce donc le rôle anti-remontée de l'interface de mélange 9 à effet venturi disposée en aval. Ce clapet anti-retour 2 a aussi pour rôle de maintenir la dépression dans la réserve tampon en complément du moyen de régulation.
[0046] D'une part, le but de la présente invention est de réguler la partie du flux de sortie anode se trouvant dans la réserve tampon 3 et destinée à être mélangée au flux de sortie cathode, préférentiellement mélangé en amont avec le flux de sortie du carter J de pile afin que la concentration d'hydrogène dans le mélange soit limitée à une concentration inférieure à une fraction, par exemple 50%, de la limite inférieure d'explosivité (LIE). Cette limite est de 4% dans l'air sec et donc dans ce cas pour une limitation à 50% c'est-à-dire à la moitié de la LIE, la concentration d'hydrogène ne devra pas dépasser 2%. Cependant cette limite peut varier selon l'humidité contenue dans les flux et il faudra donc tenir compte de cette variation pour l'adéquation du moyen de régulation avec la concentration d'hydrogène à obtenir dans le mélange.
[0047] D'autre part, le but de la présente invention est de maintenir la réserve tampon sous dépression afin d'augmenter l'efficacité des purges dans le compartiment anodique.
[0048] Les divers paramètres à prendre en ligne de compte pour effectuer une telle régulation de la concentration en hydrogène sont nombreux. On pourra citer sans être limitatif les paramètres suivants : paramètres de fonctionnement de l'ensemble pile à combustible H comme courant produit, température, débits d'alimentation de cette pile, périodicité des purges de la zone anode, pression dans la réserve tampon 3, concentration d'azote dans le flux de sortie anode, concentration d'hydrogène dans la réserve tampon 3 et/ou la ligne F d'échappement, taux d'humidité dans les lignes d'échappement E, F, K débit et concentration d'hydrogène dans les lignes E, F, K d'échappement, concentration d'oxygène dans la ligne E d'échappement cathode, débit d'extraction du carter J de pile, paramètres de l'effet déprimogène généré par les débits des lignes E, F, K d'échappement et le rétrécissement de la section de la ligne d'échappement réceptrice, concentration en oxygène en amont de la jonction des flux anode et cathode et/ou concentration d'hydrogène en aval de la jonction des flux anode et cathode.
[0049] Une première solution pour la régulation du flux anode est d'utiliser dans la ligne F d'échappement d'au moins une partie du flux de sortie anode à la sortie de la réserve tampon 3 une fuite calibrée 10 qui présente un diamètre de fuite restreint afin de permettre une régulation d'au moins la partie du flux anode transitant par la ligne F d'échappement après la réserve tampon 3. Ce diamètre de fuite est déterminé selon les divers paramètres à prendre en compte dont certains ont été cités précédemment. Il est avantageux de déterminer un seul diamètre de fuite entre la réserve tampon 3 et l'interface de mélange 9 des flux anode et cathode. Il convient cependant de considérer que dans ces conditions, le débit d'hydrogène sera linéairement lié à la pression dans la réserve tampon 3 et dans une moindre mesure au débit du flux de sortie cathode mélangé, le cas échéant, au flux de sortie du carter J de pile. Ce débit d'hydrogène sera donc décroissant au court du temps et dans ce cas il est judicieux de choisir une fraction de la LEI un peu plus élevée que 50% sachant que cette fraction ne sera atteinte qu'en début de régulation.
[0050] Dans une variante, le diamètre de fuite est changé automatiquement au cours d'opération. Ceci peut être obtenu au moyen d'une fuite calibrée de type diaphragme dont l'ouverture peut être agrandie ou rétrécie selon les besoins.
