EP2702628A1 - Pile a combustible a encombrement reduit - Google Patents

Pile a combustible a encombrement reduit

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EP2702628A1
EP2702628A1 EP12717678.2A EP12717678A EP2702628A1 EP 2702628 A1 EP2702628 A1 EP 2702628A1 EP 12717678 A EP12717678 A EP 12717678A EP 2702628 A1 EP2702628 A1 EP 2702628A1
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EP
European Patent Office
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pumps
coolant
chamber
fuel cell
stack
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12717678.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Delphine Drouhault
Pierre Nivelon
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a reduced-space fuel cell.
  • a fuel cell for supplying electricity is supplied with fuel gas, for example hydrogen in the case of a fuel cell with a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). "), And oxidizing gas, for example air or oxygen.
  • fuel gas for example hydrogen in the case of a fuel cell with a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). "
  • oxidizing gas for example air or oxygen.
  • the operation of the fuel cell also has the effect of producing thermal energy.
  • a fuel cell has one or more stacks of electrochemical cells, each cell has an anode and a cathode.
  • the cells are held in compression against each other by end plates connected by tie rods.
  • a circuit is provided to supply the cells with reactive gases.
  • the electrochemical efficiency of the cell is dependent on the temperature within the cell and this because of the nature of the materials used.
  • the operating temperature is generally below 80 ° C to ensure the best electrochemical efficiency.
  • the cooling is ensured by a circulation of a heat transfer fluid within the stack, the coolant being itself cooled on the outside of the pile.
  • a pump ensures circulation of the heat transfer stream within the stack in particular and the circuit in general. The pump is dimensioned according to the thermal power to be evacuated and also according to the losses of charges within the circuit.
  • the cooling circuits of each of the stacks are fed in parallel, the circulation of the coolant within the various cooling circuits is obtained by means of a pump.
  • This pump is therefore chosen so as to be powerful enough to ensure the circulation of coolant in all the stacks in order to extract heat from all the stacks. Therefore, in the case of high power stack with a large number of electrochemical cells, the pump is relatively bulky, while it is generally sought to reduce the size of the fuel cell system, especially in embedded applications. Moreover, in case of failure of this pump, the cooling can no longer be provided in any of the stacks.
  • a fuel cell comprising several stacks of cells compressed between two end plates, at least one of the plates being common to the two stacks, and at least one thermal management circuit.
  • the latter comprises channels each passing through the stacks. Each channel is connected to a common chamber formed in an end plate, said chamber being fed by several pumps.
  • means for interrupting the communication between each of the pumps and the chamber are provided. In the case where all the pumps are running, all the channels are supplied by the coolant of the chamber which is fed by the pumps. If one of the pumps is stopped, communication with the chamber is interrupted, and the coolant supply in all the stacks is provided by the pumps that remain in operation.
  • a chamber formed in one of the end plates the chamber being connected to several channels passing through the single stack and pumps feeding the a chamber which itself delivers the coolant to the canals. All channels are supplied with coolant even if one of the pumps is shut down. Means for preventing backflow of the coolant to the stopped pump are also provided.
  • these anti-backflow means are formed by valves controlled directly by the presence or absence of heat transfer stream.
  • one of the end plates comprises a heat transfer redistribution chamber ensuring equipression of the various cooling circuits and maintaining cooling in all the stacks or all 1 stack.
  • the subject of the present invention is therefore a fuel cell comprising at least two stacks of electrochemical cells, a thermal management system formed by a circuit for circulating a heat-transfer fluid in the stacks, and a system for supplying gas with reactive gases. cells, each stack of electrochemical cells undergoing a clamping force applied by a first end plate common to both stacks and a second end plate, the common end plate being located upstream of the electrochemical cells in the direction of circulation of the coolant,
  • thermal management system comprising:
  • a chamber formed in the common end plate, to which chamber are connected the at least two pumps and the channels passing through the stacks, said chamber being interposed between the pumps and the channels passing through the stacks, and
  • the present invention also then relates to a fuel cell comprising a stack of electrochemical cells and first and second end plates applying a clamping force on the electrochemical cells, a thermal management system formed by a circulation circuit of a heat transfer fluid in the stack and a supply system for the stack of reactive gases, the first end plate being disposed upstream of the cells in the direction of circulation of the coolant, said thermal management system comprising:
  • the interruption means are formed by valves for each of the pumps, each valve comprising a shutter intended to rest on a valve seat formed by the contour of the connection orifice between the chamber and a pump in case lack of coolant flow.
  • the valve preferably comprises a guide rod integral with the shutter and perpendicular thereto.
  • the valve may also include elastic return means of the shutter bearing against the valve seat.
  • the fuel cell may include as many coolant pumps as stacks.
  • the fuel cell may also include means for stopping each of the pumps independently from the other pump or pumps, for example to reduce power consumption
  • the fuel cell advantageously comprises pump control means, the number of pumps operated depending on the requested operating power of the battery.
