EP3718162A1 - Pile a combustible comprenant un dispositif de regulation de pression et procede de regulation de pression - Google Patents

Pile a combustible comprenant un dispositif de regulation de pression et procede de regulation de pression

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EP3718162A1
EP3718162A1 EP18822275.6A EP18822275A EP3718162A1 EP 3718162 A1 EP3718162 A1 EP 3718162A1 EP 18822275 A EP18822275 A EP 18822275A EP 3718162 A1 EP3718162 A1 EP 3718162A1
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EP
European Patent Office
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pressure
fuel cell
regulating device
opening
outlet pipe
Prior art date
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Pending
Application number
EP18822275.6A
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German (de)
English (en)
Inventor
Matthieu BARON
Mathieu BAUDY
Théophile HORDE
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Safran Power Units SAS
Original Assignee
Safran Power Units SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of fuel cells for an aeronautical application and, more particularly, the pressure regulation in such a fuel cell.
  • a fuel cell P comprises a central module 1, comprising a plurality of cells, placed between two end plates 2A, 2B which allow, by one, to hold the cells together and, another by ⁇ , to allow the introduction of fuels and the evacuation of the reaction products, consisting mainly of water and traces of fuel.
  • the first plate 2A comprises a first inlet pipe 21 of a first fuel C1, here oxygen O2, and a second inlet pipe 2G of the second fuel C2, here hydrogen H2.
  • the second plate 2B has a first outlet pipe 22 through which its ⁇ evacuated water and traces of oxygen R (C 1) and a second outlet pipe 22 'through which its ⁇ evacuated water and traces of dihydrogen R (C2).
  • the operating temperatures can reach 200 ° C.
  • the operating temperature may drop and fluids circulating in the outlet pipes 22, 22 'can condense in the liquid state. If there are too many condensates, the outlet ducts 22, 22 'sound may be clogged, which can lead to exhaust problems, and consequently a significant increase in pressure in the outlet pipes. 22, 22 'which could damage the fuel cell P.
  • a fuel cell P When a fuel cell P is embarked in an aircraft, it is subjected to different temperatures and pressures. For example, when the altitude of the aircraft is high, for example 1 7000m, the outside temperature is low, for example of the order of -56.5 ° C. Une low, for example of the order of 9000 Pa.
  • Such external pressure influences the performance e ⁇ the performance of the fuel cell P, in particular, the pressure of the fluid in the outlet pipes 22, 22 'of the second terminal plate 2B when these are in direct contact with the external environment.
  • Such operating conditions increase the risk of condensation of reaction products e, therefore, the risk of malfunction.
  • the invention therefore has for bu ⁇ to overcome these disadvantages by proposing a fuel cell for regulating the pressure in its outlet ducts e ⁇ , regardless of the environment in which é ⁇ used fuel cell.
  • the invention relates to a fuel cell, in particular for an aeronautical application, comprising:
  • a central module comprising a plurality of cells for generating electricity from at least a first fuel and a second fuel
  • first end plate connected to a first end of the central module and a second end plate connected to a second end of the central module.
  • At least one of the end plates comprising at least one outlet pipe fluidly connected to the central module e adapted to discharge at least one reaction product.
  • the invention is notable in that it comprises a pressure regulating device fluidly connected to the outlet pipe, said pressure regulating device comprising:
  • At least one opening / closing member of the branch at least one device for measuring the pressure in the outlet pipe and
  • At least one control member of the opening / closing member according to the measured pressure.
  • a regulating device associated with an outlet pipe makes it possible to regulate the pressure in the fuel cell and facilitates the evacuation of condensates from the outlet pipe. All malfunction is eliminated.
  • the regulating device makes it possible to dynamically modify the passage section as a function of the measured pressure. In other words, even if the internal pressure of the fuel cell changes significantly under the effect of external conditions (temperature, pressure), the internal pressure remains regulated, which ensures an optimal e ⁇ secure operation.
  • the pressure regulating device comprises a plurality of branches fluidly connected to the outlet duct, each branch having a determined passage section, each branch being associated with at least one opening / closing member of the branch, control member being configured to control the opening / closing members as a function of the measured pressure.