[0051] Pour atteindre le but de la présente invention comme défini plus haut, il est possible d'utiliser un moyen de régulation piloté par une logique de commande prenant en compte les nombreux paramètres pouvant agir sur la concentration en hydrogène. En particulier, les paramètres de fonctionnement de la pile à combustible peuvent être importants pour déterminer les concentrations en hydrogène et en oxygène dans les flux respectifs ce qui joint aux paramètres de débit dans les divers lignes E, F, K d'échappement et aux paramètres de l'effet déprimogène de l'interface de mélange 9 permettent de déterminer la concentration maximale d'hydrogène dans le flux de sortie anode régulé. La concentration d'azote dans la partie du flux de sortie anode amené au réservoir tampon 3 est aussi un paramètre important. Cette concentration en recirculation peut atteindre 30 à 70% et doit être prise en considération. En effet, plus cette concentration est élevée dans la partie du flux anode amenée au réservoir tampon 3, plus rapide peut être l'évacuation de ce réservoir tampon 3 par le moyen de régulation 10 adéquat car la concentration en hydrogène injecté dans la ligne F d'échappement après le moyen de régulation 10 est plus faible à même débit volumique. Le taux d'humidité dans la ligne F d'échappement du flux de sortie anode est aussi à considérer car il présente un impact direct sur la limite inférieure d'explosivité et en conséquence le taux d'injection acceptable d'hydrogène est à adapter en fonction de la valeur obtenue en temps réel pour assurer un mélange ne présentant aucun risque d'explosion. Vu le nombre important de paramètres à prendre en compte en temps réel, une telle commande du moyen de régulation 10 ne peut se faire qu'avec une logique de commande, non montrée aux figures. La présence de nombreux capteurs est nécessaire sur les diverses lignes E, F, K d'échappement du flux de sortie des électrodes et de sortie du carter de pile. On pourra citer par exemple les capteurs 6 en amont et en aval de l'interface de mélange 9 mesurant respectivement la concentration en oxygène en amont de la jonction des lignes E et F d'échappement et la concentration en hydrogène en aval de cette jonction pour assurer une régulation optimisée de l'injection en hydrogène.
[0052] Le mélange après la jonction des deux lignes E et F d'échappement anode et cathode ou des deux lignes anode et moteur quand la ligne K d'échappement sortie carter a été préalablement jointe à la ligne E d'échappement cathode est conduit par exemple vers un brûleur catalytique 8 avec des concentrations en hydrogène et en oxygène assurant son fonctionnement optimal quelles que soient les conditions d'opération de la pile à combustible.
[0053] En revenant à la figure 2 second graphique, on constatera mieux les avantages apportés par le moyen de régulation assurant une dépressurisation dans la réserve tampon 3. Contrairement, aux courbes du premier graphique, lors d'une purge aucune contre pression venant de la réserve tampon 3 ne s'oppose au débit de purge du compartiment anodique et la pression de celui-ci chute plus vite et plus fortement que pour le premier graphique, comme le montre la courbe du haut du second graphique. On voit que le temps de purge Tpd est considérablement diminué avec les avantages que cela procure. La réserve tampon est toujours maintenue en dépressurisation en dessous de la pression atmosphérique comme il ressort de la courbe du bas du second graphique.