  • the fuel cell may include electrochemical cells of the proton exchange membrane type.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view at an end plate of an exemplary embodiment of a fuel cell according to the present invention in a state where both pumps operate,
  • FIG. 2 is a sectional view similar to that of FIG. 1, in the case where one of the pumps is stopped,
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an alternative embodiment of a fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of an exemplary embodiment of a fuel cell according to the present invention comprising two cell stacks
  • Figure 5 is a longitudinal sectional view of an exemplary embodiment of a battery according to the present invention comprising a single stack of cells.
  • the fuel cell has two stacks C1, C2 of electrochemical cells.
  • Each stack C1, C2 comprises bipolar plates and ion exchange membranes arranged alternately.
  • Two end plates 2, 4 connected by tie rods apply a compressive force to the bipolar cells to ensure electrical conduction evenly distributed over the entire surface of the elements making up the cells.
  • one of the end plates 2 is common to both stacks while the other end plate 4 is separate for each stack.
  • the two end plates 2, 4 are common for the two stacks C1, C2.
  • the cell also comprises reactive gas supply circuits for the cells, for example one of hydrogen and the other of air or oxygen.
  • the battery also comprises a thermal management system 12 formed by a circuit for circulating a coolant within the stacking to exchange heat with the cells, and a circulation circuit (not shown) disposed outside the stack.
  • a thermal management system 12 formed by a circuit for circulating a coolant within the stacking to exchange heat with the cells, and a circulation circuit (not shown) disposed outside the stack.
  • the coolant is a fluid whose electrical conductivity is low typically deionized water to which we can add certain additive (s) for example monoethylene glycol, to lower its freezing point, or nanoparticles corrosion inhibitors .
  • the thermal management system comprises a circulation circuit 16, 18 in each of the stacks formed of at least one channel extending longitudinally through the stack C1, C2.
  • Each channel has an inlet end 20, 22 connected to the coolant supply "cold” and a discharge end (not shown) of the heat transfer medium heated through the stack.
  • each stack has its own pump PI, P2 circulating coolant within the circuit.
  • the pumps PI, P2 are arranged upstream of the stacks C1, C2 in the direction of circulation of the coolant.
  • the pumps are generally rotary centrifugal type (or axial). These pumps have the advantage of ensuring a continuous fluid flow with low discharge pressures, the heat transfer circuit is generally not pressurized.
  • the thermal management system comprises, at the entrance of the stack, a chamber 24 formed in the first end plate 2 forming an equipressure chamber of the two circulation circuits 16, 18. The chamber is therefore interposed between the pumps PI, P2 and the stacks C1, C2.
  • Each circulation circuit 16, 18 comprises an upstream portion 16.1, 18.1 opening into the chamber 24 through inlet orifices 24.1, 24.2 and connecting the pumps to the chamber 24, and downstream portions between the chamber 24 and the stacks C1, C2, and connected to the chamber 24 through outlets 24.3, 24.4.
  • the chamber 24 also comprises means making it possible to close off one of the inlet orifices 24.1, 24.2 so as to avoid a circulation of coolant from one of the upstream portions 16.1, 18.1 to the other upstream portion 18.1, 16.1 via the chamber 24 in case of non-operation of one of the pumps.
  • closure means are formed by valves 28, 30 mounted at each of the inlet ports 24.1, 24.2.
  • the two valves are similar. We will describe only one flap in detail.
  • the valve 28 comprises a shutter 28.1 mounted on a rod 28.2 perpendicular to the shutter and coaxial with the inlet 24.1 and providing axial guidance of the valve in the inlet 24.1.
  • the valve comprises a valve seat 28.3 formed by the contour of the inlet 24.1.
  • the valves are gravity type, i.e. they come into contact with their valve seat under the effect of their weight in the absence of coolant flow.
  • the valves would not be gravity type, for example, if the chamber 24 was in the upper part of the stacks or if the axis of the stacks was horizontal, there are provided return means for example, of helical spring type, mounted in compression, reminding the shutter against its seat in the absence of coolant flow.
  • the spring may be mounted between the shutter and the wall of the chamber opposite to that carrying the inlet ports or in a fixed spring cage with respect to the shutter.
  • FIG. 4 shows a practical embodiment of a battery according to the present invention in which each circulation circuit has at least two channels longitudinally passing through the stacks.
  • the chamber 24 then comprises a pair of outlet orifices 24.3, 24.4 connected to the upstream portions of the circulation circuits.
  • Each stack may comprise more than two channels, the chamber then has as many outlet orifices as channels.
  • the normal operation is considered here as that in which all pumps operate, i.e. the two pumps PI and P2 in the example shown.
  • Degraded operation corresponds to the case where one of the two pumps does not work, either because it is out of order or because it has been stopped voluntarily, for example to reduce the power consumption.
  • each pump PI, P2 circulates the coolant in the upstream portion 16.1, 18.1 to the downstream portion 16.2, 18.2 via the chamber 24. This circulation is represented by arrows F1, F2.
