EP2332203A1 - Moyens de purge pour systeme a pile a combustible et mode de regulation associe - Google Patents

Moyens de purge pour systeme a pile a combustible et mode de regulation associe

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EP2332203A1
EP2332203A1 EP09800054A EP09800054A EP2332203A1 EP 2332203 A1 EP2332203 A1 EP 2332203A1 EP 09800054 A EP09800054 A EP 09800054A EP 09800054 A EP09800054 A EP 09800054A EP 2332203 A1 EP2332203 A1 EP 2332203A1
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purge
orifices
outlet
calibrated
fuel cell
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Sadok Garnit
Francis Roy
Guillaume Joncquet
Jean-Philippe Poirot-Crouvezier
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PSA Automobiles SA
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • FIG. 1 represents the architecture of a PAC 10 of the prior art with recirculation of hydrogen 30.
  • a PAC is a stack of elementary cells 20 in which an electrochemical reaction takes place between two reagents which are introduced continuously. The fuel is brought into contact with the anode, the oxidant in contact with the cathode. The reaction is subdivided into two half reactions (oxidation and reduction), which take place on the one hand at the anode / electrolyte interface and on the other hand at the cathode / electrolyte interface. They can only take place if there is an ionic conductor between the two electrodes (the electrolyte) and an electronic conductor (the external electrical circuit).
  • the purge flow rate depends only on the hydrogen pressure in the phase separator.
  • One way to modulate this flow may be to vary the pressure in the hydrogen line: it will vary depending on the power provided by the battery; in this case a low pressure will be used for low power operation because the performance of the system is improved by a decrease in the purge rate; if necessary, it will also be possible for weak powers to return to a mode of operation by periodically opening a valve downstream of the orifice; with several orifices, the flow variations are simple to achieve using a selector such as those described above.
  • FIG. 6 represents an example of this mode of operation of the hydrogen line by opening and closing an alternative purge line incorporating a calibrated orifice in one embodiment of the invention.
  • the opening and closing times of the orifice are closer and the range of variation of the nitrogen concentration remains narrow (here between 30 and 40%).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de purge pour pile à combustible (PAC). Les effluents d'une PAC à hydrogène comprenant un circuit de recirculation doivent être purgés régulièrement pour garantir un fonctionnement optimal. Les dispositifs de purge de l'art antérieur sont caractérisés par des variations importantes de la concentration en hydrogène des effluents. L'invention consiste à intégrer les moyens de purge dans le dispositif de séparation des phases liquide et gazeuse des effluents. Avantageusement, des moyens de régulation fine du débit de purge sont prévus, ce qui permet de limiter les les pertes d'hydrogène les effluents purgés.

Description

MOYENS DE PURGE POUR SYSTEME A PILE A COMBUSTIBLE ET MODE DE REGULATION ASSOCIE
Cette invention s'applique au domaine de la pile à combustible (PAC), et plus particulièrement aux applications fonctionnant à basse température et utilisant une membrane comme électrolyte. Les piles concernées sont celles alimentées avec de l'hydrogène pur ou quasi-pur. Même dans les modes de fonctionnement dits « à recirculation » où l'hydrogène est réinjecté dans la pile, il est nécessaire de purger régulièrement le système pour évacuer les polluants et éviter que l'augmentation de la concentration en azote ne détériore les performances du système. Plusieurs modes de purge ont été imaginés, les deux principaux étant l'ouverture périodique d'une vanne de purge, mode qualifié de « dead end » ou frontal par les hommes du métier, et l'autre la réalisation d'un orifice calibré en fonction du débit de purge souhaité. La présente invention se rapporte à ce deuxième mode qui présente en théorie principalement l'avantage par rapport au premier mode d'éviter les variations brutales de débit d'hydrogène inhérentes au premier mode. Les dispositifs de purge à orifice calibré de l'art antérieur présentent cependant l'inconvénient que les effluents qui contiennent de l'eau en phase liquide, ce qui constitue la majorité des cas de fonctionnement, créent des irrégularités dans le débit de purge qui, finalement, recréent les inconvénients du premier mode. Les demandes de brevets suivantes (US 2002/006534, US 2005/233191 et US 2006/086074) ont tenté de résoudre ce problème en prévoyant une fonction de purge réglable couplée avec une fonction de séparation de phase. Ces brevets et demandes de brevets ne permettent cependant pas d'ajuster le débit de purge dans toute l'étendue de la plage de fonctionnement d'une pile à combustible. Le document WO 2007/010372 a adressé ce problème en prévoyant deux vannes de purge dont les débits peuvent être combinés pour étendre la plage de fonctionnement. Cette amélioration ne procure cependant pas une souplesse suffisante pour permettre une adaptation facile aux scénarios envisageables d'utilisation de la pile à combustible.