  • branches make it possible to modify the overall section of passage according to the opening / closing of each branch.
  • the global section is modified in predetermined steps. Such a modification is more robust and can be conveniently implemented over a wide range of pressure and temperature.
  • the determined passage sections of the branches are different from each other.
  • a large number of different global sections can be defined to form a large number of steps.
  • the evolution of the global section is thus progressive.
  • the pressure regulating device comprises at least a first branch having a first determined passage section fluidly connected to the outlet pipe, the first branch being associated with a first opening / closing member e at least a second branch having a second determined passage section fluidly connected to the outlet pipe, the second leg being associated with a second opening / closing member, the control member being configured to control the first opening / closing member e ⁇ the second member opening / closing according to the measured pressure.
  • the second passage section is larger than the first passage section.
  • the pressure regulating device comprises at least a third branch having a third determined passage section fluidly connected to the outlet pipe, the third branch being associated with a third opening / closing member.
  • the third passage section is larger than the second passage section.
  • the control device extending from upstream to downstream from the outlet pipe, the opening / closing member es ⁇ located near a downstream end of said regulating device.
  • the opening / closing member is advantageously ⁇ away from the outlet pipe, which makes it possible to prevent the opening / closing member from being affected by the generally high temperature of the outlet pipe. The reliability of said opening member is improved.
  • the opening / closing member is configured to evolve between only two states: an open state and a closed state.
  • Such an opening / closing member is opposed to a proportional opening / closing member whose performance is not optimal over a wide range of temperature e ⁇ pressure.
  • the pressure regulating device is fluidly connected to an outlet pipe in which dihydrogen reaction products circulate.
  • An outlet pipe in which dihydrogen reaction products circulate generally has a smaller cross-section than an outlet pipe through which oxygen reaction products circulate.
  • the pressure regulating device is incorporated in the end plate. This advantageously allows the end plate to perform several synergistic functions (mechanical strength of the central module, introduction of fuels, evacuation of reaction products and pressure regulation). Such an embodiment makes it possible to limit the size of the fuel cell.
  • the integration of the regulating device into an end plate that is to say, in a warm environment also makes it possible to limit the risk of condensation.
  • the end plate comprising a parallelepiped body
  • the pressure regulating device is integrated at least partially in the volume of said parallelepiped body.
  • advantage is taken of the unused volume of the end plate to integrate the regulating device.
  • the overall size of the end plate is advantageously not affected by the integration of the regulating device.
  • the branch or branches of the regulating device are produced by additive manufacturing.
  • the invention also relates to a method of using a fuel cell as presented above, the method comprising a step of measuring the pressure in the outlet pipe e ⁇ , if the measured pressure is ⁇ greater than a high threshold determined, a step of opening at least one opening / closing member so as to increase the overall passage section of the pressure regulating device. Thanks to the process, any excess pressure is avoided by controlled increase of the passage section of the regulating device.
  • the invention also relates to a method of using a fuel cell as presented above, the method comprising a step of measuring the pressure in the outlet pipe e ⁇ , if the measured pressure is less than a low threshold ⁇ determined, a step of closing at least one opening / closing member so as to reduce the overall passage section of the pressure regulating device. Thanks to the method, any under pressure is avoided by controlled reduction of the passage section of the regulating device.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a fuel cell with its end plates (already presented),
  • FIG. 2 is a schematic representation of a fuel cell according to the invention comprising a device for regulating pressure
  • FIG. 3 is a schematic representation of a pressure regulating device
  • FIG. 4 is a schematic representation in perspective of a terminal plate of a fuel cell incorporating a pressure regulating device
  • FIG. 5 is a side view of the pressure regulating device of FIG. 4,
  • FIG. 6 is a view from above of the pressure regulating device of FIG. 4 and
  • Figure 7 is a schematic representation of an end plate comprising a control device integrated in the body of the plate.
  • a fuel cell P comprising a central module 1 comprising a plurality of cells for generating electricity from fuels.