  • the valves are in the open position, the shutters being held in the unstuck position relative to their valve seat.
  • the coolant flowing in each of the upstream portions mixes in the chamber 24, which ensures a equipressure of coolant.
  • the coolant is then distributed between the two downstream portions 16.2, 18.2.
  • the pump PI continues to operate, causing a coolant circulation in the upstream portion 16.1 of the circuit 16 to the downstream portion 16.2 via the chamber 24, the valve being open.
  • the pump PI supplies the chamber 24 with coolant, the coolant is then distributed between the two downstream portions 16.2, 18.2.
  • the valve 30 being closed, it prevents the coolant from the upstream portion 16.1 to flow to the upstream portion 18.1.
  • the pump PI then alone ensures the circulation of the coolant in the two stacks.
  • a heat capacity of the coolant of 3000 J / kg / K for example monoethylene glycol 50%, this having a density of 1021 kg / m 3 ,
  • an estimated pressure drop in the rest of the circuit of about 100 mbar, the rest of the circuit being composed of thermovannes to manage the circulation of the coolant according to its temperature, the inlet and outlet orifices and piping.
  • the pump must therefore provide a discharge pressure of at least 350 mbar at 60 l / min.
  • each of the pumps are then: a depth of 24 cm, a width of 12 cm and a height of 15 cm.
  • the mass of such a pump is 3kg.
  • the size of the means for circulating the coolant in the stack is substantially reduced and the reduction in mass is very important, since it is divided by 10.
  • the passage diameter may be 28 mm, or a passage section of 0.000632 m 2 .
  • the valve has a maximum mass of 40 g, for example, in the case of a stainless steel shutter, the latter having a diameter of 28 mm, its maximum thickness is 8.2 mm.
  • the present invention also applies very advantageously to a fuel cell comprising a single stack C, as shown in FIG.
  • the battery can operate at several powers and thus release different amounts of heat depending on its operating power.
  • the single stack is traversed by separate channels 116, 118 connected as input to the chamber 124, itself connected to several pumps P101, P102.
  • all-or-nothing operation pumps that are simpler construction pumps can be used.
  • a fuel cell having a number of different stacks and pumps is not outside the scope of the present invention, or a number of pumps and channels passing through the single stack also do not fall outside the scope of the present invention.
  • the invention provides no additional space since it is fully integrated in one of the end plates, and may have additional elements compared to a battery of the state of the art. Indeed, only valves were added and the chamber 24 was made in the end plate. Therefore, it is simple to implement and can easily be adapted to existing battery structures.
  • the integration of the thermal management system into the stack is simplified since it implements several pumps of reduced size and mass more easily integrated in the battery system.
  • the security of the different stacks is ensured in case of failure of one of the circulation pumps.
  • the invention allows the shutdown of one or more cooling pumps in case of operation of the low-speed battery, for example for the purpose of saving electrical energy.

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Abstract

Pile à combustible comportant deux empilements (C1, C2) de cellules électrochimiques, un système de gestion thermique (12) formé par un circuit de circulation (16, 18) d'un fluide caloporteur dans les empilements, chaque empilement de cellules électrochimiques subissant un effort de serrage appliqué par une première plaque d'extrémité (2) commune aux deux empilements et une deuxième plaque d'extrémité (4), chaque empilement (C1, C2) comportant au moins un canal de circulation du caloporteur, deux pompes (P1, P2) étant prévues de mise en circulation du caloporteur dans les canaux, et une chambre (24) formée dans la plaque d'extrémité commune (2), chambre à laquelle sont connectées les deux pompes (P1, P2) et les canaux traversant les empilements. Des clapets (28, 30) entre chacune des pompes (P1, P2) et la chambre (24), la communication avec une pompe (P1, P2) étant interrompue en cas d'absence de flux de caloporteur provenant de cette pompe (P1, P2).

Description

PILE A COMBUSTIBLE A ENCOMBREMENT REDUIT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à une pile à combustible à encombrement réduit.
Une pile à combustible, pour délivrer de l'électricité, est alimentée en gaz carburant, par exemple de l'hydrogène dans le cas d'une pile de type pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC pour « Proton Exchange Membrane Fuel Cell ») , et en gaz comburant, par exemple de l'air ou de l'oxygène. Le fonctionnement de la pile à combustible a également pour effet de produire de l'énergie thermique.
Une pile à combustible comporte un ou plusieurs empilements de cellules électrochimiques, chaque cellule comporte une anode et une cathode. Les cellules sont maintenues en compression les unes contre les autres par des plaques terminales reliées par des tirants.
Un circuit est prévu pour alimenter les cellules en gaz réactifs.