La présente invention résout ce problème en prévoyant des moyens de purge couplés avec la fonction de séparation de phase, lesdits moyens étant paramétrables de manière simple pour traiter la plupart des scénarios envisageables d'utilisation de la pile à combustible
A cet effet, l'invention divulgue un circuit de recyclage de carburant ou de comburant couplé à une pile à combustible comprenant des moyens de purge des produits des réactions des cellules et des moyens de séparation des phases desdits produits, lesdits moyens de purge constituant une sortie des moyens de séparation des phases et comprenant plusieurs orifices de sortie calibrés contrôlés chacun par une vanne électromécanique dont l'ouverture et la fermeture sont commandées pour choisir le groupe des orifices de sortie actifs à un instant donné, ledit circuit de recyclage étant caractérisé en ce que lesdits orifices calibrés sont disposés dans un logement dont la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'au moins un trou de dimensions adaptées aux calibres des orifices de sortie et est apte à faire mouvement pour occulter une partie des orifices calibrés sous commande de moyens choisis dans le groupe des moyens électriques et pneumatiques.
Avantageusement, le logement a sensiblement la forme d'un barillet et en ce que le mouvement de la face interne de ladite cavité est un mouvement tournant. Avantageusement, la face interne aux moyens de séparation est dotée d'un trou unique dont la position correspond soit à l'activation d'un seul des orifices de sortie soit à la passivation complète des moyens de purge. Avantageusement, la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'un trou unique dont la position correspond soit à l'activation d'au moins deux des orifices de sortie connexes soit à la passivation complète des moyens de purge.
Avantageusement, un module est prévu en sortie des moyens de purge pour effectuer un traitement des effluents choisi dans le groupe dilution, brûlage catalytique. L'invention divulgue également un procédé de production de courant électrique dans une pile à combustible comprenant un ensemble de cellules élémentaires dotées d'une anode et d'une cathode, ledit ensemble étant alimenté en carburant et en comburant, l'un ou l'autre étant constitué d'un circuit de recyclage du mélange gazeux, ledit procédé comprenant une étape de purge des produits des réactions des cellules dont le débit d'effluents en sortie de l'étape de purge est contrôlé par ouverture/fermeture alternative de plusieurs orifices calibrés, ledit procédé étant caractérisé en ce que lesdits orifices calibrés sont disposés dans un logement dont la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'au moins un trou de dimensions adaptées aux calibres des orifices de sortie et en ce que ledit procédé comprend une étape de mise en mouvement de ladite face interne dudit logement par des moyens choisis dans le groupe des moyens électriques et pneumatiques pour occulter une partie des orifices calibrés. Avantageusement, le mode de contrôle du débit d'effluents en sortie de l'étape de purge est combiné avec une variation de la pression dans la ligne d'alimentation en hydrogène.
L'invention présente en outre l'avantage de procurer une plus grande compacité dès lors que deux fonctions, réalisées dans l'art antérieur dans deux dispositifs physiquement distincts, sont intégrées dans un seul ensemble ayant les dimensions du plus encombrant d'entre eux (le séparateur de phase). En outre, plusieurs variantes de réalisation autorisent des gammes de puissance de fonctionnement larges, le cas échéant en prévoyant des barillets portant un ou plusieurs orifices éventuellement contrôlés par une ou plusieurs vannes, chaque barillet étant optimisé pour une des gammes de fonctionnement. Enfin, il ressortira de la description que le concept et l'organe sont simples et peu coûteux à produire, à maintenir et à piloter.