[0054] Selon un mode de réalisation tout particulièrement préféré de l'invention, le moyen de régulation 10 aspire de la réserve tampon 3 un maximum de flux de cette réserve tampon jusqu'à la mettre en dépression par rapport à la pression atmosphérique ambiante. L'interface de mélange 9 effectuera aussi une aspiration contribuant à créer une dépression dans la réserve tampon 3, de même que le clapet anti-retour 2 maintiendra cette dépression dans la réserve après aspiration. Le moyen de régulation pourra être par exemple une pompe volumétrique, à piston, à membrane ou péristaltique. Le moyen de régulation est avantageusement piloté par une logique de commande
[0055] Ainsi le moyen de régulation 10 permet une évacuation d'hydrogène maximale et simultanément il augmente la différence de pression de part et d'autre de l'électrovanne 4 de purge de la ligne F d'échappement du flux de sortie anode. A l'ouverture de l'électrovanne 4 de purge, lors d'une purge, les gaz compris dans le flux du compartiment anodique de la pile à combustible (généralement pressurisés à 0,5 bar relatif au dessus de la pression atmosphérique) sont donc évacués avec beaucoup plus d'énergie potentielle et de pression, donc à une plus forte vitesse. De plus, l'évacuation d'eau liquide du compartiment anodique de la pile est plus efficace. Le compartiment anodique subira moins vite la contre pression due au remplissage de la réserve tampon 3 non dépressurisée. En effet la purge dans une réserve tampon 3 pour la régulation du flux de gaz s'apparente à un transvasement d'une certaine quantité de gaz pressurisé contenu dans le compartiment anodique vers une réserve tampon 3 à plus basse pression. L'écoulement naturel est donc assuré par la différence de pression entre ces deux éléments, et il est d'autant plus rapide que la différence de pression est grande. L'établissement progressif de l'équilibre de pression diminue la vitesse d'écoulement. Ainsi, plus le niveau de pression de départ dans la réserve tampon 3 est bas (idéalement vide complet mais en réalisé vide relatif de 0,3 bar à 0,5 bar), plus la purge est rapide. La purge pourra donc être racourcie ce qui diminue le temps de baisse de puissance de la pile pendant la purge.
[0056] La figure 4 montre une représentation schématique d'un ensemble pile à combustible H avec son réseau d'alimentation A, B et son réseau E, F, K d'évacuation présentant une boucle de recirculation 12 selon un autre mode de réalisation de la présente invention.
[0057] La ligne F d'échappement du flux de sortie anode présente un séparateur de phase 1 1 avant la séparation de la boucle de circulation 12 d'avec la ligne F d'échappement de sortie anode allant vers la réserve tampon 3 via une électrovanne 4, dite électrovanne de purge. A part cette boucle de recirculation 12 et la perte de flux de sortie anode qu'elle entraîne notamment en ce qui concerne la concentration en hydrogène et dont il faudra tenir compte le cas échéant pour le pilotage du moyen de régulation 10 par une logique de commande, le réseau d'évacuation du mode de réalisation montré à cette figure est sensiblement le même que le réseau d'évacuation du mode de réalisation de la figure 3 et ce qui a été dit pour la figure 3 s'applique à la présente figure.
[0058] La figure 5 montre clairement que, sans régulation dans la ligne F d'échappement de sortie anode, la libération d'hydrogène est très inégale du fait des dégagements périodiques de purge limités dans le temps qui provoquent des pics d'hydrogène. Entre ces pics EH2P, subsiste une faible concentration d'hydrogène EH2F qui représente de faibles émissions dues aux fuites de la pile à combustible H. Sans traitement de régulation dans cette ligne F d'échappement, de tels pics EH2P de concentration d'hydrogène dépasseraient la LIE et présenteraient un danger après la jonction des lignes E et F d'échappement anode et cathode. On voit que grâce à la régulation conformément à la présente invention, ces pics EH2P de concentration en hydrogène sont éliminés et que la concentration d'hydrogène EH2L est sensiblement constante dans le temps après régulation, ce qui permet de réaliser un mélange en proportions non explosives avec le flux cathode.
[0059] Certaines précautions d'utilisation du moyen de régulation 10 doivent être prises lors des purges se produisant dans la partie anode de la pile à combustible H. Par exemple, si ce moyen de régulation est une pompe 10, celle-ci devra être ralentie par la logique de commande lors d'une purge de la pile à combustible de manière à ne pas avoir son débit perturbé de façon incontrôlée par la rapide repressurisation de la réserve tampon 3.