Par ailleurs, le rendement électrochimique de la pile est dépendant de la température au sein de la pile et ceci du fait de la nature des matériaux utilisés. La température de fonctionnement est en générale inférieure à 80°C afin d'assurer le meilleur rendement électrochimique. Le refroidissement est assuré par une circulation d'un fluide caloporteur au sein de l'empilement, le caloporteur étant lui-même refroidi à l'extérieur de la pile. Une pompe assure la circulation du flux caloporteur au sein de l'empilement en particulier et du circuit en général. La pompe est dimensionnée en fonction de la puissance thermique à évacuer et également en fonction des pertes de charges au sein du circuit.
Dans le cas de piles de fortes puissances électriques, de l'ordre de plusieurs dizaines de kilowatts, on réalise plusieurs empilements de plaques bipolaires connectés, ce qui permet d'optimiser le rendement de la pile en la faisant travailler à un point de fonctionnement proche de 0.7 V /cellule. Cette configuration à plusieurs empilements permet également de limiter l'encombrement en hauteur et les pertes de charges dans la distribution des fluides caloporteurs et réactifs.
Dans le cas d'une pile comportant plusieurs empilements, les circuits de refroidissement de chacun des empilements sont alimentés en parallèle, la circulation du caloporteur au sein des différents circuits de refroidissement est obtenue au moyen d'une pompe .
Cette pompe est donc choisie de sorte à être suffisamment puissante pour assurer la circulation de caloporteur dans tous les empilements afin d'extraire la chaleur de tous les empilements. Par conséquent, dans le cas de pile de fortes puissances comportant un nombre important de cellules électrochimiques, la pompe se révèle relativement encombrante, alors que l'on recherche en général à réduire l'encombrement du système pile à combustible, notamment dans les applications embarquées. Par ailleurs, en cas de panne de cette pompe, le refroidissement ne peut plus être assuré dans aucun des empilements . EXPOSÉ DE L' INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une pile à combustible dans lequel le système d'échange thermique est fiable et d'encombrement réduit par rapport aux systèmes piles à combustible de l'état de la technique.
Dans le cas d'une pile comportant plusieurs empilements, le but mentionné ci-dessus est atteint par une pile à combustible comportant plusieurs empilements de cellules comprimées entre deux plaques d'extrémité, au moins l'une des plaques étant commune aux deux empilements, et au moins un circuit de gestion thermique. Ce dernier comporte des canaux traversant chacun des empilements. Chaque canal est connecté à une chambre commune formée dans une plaque d'extrémité, ladite chambre étant alimentée par plusieurs pompes. En outre, des moyens pour interrompre la communication entre chacune des pompes et la chambre sont prévus. Dans le cas où toutes les pompes fonctionnent, tous les canaux sont alimentés par le caloporteur de la chambre qui est alimenté par les pompes. En cas d'arrêt de l'une des pompes, sa communication avec la chambre est interrompue, et l'alimentation en caloporteur dans tous les empilements est assurée par les pompes qui restent en fonctionnement. Dans le cas d'une pile à combustible comportant un seul empilement, le but précédemment énoncé est également atteint par une chambre formée dans une des plaques d'extrémité, la chambre étant connectée à plusieurs canaux traversant l'empilement unique et des pompes alimentant la chambre qui, elle- même, délivre le caloporteur aux canaux. Tous les canaux sont alimentés en caloporteur même en cas d'arrêt de l'une des pompes. Des moyens pour éviter le refoulement du caloporteur vers la pompe arrêtée sont également prévus .
De manière très avantageuse, ces moyens d ' anti-refoulement sont formés par des clapets commandés directement par la présence ou l'absence de flux de caloporteur.
En d'autres termes, l'une des plaques d'extrémité comporte une chambre de redistribution du caloporteur assurant une mise en équipression des différents circuits de refroidissement et un maintien du refroidissement dans tous les empilements ou tout 1 ' empilement .
La présente invention a alors pour objet une pile à combustible comportant au moins deux empilements de cellules électrochimiques, un système de gestion thermique formé par un circuit de circulation d'un fluide caloporteur dans les empilements, et un système d'alimentation en gaz réactifs des cellules, chaque empilement de cellules électrochimiques subissant un effort de serrage appliqué par une première plaque d'extrémité commune aux deux empilements et une deuxième plaque d'extrémité, la plaque d'extrémité commune étant située en amont des cellules électrochimiques dans le sens de circulation du caloporteur,
ledit système de gestion thermique comportant :
dans chaque empilement au moins un canal de circulation du caloporteur,
au moins deux pompes de mise en circulation du caloporteur dans les canaux,
- une chambre formée dans la plaque d'extrémité commune, chambre à laquelle sont connectées les au moins deux pompes et les canaux traversant les empilements, ladite chambre étant interposée entre les pompes et les canaux traversant les empilements, et
- des moyens d'interruption de la communication entre chacune des pompes et la chambre, la communication avec une pompe étant interrompue en cas d'absence de flux de caloporteur provenant de cette pompe .