L'invention sera mieux comprise, ses différentes caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de plusieurs exemples de réalisation et de ses figures annexées dont :
- La figure 1 représente une architecture de l'art antérieur d'une PAC avec recirculation d'hydrogène selon la demande de brevet US200601 10640 ; - La figure 2 représente le schéma de principe d'un séparateur de phase intégrant un orifice calibré de purge de gaz dans un mode de réalisation de l'invention ;
- La figure 3 représente un sélecteur d'un orifice calibré de purge de gaz parmi trois dans un mode de réalisation de l'invention ; - La figure 4 représente un sélecteur de zéro, un ou deux orifices calibrés de purge de gaz parmi cinq dans un mode de réalisation de l'invention ;
- La figure 5 représente un exemple de l'art antérieur de régulation de la concentration d'azote dans la ligne d'hydrogène par purge périodique ;
- La figure 6 représente un exemple de régulation de la concentration d'azote dans la ligne d'hydrogène par ouverture et fermeture alternative d'une ligne de purge intégrant un orifice calibré dans un mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente l'architecture d'une PAC 10 de l'art antérieur avec recirculation d'hydrogène 30. Une PAC est un empilement de cellules élémentaires 20 dans lesquelles a lieu une réaction électrochimique entre deux réactifs qui sont introduits de manière continue. Le combustible est apporté au contact de l'anode, le comburant au contact de la cathode. La réaction est subdivisée en deux demi-réactions (une oxydation et une réduction), qui ont lieu d'une part à l'interface anode / électrolyte et d'autre part à l'interface cathode / électrolyte. Elles ne peuvent avoir lieu que s'il existe un conducteur ionique entre les deux électrodes (l'électrolyte) et un conducteur électronique (le circuit électrique externe). L'empilement de cellules n'est que le lieu de la réaction : les réactifs doivent y être apportés, les produits et les espèces non réactives doivent en être évacués, tout comme la chaleur produite. Enfin, le circuit électrique doit être connecté aux deux bornes de l'empilement. Dans les systèmes utilisant de l'hydrogène et de l'air atmosphérique comme réactifs, l'air est amené à la pile par un compresseur et traverse une série de composants (filtre, échangeur thermique, humidificateur, etc.) avant de pénétrer dans la pile à la cathode. En sortie de cathode l'air est généralement chargé en eau liquide et vapeur. Une partie de cette eau est récupérée pour les besoins de l'humidification, puis le gaz résiduel est souvent évacué par l'intermédiaire d'un déverseur permettant le maintien en pression de la ligne. Côté anode l'hydrogène peut être issu d'un grand nombre de sources différentes, qui sont en général également des sources de pression permettant d'éviter le recours à un dispositif de compression du gaz. Il est donc le plus souvent amené à la pile après avoir traversé un ou plusieurs détendeurs ou électrovannes appliquants la pression prévue dans la ligne. En sortie de pile, plusieurs scénarios sont possibles : soit le gaz sortant de l'anode est suffisamment pur et il peut être en partie réinjecté en entrée de pile de manière à assurer un apport d'eau suffisant à la pile, soit il est simplement purgé à intervalle régulier afin d'évacuer les polluants tout en minimisant la quantité d'hydrogène purgé. Dans le premier cas on parle de recirculation de l'hydrogène, et c'est le mode fonctionnement le plus courant sur les systèmes alimentés en hydrogène et air. Le transfert d'azote au travers de la membrane entre le côté cathodique et le côté anodique est la principale raison pour laquelle l'un de ces deux modes de fonctionnement doit être appliqué à l'anode. Et même dans le cas de la recirculation, une purge est nécessaire pour éviter que la concentration d'azote n'atteigne des valeurs dégradant fortement les performances de la pile. Le fonctionnement le plus courant cumule donc recirculation et purge. Sur la figure 1 , la vanne de purge 40 est montée en dérivation sur le circuit de recirculation 30. Dans cette réalisation de l'art antérieur, il n'est pas prévu de séparateur de phase. Cependant, ce composant est généralement indispensable au bon fonctionnement du système PAC intégrant une recirculation. En effet, le passage d'eau liquide dans l'organe entraînant le gaz recyclé (pompe ou éjecteur) peut altérer le fonctionnement de la pile ou de l'organe auxiliaire du fait de la grande différence de densité entre l'hydrogène (très léger) et l'eau liquide. Or en sortie de pile côté anode de l'eau liquide est présente dans la majorité des cas de fonctionnement. De plus si la purge est réalisée en continu par l'intermédiaire d'un orifice calibré, le passage d'un fluide diphasique peut également poser problème en créant des irrégularités dans le débit de purge. En outre, l'eau récupérée en sortie du séparateur de phases peut être réinjectée dans l'humidificateur 60. L'humidification des membranes électrolytiques des cellules de la PAC est en effet une fonction indispensable à son bon fonctionnement.
Comme indiqué sur la figure 2 qui représente le schéma de principe d'un séparateur de phase intégrant un orifice calibré de purge de gaz, dans un mode de réalisation de l'invention, un séparateur des phases 50 est prévu en dérivation du circuit de recirculation. Une sortie supplémentaire est ménagée dans la chambre du séparateur de phases et comprend un moyen de purge 40. Dans cet exemple, le moyen de purge est un orifice dont le calibre est choisi en fonction du débit de purge à assurer. Avantageusement, l'orifice est situé dans une zone proche de la sortie du séparateur, là où le gaz est débarrassé de tout le liquide présent à l'entrée. A titre indicatif le débit de purge des gaz, pour une pile de puissance nominale de 20 kW, varie entre 1 et 2 NL/min pour les purges de gaz et de
10 et 60 ml/min pour les purges d'eau.