  • the fuel cell P comprises a first end plate 2A (upper plate 2A), connected to a first end of the central module 1 and a second end plate 2B (bottom plate 2B), connected to a second end of the central module 1.
  • the first plate 2A comprises a first inlet pipe 21 of a first fuel C1, here O2 oxygen, and a second inlet pipe 2G of the second fuel C2, here hydrogen H2.
  • the second plate 2B comprises a first outlet pipe 22 of the first reaction products R (C1), here water and traces of the first fuel C1, and a second outlet pipe 22 'of second reaction products R (C2), here water and traces of the second fuel C2.
  • the fuel cell P comprises a pressure regulating device 3 connected to the second outlet pipe 22 'of the second end plate 2B.
  • the pressure regulating device 3 comprises a plurality of branches 3A, 3B, 3C each having a specific passage section. Each branch 3A, 3B, 3C is associated with an opening / closing member 5A, 5B, 5C of the branch 3A, 3B, 3C.
  • the regulating device 3 further comprises a measuring member 6 of the pressure P22 in the outlet pipe 22 'e ⁇ a control member 7 of the opening / closing member 5A, 5B, 5C as a function of the pressure measured P22 so as to ensure a regulation of the pressure in the outlet pipe 22 '.
  • the regulation device 3 makes it possible to guarantee an optimal internal pressure independent of the external pressure.
  • the pressure regulating device 3 is configured to maintain the pressure in the outlet line 22 'within a certain range.
  • the pressure P22 is maintained between 1 bar (1000 hPa) and 1.5 bar (1500 hPa).
  • the pressure regulating device 3 comprises an inlet connector 31, fluidly connected to the outlet pipe 22, which is connected fluidically to three distinct branches 3A, 3B, 3C.
  • Each branch 3A, 3B, 3C comprises a determined passage section 4A, 4B, 4C e ⁇ es ⁇ associated with an opening / closing member 5A, 5B, 5C configured to allow the circulation of fluid in said branch 3A, 3B, 3C.
  • the regulating device 3 comprises an output connector 32 fluidly connected to the branch 3A, 3B, 3C. The reaction products flow from upstream to downstream from the input connector 31 to the output connector 32.
  • the determined passage sections 4A, 4B, 4C all have a different passage section.
  • the determined passage sections 4A, 4B, 4C respectively have passage sections of 20mm 2 , 30mm 2 e ⁇ 40mm 2 .
  • the pressure P22 at the outlet of the outlet pipe It is thus possible to precisely and reliably regulate the flow of the fluid which is intrinsic, i.e., a flow whose speed is greater than 1 Mach. Such a flow has a constant flow, which facilitates the determination of the phenomena involved in each passage section 4A, 4B, 4C.
  • the determined passage sections 4A, 4B, 4C are in the form of washers which are drilled to a given caliber e ⁇ mounted in the branches 3A, 3B, 3C. Such washers are reliable and have low wear. It goes without saying that the passage sections could be made differently, for example, formed directly with the branches 3A, 3B, 3C.
  • one or more determined passage sections 4A, 4B, 4C can be opened simultaneously to modify the overall passage section.
  • six different overall passage sections can be defined to regulate the pressure.
  • the pressure regulating device 3 comprises three opening / closing members 5A, 5B, 5C configured to allow / block the flow of fluid in the determined passage sections 4A, 4B, 4C.
  • each opening / closing member 5A, 5B, 5C is configured to open or close the branch 3A, 3B, 3C in which it is mounted.
  • each opening / closing member 5A, 5B, 5C is positioned downstream of the calibrated orifice 4A, 4B, 4C with which it is associated as illustrated in FIG. 3. Nevertheless, it goes without saying that each opening / closing member 5A, 5B, 5C may also be positioned upstream.
  • each opening / closing member 5A, 5B, 5C evolves between only two efafs: an open efaf ef a closed efaf.
  • a regulating device 3 has a simpler and more reliable structure than a regulation system available on the market which comprises, for example, a proportional solenoid valve, a dome regulator or a pneumatically assisted valve. Indeed, such systems are not adapted to operate optimally over an extended temperature range as well as over an extended pressure range as required for aeronautical use.