La présente invention a également alors pour objet une pile à combustible comportant un empilement de cellules électrochimiques et des première et deuxième plaques d'extrémité appliquant un effort de serrage sur les cellules électrochimiques, un système de gestion thermique formé par un circuit de circulation d'un fluide caloporteur dans l'empilement et un système d'alimentation de l'empilement en gaz réactifs, la première plaque d'extrémité étant disposée en amont des cellules dans le sens de circulation du caloporteur, ledit système de gestion thermique comportant :
au moins deux canaux traversant l'empilement et débouchant,
- au moins deux pompes de circulation du caloporteur,
une chambre formée dans la première plaque d'extrémité connectée aux canaux traversant l'empilement et aux pompes, ladite chambre étant interposée entre les canaux et les pompes, et
des moyens d'interruption de la communication entre chacune des pompes et la chambre, la communication avec une pompe étant interrompue en cas d'absence de flux de caloporteur provenant de cette pompe.
De manière avantageuse, les moyens d'interruption sont formés par des clapets pour chacune des pompes, chaque clapet comportant un obturateur destiné à reposer sur un siège de clapet formé par le contour de l'orifice de connexion entre la chambre et une pompe en cas d'absence de flux de caloporteur. Le clapet comporte de préférence une tige de guidage solidaire de l'obturateur et perpendiculaire à celui-ci. Le clapet peut également comporter des moyens de rappel élastique de l'obturateur en appui contre le siège de clapet.
La pile à combustible peut comporter autant de pompes de mise en circulation du caloporteur que d ' empilements .
La pile à combustible peut également comporter des moyens permettant d'arrêter chacune des pompes indépendamment de l'autre pompe ou des autres pompes, par exemple pour réduire la consommation électrique
La pile à combustible comporte avantageusement des moyens de commande des pompes, le nombre de pompes mises en fonctionnement dépendant de la puissance de fonctionnement demandée à la pile.
La pile à combustible peut comporter des cellules électrochimiques de type à membranes échangeuses de protons.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexes sur lesquels :
la figure 1 est une vue en coupe longitudinale au niveau d'une plaque d'extrémité d'un exemple de réalisation d'une pile à combustible selon la présente invention dans un état où les deux pompes fonctionnent,
la figure 2 est une vue en coupe similaire à celle de la figure 1, dans le cas de figure où l'une des pompes est arrêtée,
la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de réalisation d'une pile à combustible selon la présente invention,
la figure 4 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'une pile à combustible selon la présente invention comportant deux empilements de cellules, la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'une pile selon la présente invention comportant un seul empilement de cellules. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur la figure 4, on peut voir un exemple de réalisation d'une pile à combustible à laquelle peut s'appliquer la présente invention.
La pile à combustible comporte deux empilements Cl, C2 de cellules électrochimiques.
Chaque empilement Cl, C2 comporte des plaques bipolaires et des membranes échangeuses d'ions disposées en alternance. Deux plaques d'extrémité 2, 4 reliées par des tirants appliquent un effort de compression aux cellules bipolaires pour assurer une conduction électrique uniformément répartie sur toute la surface des éléments composant les cellules.
Dans l'exemple représenté, l'une des plaques d'extrémité 2 est commune aux deux empilements tandis que l'autre plaque d'extrémité 4 est distincte pour chaque empilement. En variante, on peut envisager que les deux plaques d'extrémité 2, 4 soient communes pour les deux empilements Cl, C2.
La pile comporte également des circuits d'alimentation des cellules en gaz réactifs, par exemple l'un en hydrogène et l'autre en air ou en oxygène .
La pile comporte également un système de gestion thermique 12 formé par un circuit de circulation d'un fluide caloporteur au sein des empilement afin d'échanger de la chaleur avec les cellules, et un circuit de circulation (non représenté) disposé à l'extérieur de l'empilement.
Sur la figure 1, on peut voir une vue en coupe de la pile selon la présente invention au niveau de la plaque d'extrémité inférieure par laquelle le caloporteur entre dans les cellules. Le caloporteur est un fluide dont la conductivité électrique est faible typiquement de l'eau déionisée auquel on peut ajouter certain (s) additif (s) par exemple du monoéthylène glycol, permettant d'abaisser son point de congélation, ou des nanoparticules inhibitrices de corrosion.
Le système de gestion thermique comporte un circuit de circulation 16, 18 dans chacun des empilements formé d'au moins un canal traversant longitudinalement l'empilement Cl, C2. Chaque canal comporte une extrémité d'entrée 20, 22 reliée à l'alimentation en caloporteur " froid " et une extrémité d'évacuation (non représentée) du caloporteur échauffé à travers l'empilement.
Dans l'exemple représenté, chaque empilement comporte sa propre pompe PI, P2 de mise en circulation du caloporteur au sein du circuit.
Les pompes PI, P2 sont disposées en amont des empilements Cl, C2 dans le sens de circulation du caloporteur .