[0060] La figure 6 montre une ligne F d'échappement de flux de sortie anode comprenant les éléments essentiels du dispositif de sécurisation conformément à la présente invention sous la forme d'une réserve tampon 3 et d'un moyen de régulation de l'évacuation de cette réserve tampon 3 sous la forme d'une pompe 10. Cette ligne d'échappement F rejoint après la réserve tampon 3 et la pompe 10 la ligne E d'échappement du flux de sortie cathode par l'intermédiaire de l'interface de mélange 9. Entre la pompe 10 et l'interface de mélange 9, se trouve un clapet anti-retour 2 déjà décrit. Comme pour la figure 4, le mode de réalisation décrit à la figure 6 présente une boucle de recirculation 12 qui dirige une partie du flux de sortie anode vers la ligne d'alimentation d'anode en l'intercalant après la source d'hydrogène B montrée à la figure 1 . Cette boucle de recirculation 12 est disposée avant le réservoir tampon 3 en parallèle avec sa ligne F d'échappement correspondante et après un séparateur de phase 1 1 qui permet l'élimination d'une certaine partie de l'eau présente dans la ligne F d'échappement. Entre le séparateur de phase 1 1 et la réserve tampon 3 se trouve une électrovanne 4, comme déjà décrit à la figure 3. Malgré l'utilisation d'un séparateur de phase 1 1 en amont de la réserve tampon 3, de l'eau peut tout de même s'accumuler dans la réserve tampon 3 par condensation. Cette accumulation d'eau dans la réserve tampon 3 pourra alors être évacuée à l'aide d'un drain à ouverture pilotée par la logique de commande ou par une détection de niveau d'eau dans la réserve tampon 3, ce drain étant muni d'une électrovanne de vidange 13.
[0061] De tels dispositifs de sécurisation passive permettent une régulation de la concentration d'hydrogène dans le mélange amené par exemple au brûleur catalytique et assure ainsi la sécurisation des évacuations des fuites naturelles d'hydrogène et des rejets liés aux purges anodiques de la pile à combustible en régime normal de fonctionnement de la pile à combustible.
Ces dispositifs de sécurisation conviennent particulièrement bien pour les piles à combustible embarquées sur véhicule. De plus ces dispositifs de sécurisation avec une réserve tampon dépressurisée permettent d'optimiser le fonctionnement de la pile à combustible en améliorant la qualité des purges et en diminuant leur durée.
[0062] Une sécurisation active assurant la sécurité de l'ensemble pile à combustible en cas d'arrêt du véhicule ou panne de la sécurisation passive peut aussi être associée à la sécurisation passive pour diverses situations comme arrêt, accident ou maintenance.
[0063] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible (H) présentant des flux de sortie cathode, anode, envoyés au moins en partie vers un moyen d'élimination (8) propre à maintenir l'hydrogène à une concentration inoffensive, comprenant les étapes suivantes : collecte d'au moins une partie du flux de sortie anode dans une réserve tampon (3), évacuation régulée de la réserve tampon (3), cette régulation étant effectuée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres des divers flux de sortie et/ou de conditions de fonctionnement de la pile (H) et/ou du moyen d'élimination (8) afin de toujours garantir une concentration en hydrogène inférieure à la Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) dans le flux obtenu après mélange, mélange du flux de sortie anode régulé avec le flux de sortie cathode, et conduite d'au moins une partie du flux après mélange par exemple à un brûleur catalytique (8).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'évacuation de le réserve tampon (3) est effectuée en créant une dépressurisation de la réserve tampon (3).