  • the regulating device comprises an electric actuation, the regulating device can not function if the outside temperature is lower and too low, which presents a drawback.
  • An opening / closing with a plurality of opening / closing members 5A, 5B, 5C moving between only two states is thus more reliable and less expensive.
  • the opening / closing members 5A, 5B, 5C can be in various forms, including a valve, a solenoid valve, a valve or a piston-spring system.
  • the regulation device 3 comprises a pressure measuring device 6 in the pipe 22 '.
  • the measuring member 6 is in the form of a sensor comprising a membrane for measuring the pressure P22.
  • the pressure measuring member 6 is adapted to communicate the measured pressure to a control member 7, in particular a calculator, which is connected to the opening / closing members 5A, 5B, 5C.
  • the communication between the pressure measuring member 6, the control member 7 and the opening / closing members 5A, 5B, 5C can be carried out wired or wirelessly.
  • control member 7 is configured to control the opening / closing members 5A, 5B, 5C as a function of the measured pressure P22 so as to ensure a regulation of the pressure in the outlet pipe 22 'by modification of the overall passage section of the regulating device 3.
  • the fuel cell P comprises only a pressure regulating device 3 connected to the outlet line 22 'through which the reaction products linked to the dihydrogen R (C2) circulate. Nevertheless, it goes without saying that each outlet pipe 22, 22 'may be associated with a pressure regulating device 3.
  • the second outlet pipe 22 'through which the reaction products connected to the dihydrogen R (C2) circulates has a smaller cross section than that of the first outlet pipe 22, which facilitates the pressure regulation. If only one regulating device 3 is used, it is preferable to associate it with the second outlet pipe 22 '.
  • the pressure measuring member 6 advantageously has a membrane adapted to be in contact with traces of dihydrogen.
  • the regulator 3 is removably connected to the outlet pipe 22 ', which allows new functions to be offered to an existing P fuel cell.
  • control device 3 is integrated in a terminal plate 2B of the fuel cell P.
  • the terminal plate 2B can advantageously fulfill several functions.
  • the end plate 2B comprises a body 20 in which es ⁇ formed an outlet pipe 22 'of the second fuel C2.
  • the body 20 of the end plate 2B has an inner face Fl intended to come into contact with the central module 1 e ⁇ an outer face FE opposite the inner face Fl.
  • the end plate 2B comprises, at its Inner face F1, fixing elements 23, here tapped, to allow the connection of the end plate 2B to a central module 1, in particular, to one of the cells of the central module 1 (and Figure 2).
  • the pressure regulating device 3 is integral with the body 20 of the end plate 2B.
  • the branches 3A, 3B, 3C are fluidly connected to the outlet pipe 22 'e ⁇ extend parallel to the plane of the inner face Fl of the end plate 2B to reduce the overall size.
  • the branches 3A, 3B, 3C are parallel and adjacent.
  • Each branch 3A, 3B, 3C has a length preferably between 1 cm and 20 cm.
  • Each branch 3A, 3B, 3C comprises an upstream end connected to the outlet pipe 22 'and a free downstream end intended to be connected to an outlet connector 32 (FIG. 3).
  • the regulating device 3 protrudes from the body 20 of the end plate 2B.
  • Each opening / closing member 5A, 5B, 5C is positioned near the downstream end of the branch 3A, 3B, 3C so as to limit the thermal influence of the body 20 of the end plate 2B on the body opening / closing 5A, 5B, 5C. This is particularly advantageous when the opening / closing member 5A, 5B, 5C comprises a wound element, for example a solenoid valve, whose operation is influenced by temperature.
  • a terminal plate 2B having a built-in pressure regulating device 3 is particularly advantageous because it can be used instead of a conventional end plate of a fuel cell P with a small impact on the overall dimensions.
  • the pressure regulating device 3 is incorporated in the volume of said parallelepipedal body 20.
  • the volume of the terminal plate 2B is taken advantage of to integrate the regulating device 3. as shown in FIG. 7, only the output connector 32 of the regulating device 3A, 3B, 3C protrudes to allow a connection.