Les pompes sont généralement de type rotatives centrifuges (ou axiales) . Ces pompes présentes l'avantage d'assurer un débit de fluide continu avec de faibles pressions de refoulement, le circuit caloporteur n'étant en général pas pressurisé. Le système de gestion thermique comporte en entrée de l'empilement une chambre 24 formée dans la première plaque d'extrémité 2 formant une chambre de mise en équipression des deux circuits de circulation 16, 18. La chambre est donc interposée entre les pompes PI, P2 et les empilements Cl, C2.
Chaque circuit de circulation 16, 18 comporte une portion amont 16.1, 18.1 débouchant dans la chambre 24 par des orifices d'entrée 24.1, 24.2 et reliant les pompes à la chambre 24, et des portions aval entre la chambre 24 et les empilements Cl, C2, et connectés à la chambre 24 par des orifices de sortie 24.3, 24.4.
Sur la figure 1, les circulations des caloporteurs dans les empilements Cl, C2 sont symbolisées par les flèches Fl et F2, ces circulations étant initiées par les pompes PI et P2.
La chambre 24 comporte également des moyens permettant d'obturer l'un des orifices d'entrée 24.1, 24.2 de sorte à éviter une circulation de caloporteur de l'une des portions amont 16.1, 18.1 vers l'autre portion amont 18.1, 16.1 via la chambre 24 en cas de non fonctionnement de l'une des pompes.
De manière très avantageuse et comme cela est représenté sur les figures 1 et 2, les moyens d'obturation sont formés par des clapets 28, 30 montés au niveau de chacun des orifices d'entrée 24.1, 24.2.
De préférence, les deux clapets sont similaires. Nous ne décrirons qu'un clapet en détail.
Le clapet 28 comporte un obturateur 28.1 monté sur une tige 28.2 perpendiculaire à l'obturateur et coaxiale à l'orifice d'entrée 24.1 et assurant le guidage axial du clapet dans l'orifice d'entrée 24.1. Le clapet comporte un siège de clapet 28.3 formé par le contour de l'orifice d'entrée 24.1. Les clapets présentent l'avantage d'être de réalisation simple, robuste et de fonctionnement autonome, se fermant et s ' ouvrant automatiquement en l'absence ou en présence de la circulation d'un flux de caloporteur respectivement .
Dans l'exemple représenté, les clapets sont de type gravitaire, i.e. ils viennent au contact de leur siège de clapet sous l'effet de leur poids en l'absence de flux de caloporteur. Dans une réalisation où les clapets ne seraient pas de type gravitaire, par exemple, si la chambre 24 se trouvait en partie haute des empilements ou si l'axe des empilements était à l'horizontal, on prévoit des moyens de rappel par exemple, de type ressort hélicoïdal, montés en compression, rappelant l'obturateur contre son siège en l'absence de flux de caloporteur. Le ressort peut être monté entre l'obturateur et la paroi de la chambre opposée à celle portant les orifices d'entrée ou dans une cage de ressort fixe par rapport à l'obturateur.
En variante, on pourrait prévoir par exemple des moyens commandés par l'extérieur, par exemple des électrovannes. En cas de non fonctionnement de l'une des pompes, 1 ' électrovanne correspondante est commandée en fermeture.
Sur la figure 4, on peut voir une variante de réalisation pratique d'une pile selon la présente invention dans laquelle chaque circuit de circulation comporte au moins deux canaux traversant longitudinalement les empilements. La chambre 24 comporte alors une paire d'orifices de sortie 24.3, 24.4 connectés aux portions amont des circuits de circulation.
Chaque empilement peut comporter plus de deux canaux, la chambre comporte alors autant d'orifices de sortie que de canaux.
Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement du système de gestion thermique selon la présente invention.
Le fonctionnent normal est considéré ici comme celui lors duquel toutes les pompes fonctionnent, i.e. les deux pompes PI et P2 dans l'exemple représenté.
Le fonctionnement dégradé correspond au cas où l'une des deux pompes ne fonctionne pas, soit parce qu'elle est en panne, soit parce qu'elle a été arrêtée volontairement, par exemple pour réduire la consommation électrique.
En fonctionnement normal, les deux pompes PI, P2 fonctionnent. Chaque pompe PI, P2 met en circulation le caloporteur dans la portion amont 16.1, 18.1 vers la portion aval 16.2, 18.2 via la chambre 24. Cette circulation est représentée par les flèches Fl, F2. Les clapets sont en position ouverte, les obturateurs étant maintenus en position décollée par rapport à leur siège de clapet. Le caloporteur circulant dans chacune des portions amont se mélange dans la chambre 24, ce qui assure une mise en équipression du caloporteur. Le caloporteur se distribue ensuite entre les deux portions aval 16.2, 18.2.
En fonctionnement dégradé, par exemple la pompe P2 ne fonctionne pas. Par conséquent, il n'y a pas de circulation de caloporteur dans la portion amont 18.1 du circuit 18. Du fait de l'absence de circulation et de la force de gravité, l'obturateur vient en appui sur le siège de clapet, le clapet est alors fermé.