Dans cette réalisation, le débit de purge ne peut être ajusté.
11 est cependant possible de prévoir une vanne d'ouverture/fermeture périodique en aval de l'orifice calibré qui permettra un réglage fin. En ajustant les temps d'ouverture et de fermeture de la vanne, il est possible de réduire les pertes d'hydrogène.
Dans les cas où une régulation plus fine du débit de purge serait nécessaire, typiquement ΛA à 3A Nl/min de gaz de purge selon le point de fonctionnement, plusieurs conduits de purges avec des orifices calibrés de section différente peuvent être implantés sur le séparateur. Chaque ligne de purge ainsi créée peut être reliée à une vanne qui va la rendre active ou non au cours du fonctionnement du système. Alternativement, un dispositif de sélection de l'orifice peut être implanté directement dans le séparateur de phase. Si les orifices sont disposés sur une même ligne on peut utiliser une plaque percée que l'on translate de manière à faire coïncider le ou les trous dans la plaque avec un ou plusieurs orifices calibrés. Néanmoins la configuration la plus avantageuse, notamment en terme de compacité est celle où les orifices sont disposés en cercle. Le sélecteur est alors un disque percé qu'il suffit de faire tourner pour que le ou les trous qu'il contient coïncident avec un ou plusieurs orifices.
Les figures 3 et 4 présentent deux exemples de sélecteurs qui permettent de mieux comprendre le fonctionnement de ce dispositif. Sur la figure 3, le disque situé sur la face interne du barillet est doté d'un seul trou dont le diamètre est supérieur à celui du plus grand des orifices calibrés du séparateur. Il peut prendre trois positions d'ouverture, chacune correspondant à un des orifices, la purge étant désactivée dans toutes les autres positions du disque. Sur la figure 4, le disque comporte également un seul trou mais d'une configuration particulière qui permet d'assurer l'ouverture de deux orifices connexes de manière simultanée, ce qui permet de sélectionner cinq débits différents. A titre indicatif, pour une pile de 20 kW, les tous calibrés peuvent être de 0.15, 0.2 et 0.25 mm de diamètre. Cette répartition de diamètre permettra de maîtriser le débit de purge dans toutes les situations de vies. On notera que lors du démarrage, la pression d'hydrogène est faible donc le sélecteur se positionnera sur le plus grand trou. Quand la pression augmentera, le sélecteur changera de position pour assurer un débit de purge régulier. Ce dimensionnement dépend des pressions, températures et technologie cœur de pile utilisée.
Les séparateurs intégrant un ou plusieurs orifices tels que décrits ci-dessus peuvent être reliés directement à un module de dilution dans l'air ou à un brûleur catalytique. Cette connexion peut également se faire par l'intermédiaire d'une vanne qui assurera une fermeture étanche de la purge dans certaines phases de fonctionnement. Enfin un séparateur de phase comme ceux décrits ci-dessus pourra être intégré à la culasse ou à une des plaques terminales de la pile à combustible à laquelle il est connecté, afin de gagner encore en compacité du système PAC. Les séparateurs intégrant un ou plusieurs orifices tels que décrits ci-dessus peuvent être reliés directement à un module de dilution dans l'air ou à un brûleur catalytique. Cette connexion peut également se faire par l'intermédiaire d'une vanne qui assurera une fermeture étanche de la purge dans certaines phases de fonctionnement.
La gestion de la purge avec les différents séparateurs de phase décrits ci- dessus est plus ou moins souple selon les cas décrits : avec un orifice unique, le débit de purge ne dépend que de la pression d'hydrogène dans le séparateur de phase. Un moyen de moduler ce débit peut être de faire varier la pression dans la ligne hydrogène : celle-ci variera en fonction de la puissance fournie par la pile ; dans ce cas on utilisera une pression faible pour un fonctionnement à faible puissance, car la performance du système est améliorée par une diminution du débit de purge ; au besoin on pourra également pour des puissances faibles revenir à un mode de fonctionnement par ouverture périodique d'une vanne en aval de l'orifice ; avec plusieurs orifices, les variations de débit sont simples à réaliser à l'aide d'un sélecteur tel que ceux décrits ci-dessus. Le sélecteur pourra être mis en mouvement par des moyens électriques et/ou pneumatiques ; on peut y associer comme dans le cas précédent une variation de la pression d'hydrogène en fonction du niveau de puissance fourni par la pile ; un mode de fonctionnement par ouverture périodique d'une vanne en aval des orifices est également envisageable ici.