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les mélanges des flux se font par effet venturi à l'aide d'un élément déprimogène.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une étape de contrôle des caractéristiques des flux juste avant et après mélange du flux anode et du flux cathode.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce la régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon (3) est effectuée en fonction d'un ou de plusieurs des paramètres suivants : courant produit, périodicité des purges de la zone anode, pression de la réserve tampon (3), concentration d'hydrogène dans la réserve tampon (3) et/ou la ligne (F) d'échappement du flux d'anode, taux d'humidité, débit et concentration en oxygène ou en hydrogène ou en azote dans les lignes (E, F, K) d'échappement du flux de cathode, d'anode et de sortie d'un carter de la pile, paramètres de l'effet déprimogène généré par les débits des lignes d'échappement (E et F ; E et K) et le rétrécissement de la section de la ligne (E ou F) d'échappement réceptrice, concentration en oxygène en amont de la jonction des flux anode et cathode et/ou concentration d'hydrogène en aval de la jonction des flux anode et cathode,
6. Dispositif de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible (H) présentant une anode (Hb), une cathode (Ha), une ligne (E) d'échappement du flux de sortie de cathode, une ligne (F) d'échappement du flux de sortie d'anode, ces flux étant dirigés au moins partiellement vers un moyen d'élimination (8), la ligne d'échappement (F) du flux de sortie d'anode comprenant une réserve tampon (3), un moyen de régulation (10) étant prévu à la sortie de la réserve tampon (3) pour une évacuation régulée de ce flux de sortie d'anode hors de la réserve tampon (3), ladite régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon (3) étant effectuée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres des divers flux de sortie et/ou de conditions de fonctionnement de la pile (H) et/ou du moyen d'élimination (8) afin de toujours garantir une concentration en hydrogène inférieure à la Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) dans le flux obtenu après mélange.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un carter de pile (J) et une ligne d'échappement du flux de sortie de carter de pile
8. Dispositif selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de régulation (10) de la réserve tampon (3) est une fuite calibrée.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des moyens pour modifier le diamètre de la fuite calibrée en cours d'opération.
10. Dispositif selon l'une des revendications 6, 7 ou 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de pilotage du moyen de régulation, associés à une logique de commande.
1 1 . Dispositif selon l'une des revendications 6, 7, 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte d'autre part des moyens aptes à mettre la réserve tampon en légère dépression par aspiration.
12. Dispositif selon l'une des revendications 6, 7, 9, 10 ou 1 1 , caractérisé en ce en ce que le moyen de régulation est une électrovanne proportionnelle (10a) ou une pompe (10b), le dispositif comportant de plus des moyens de pilotage du moyen de régulation, associés à une logique de commande.
13. Dispositif selon l'une quelconque des 6 à 12, caractérisé en ce qu'une électrovanne (4) est disposée dans la ligne (F) d'échappement du flux de sortie anode avant la réserve tampon (3), cette électrovanne (4) servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible (H) et alimentant la réserve tampon (3) en flux de sortie anode.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, caractérisé en ce que la ligne d'échappement (F) du flux de sortie anode régulé rejoint la ligne (E) d'échappement du flux de sortie cathode, ce dernier étant, le cas échéant, augmenté du flux de sortie carter (J) de pile et en ce que le flux de sortie anode est mélangé avec au moins le flux de sortie cathode par une interface de mélange (9).
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'interface de mélange (9) est à effet venturi déprimogène,.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, caractérisé en ce que la ligne (F) d'échappement du flux de sortie anode après le réservoir tampon (3) comprend un clapet anti-retour (2), ce clapet empêchant, d'une part, la remontée de flux dans la réserve tampon(3) en provenance de l'interface de mélange (9) et en particulier de l'oxygène présent dans la ligne (E) d'échappement de flux de sortie cathode, et maintenant, d'autre part, la réserve tampon (3).
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 15 caractérisé en ce que la réserve tampon (3) présente à une sortie auxiliaire une électrovanne (13) de vidange périodique de l'eau de celle-ci.
18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 16, caractérisé en ce que la ligne (F) d'échappement de flux de sortie anode présente en dérivation une boucle de recirculation
(12) conduisant une partie du flux de sortie d'anode vers l'alimentation d'anode de la pile à combustible (H).
19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 13, caractérisé en ce qu'au moins la ligne (F) d'échappement de sortie de flux anode de ce dispositif est logée dans un carter, ce carter étant le cas échéant le carter (J) de pile.
20. Utilisation d'un dispositif de sécurisation passive selon l'une quelconque des revendications 4 à 14 pour un ensemble pile à combustible (H) pour groupe électrogène destiné à être embarqué, notamment sur un véhicule.
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