Simultanément, la pompe PI continue à fonctionner, provoquant une circulation de caloporteur dans la portion amont 16.1 du circuit 16 vers la portion aval 16.2 via la chambre 24, le clapet étant ouvert. Or, la pompe PI alimente la chambre 24 en caloporteur, le caloporteur se distribue alors entre les deux portions aval 16.2, 18.2. En outre le clapet 30 étant fermé, celui-ci empêche le caloporteur provenant de la portion amont 16.1 de s'écouler vers la portion amont 18.1. La pompe PI assure alors à elle seule la circulation du caloporteur dans les deux empilements.
En cas d'arrêt non maîtrisé de l'une des pompes, le maintien d'un flux de refroidissement à travers tous les empilements de la pile permet de retarder le réchauffement de l'un des empilements et donc de détecter la panne avant détérioration du matériel. Des moyens sont avantageusement prévus pour indiquer que l'une des pompes ne fonctionne plus, par exemple des moyens détectant l'absence de flux dans l'unes des portions amont ou des moyens permettant de mesurer le courant électrique consommé par la pompe. A titre de comparaison, nous allons maintenant donner un exemple de dimensionnement d'un système de gestion thermique selon la présente invention comportant deux empilements et deux pompes, et un système de gestion thermique à pompe unique de l'état de la technique.
Le cahier des charges à remplir par la pile à combustible est le suivant :
- une puissance électrique demandée de 30 kW, - une puissance thermique évacuée de 30 kW,
- une capacité calorifique du liquide caloporteur de 3000 J/kg/K, par exemple du monoéthylène Glycol 50%, celui-ci ayant une masse volumique de 1021 kg/m3,
- un écart de température entre l'entrée de la pile à combustible et la sortie de 10°C,
une perte de charge estimée dans l'échangeur de 100 mbar,
une perte de charge estimée dans le reste du circuit d'environ 100 mbar, le reste du circuit étant composé des thermovannes pour gérer la circulation du caloporteur en fonction de sa température, les orifices d'entrée et de sortie et tuyauterie .
Pour un rendement théorique de la pile de
50%, le débit de circulation est Qm = 0.98 litre/seconde soit environ 60 1/min.
La pompe doit donc fournir une pression de refoulement d'au moins 350 mbar à 60 1/min.
Pour satisfaire à ces conditions, selon l'invention on peut utiliser deux pompes centrifuges travaillant à 30 1/min. A ces débits, il est alors possible d'utiliser des pompes centrifuges plastiques compactes. Par exemple, deux pompes Johnson C090® montées en parallèles remplissent les conditions ci-dessus.
Les dimensions de chacune des pompes sont alors : une profondeur de 24 cm, une largeur de 12 cm et une hauteur de 15 cm. La masse d'une telle pompe est de 3kg.
Dans le cas d'un circuit classique comportant une seule pompe, afin de remplir le cahier des charges ci-dessus, on peut utiliser une pompe centrifuge Lutz-Jesco ® de référence BN80-50-200, dont les dimensions sont : une profondeur de 60 cm, une largeur de 26 cm et une hauteur de 36 cm pour une masse de 60 kg.
On constate donc que, grâce à l'invention, l'encombrement des moyens de mise en circulation du caloporteur dans la pile est notablement réduit et la réduction de la masse est très importante, puisqu'elle est divisée par 10.
Concernant les clapets, pour l'exemple de pile donné ci-dessus, le diamètre de passage peut être de 28 mm, soit une section de passage de 0.000632 m2.
Dans le cas d'un débit de circulation de
30 1/min, qui correspondent à 1.8 m3/h, le clapet présente une masse maximale de 40g, Par exemple, dans le cas d'un obturateur en acier inoxydable, celui-ci ayant un diamètre de 28 mm, son épaisseur maximale est de 8.2 mm . La présente invention s'applique de manière également très avantageuse à une pile à combustible comportant un seul empilement C, comme représentée sur la figure 5.
La pile peut fonctionner à plusieurs puissances et donc dégager des quantités de chaleur différente en fonction de sa puissance de fonctionnement. Par exemple l'empilement unique est traversé par des canaux 116, 118 distincts connectés en entrée à la chambre 124, elle-même connectée à plusieurs pompes P101, P102.
Il est alors possible de faire fonctionner par exemple toutes les pompes P101, P102 lorsque la pile fonctionne à puissance maximale et réduire le nombre de pompes en fonctionnement en fonction de la puissance. La consommation électrique peut alors être adaptée en fonction de la quantité de chaleur à évacuer. En outre, on évite de faire fonctionner en permanence une seule pompe dimensionnée pour un fonctionnement à forte puissance, alors qu'un tel débit n'est pas nécessaire.
Par ailleurs, comme précédemment, lorsque l'une des pompes ne fonctionne plus, l'évacuation de la chaleur est assurée et la pile peut continuer à fonctionner même en mode dégradée, alors que dans les piles de l'état de la technique, en cas de panne de la seule pompe, la pile doit être arrêtée sous peine de détériorer l'empilement.