L'ouverture périodique d'une vanne située en aval des orifices permet de réguler finement la concentration d'azote dans la ligne hydrogène. Elle se distingue des systèmes de purge employés dans l'art antérieur du fait que la vitesse de diminution de la concentration pendant la phase d'ouverture de la vanne est beaucoup plus faible, ce qui rend la régulation plus précise.
La figure 5 représente un exemple de l'art antérieur de régulation de la concentration d'azote dans la ligne d'hydrogène par purge périodique. La concentration en azote dans la ligne d'hydrogène chute brutalement (de 60% à zéro) à l'ouverture de la vanne de purge, tandis qu'elle augmente lentement lorsque la vanne est fermée. Il est donc possible de tirer parti de cette cinétique lente en associant une vanne de purge avec un dispositif à orifice calibré tel que décrit ci-dessus. Pour limiter la perte d'hydrogène par cet orifice dans certaines phases de fonctionnement, la fermeture périodique de la vanne de purge permet de réduire fortement le débit sortant (par exemple d'un facteur 2 pour un ratio temps d'ouverture / temps de fermeture de 1 ), tout en régulant la concentration d'azote dans une gamme compatible avec un fonctionnement efficace de la pile à combustible. On se trouve alors en présence d'un système quasiment équivalent à un orifice plus petit.
La figure 6 représente un exemple de ce mode de fonctionnement de la ligne d'hydrogène par ouverture et fermeture alternative d'une ligne de purge intégrant un orifice calibré dans un mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, les durées d'ouverture et de fermeture de l'orifice sont plus proches et la plage de variation de la concentration d'azote reste étroite (ici entre 30 et 40%). Les exemples décrits ci-dessus sont donnés à titre d'illustration de modes de réalisation de l'invention. Ils ne limitent en aucune manière le champ de l'invention qui est défini par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit de recyclage de carburant ou de comburant (30) couplé à une pile à combustible (10) comprenant des moyens de purge (40) des produits des réactions des cellules et des moyens de séparation des phases (50) desdits produits, lesdits moyens de purge constituant une sortie des moyens de séparation des phases et comprenant plusieurs orifices de sortie calibrés contrôlés chacun par une vanne électromécanique dont l'ouverture et la fermeture sont commandées pour choisir le groupe des orifices de sortie actifs à un instant donné, ledit circuit de recyclage étant caractérisé en ce que lesdits orifices calibrés sont disposés dans un logement dont la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'au moins un trou de dimensions adaptées aux calibres des orifices de sortie et est apte à faire mouvement pour occulter une partie des orifices calibrés sous commande de moyens choisis dans le groupe des moyens électriques et pneumatiques.
2 Circuit de recyclage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le logement a sensiblement la forme d'un barillet et en ce que le mouvement de la face interne de ladite cavité est un mouvement tournant.
3 Circuit de recyclage selon la revendication 2 caractérisé en ce que la face interne aux moyens de séparation est dotée d'un trou unique dont la position correspond soit à l'activation d'un seul des orifices de sortie soit à la passivation complète des moyens de purge.
4 Circuit de recyclage selon la revendication 2 caractérisé en ce que la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'un trou unique dont la position correspond soit à l'activation d'au moins deux des orifices de sortie connexes soit à la passivation complète des moyens de purge.
5 Circuit de recyclage selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un module est prévu en sortie des moyens de purge pour effectuer un traitement des effluents choisi dans le groupe dilution, brûlage catalytique.
6 Procédé de production de courant électrique dans une pile à combustible comprenant un ensemble de cellules élémentaires dotées d'une anode et d'une cathode, ledit ensemble étant alimenté en carburant et en comburant, l'un ou l'autre étant constitué d'un circuit de recyclage du mélange gazeux, ledit procédé comprenant une étape de purge des produits des réactions des cellules dont le débit d'effluents en sortie de l'étape de purge est contrôlé par ouverture/fermeture alternative de plusieurs orifices calibrés, ledit procédé étant caractérisé en ce que lesdits orifices calibrés sont disposés dans un logement dont la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'au moins un trou de dimensions adaptées aux calibres des orifices de sortie et en ce que ledit procédé comprend une étape de mise en mouvement de ladite face interne dudit logement par des moyens choisis dans le groupe des moyens électriques et pneumatiques pour occulter une partie des orifices calibrés.
7 Procédé de production de courant électrique selon la revendication 6 caractérisé en ce que le circuit de recyclage est réalisé selon la revendication 2.
8 Procédé de production de courant électrique selon la revendication 7 caractérisé en ce que le mode de contrôle du débit d'effluents en sortie de l'étape de purge est combiné avec une variation de la pression dans la ligne d'alimentation en hydrogène.
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