En outre, on peut utiliser des pompes à fonctionnement en tout ou rien qui sont des pompes à construction plus simples. Une pile à combustible comportant un nombre d'empilements et de pompes différents ne sort pas du cadre de la présente invention, ou un nombre de pompes et de canaux traversant l'empilement unique ne sort également pas du cadre de la présente invention.
L'invention n'apporte pas d'encombrement supplémentaire puisqu'elle est entièrement intégrée dans une des plaques d'extrémité, et comporte peut d'éléments supplémentaires par rapport à une pile de l'état de la technique. En effet, seuls des clapets ont été ajoutés et la chambre 24 a été réalisée dans la plaque d'extrémité. Par conséquent, elle est de mise en œuvre simple et peut facilement être adaptée aux structures de piles existantes.
Grâce à l'invention, l'intégration du système de gestion thermique dans la pile est simplifiée puisqu'elle met en œuvre plusieurs pompes de taille et de masse réduites plus facilement intégrables dans le système pile. En outre, la sécurité des différents empilements est assurée en cas de défection de l'une des pompes de circulation. Par ailleurs, l'invention permet la mise hors service d'une ou de plusieurs pompes de refroidissement en cas de fonctionnement de la pile à bas régime, par exemple dans le but d'économiser de l'énergie électrique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pile à combustible comportant au moins deux empilements (Cl, C2) de cellules électrochimiques, un système de gestion thermique (12) formé par un circuit de circulation (16, 18) d'un fluide caloporteur dans les empilements, et un système d'alimentation en gaz réactifs des cellules, chaque empilement de cellules électrochimiques subissant un effort de serrage appliqué par une première plaque d'extrémité (2) commune aux deux empilements et une deuxième plaque d'extrémité (4), la plaque d'extrémité commune (2) étant située en amont des cellules électrochimiques dans le sens de circulation du caloporteur,
ledit système de gestion thermique comportant: dans chaque empilement (Cl, C2) au moins un canal de circulation du caloporteur,
au moins deux pompes (PI, P2) de mise en circulation du caloporteur dans les canaux,
- une chambre (24) formée dans la plaque d'extrémité commune (2), chambre à laquelle sont connectées les au moins deux pompes (PI, P2) et les canaux (16.2, 18.2) traversant les empilements (Cl, C2), ladite chambre étant interposée entre les pompes (PI, P2) et les canaux (16.2, 18.2) traversant les empilements, et
des moyens d'interruption (26) de la communication entre chacune des pompes (PI, P2) et la chambre (24), la communication avec une pompe (pl, P2) étant interrompue en cas d'absence de flux de caloporteur provenant de cette pompe (Pl, P2) .
2. Pile à combustible comportant un empilement (C) de cellules électrochimiques et des première et deuxième plaques d'extrémité (102) appliquant un effort de serrage sur les cellules électrochimiques, un système de gestion thermique formé par un circuit de circulation d'un fluide caloporteur dans l'empilement et un système d'alimentation de l'empilement en gaz réactifs, la première plaque d'extrémité (102) étant disposée en amont des cellules dans le sens de circulation du caloporteur,
ledit système de gestion thermique comportant :
au moins deux canaux (116, 118) traversant l'empilement (C) ,
- au moins deux pompes (P101, P102) de circulation du caloporteur,
une chambre (124) formée dans la première plaque d'extrémité (102) connectée à des entrées des canaux (116, 118) traversant l'empilement et aux pompes (plOl, P102), ladite chambre (124) étant interposée entre les canaux (116, 118) et les pompes
(P101, P102), et
des moyens d'interruption (126) de la communication entre chacune des pompes (P101, P102) et la chambre (P124), la communication avec une pompe étant interrompue en cas d'absence de flux de caloporteur provenant de cette pompe.
3. Pile à combustible selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les moyens d'interruption (26,
126) sont formés pas des clapets (28, 30) pour chacune des pompes, chaque clapet comportant un obturateur (28.1) destiné à reposer sur un siège de clapet (28.3) formé par le contour de l'orifice de connexion entre la chambre (24, 124) et une pompe (PI, P2, P101, P102) en cas d'absence de flux de caloporteur.
4. Pile à combustible selon la revendication 3, dans laquelle le clapet (28, 30) comporte une tige de guidage (28.2) solidaire de l'obturateur (28.1) et perpendiculaire à celui-ci.
5. Pile à combustible selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle chaque clapet (28, 30) comporte des moyens de rappel élastique de l'obturateur en appui contre le siège de clapet.
6. Pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 5, comportant des moyens permettant d'arrêter chacune des pompes indépendamment de l'autre pompe ou des autres pompes.
7. Pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 6, comportant des moyens de commande des pompes, le nombre de pompes de mise en fonctionnement dépendant de la puissance de fonctionnement demandée à la pile.
8. Pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 7, comportant des cellules électrochimiques de type à membranes échangeuses de protons .
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