  • the calibrated passage sections 4A, 4B, 4C are produced by additive manufacturing, preferably during the manufacture of the end plate 2B.
  • an improved terminal plate 2B having the same size as the prior art.
  • the pressure regulator 3 can define six different overall passage sections to regulate the pressure.
  • the pressure in the outlet pipe 22 'must be maintained between 1 bar (1000 hPa) and 1.5 bar (1500 hPa) in order to guarantee the mechanical integrity of the fuel cell P.
  • the overall passage section is equal to the second determined passage section 4B.
  • the opening / closing members 5A, 5C are closed e ⁇ only the opening / closing member 5B es ⁇ open.
  • the control member 7 controls the closure of the opening / closing members 5A, 5B e ⁇ controls the opening of the third opening / closing member 5C so that the overall passage section is equal to the third passage section 5C.
  • the pressure regulating device 3 increases its overall passage section in order to lower the pressure P22 in the outlet pipe 22 '.
  • the control member 7 controls the closure of the opening / closing members 5B, 5C e ⁇ controls the opening the first opening / closing member 5A so that the overall passage section is equal to the first passage section 5A.
  • the pressure regulating device 3 decreases its overall passage section in order to lower the pressure P22 in the outlet pipe 22 '.
  • the fuel cell P has optimum performance regardless of the external pressure.
  • the internal pressure is regulated. This is particularly advantageous for an aeronautical application during which the external pressure may vary significantly depending on the flight altitude of the aircraft.

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Abstract

Une pile à combustible, en particulier pour une application aéronautique, comprenant un module central comprenant une pluralité de cellules de génération d'électricité, une première plaque terminale et une deuxième plaque terminale, au moins une des plaques terminales comprenant au moins une canalisation de sortie (22, 22'). La pile à combustible comprend un dispositif de régulation de pression (3) relié fluidiquement à la canalisation de sortie (22'), ledit dispositif de régulation de pression (3) comprenant au moins une branche (3A, 3B, 3C) reliée fluidiquement à la canalisation de sortie (22'), au moins un organe d'ouverture/fermeture (5A, 5B, 5C) de la branche (3A, 3B, 3C), au moins un organe de mesure (6) de la pression (P22) dans la canalisation de sortie (22') et au moins un organe de commande (7) de l'organe d'ouverture/fermeture (5A, 5B, 5C) en fonction de la pression mesurée (P22).

Description

PILE A COMBUSTIBLE COMPRENANT UN DISPOSITIF DE REGULATION DE PRESSION ET
PROCEDE DE REGULATION DE PRESSION
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET ART ANTERIEUR
La présente invention concerne le domaine des piles à combustibles pour une application aéronautique et, plus particulièrement, la régulation de pression dans une telle pile à combustible.
De manière connue, une pile à combustible permet de produire de l’énergie électrique à partir d’hydrogène et d’air (combustibles). En référence à la figure 1 , une pile à combustible P comporte un module central 1 , comportant une pluralité de cellules, placé entre deux plaques terminales 2A, 2B qui permettent, d’une par†, de maintenir les cellules ensemble et, d’autre par†, de permettre une introduction des combustibles et une évacuation des produit de réaction, constitués principalement d’eau et de traces de combustible. Dans cet exemple, la première plaque 2A comporte une première canalisation d’entrée 21 d’un premier combustible Cl , ici du dioxygène O2, et une deuxième canalisation d’entrée 2G du deuxième combustible C2, ici du dihydrogène H2. La deuxième plaque 2B comporte une première canalisation de sortie 22 par laquelle son† évacués de l’eau et des traces de dioxygène R (C 1 ) et une deuxième canalisation de sortie 22’ par laquelle son† évacués de l’eau et des traces de dihydrogène R(C2).
A fifre d’exemple, dans le cas d’une pile à combustible de type Proton Exchange Membrane Fuel Cell Haute Température (HT-PEMFC), les températures de fonctionnement peuvent atteindre 200°C. A de telles températures, les produits de réaction circulant dans les canalisations de sortie 22, 22’ son† à l’état gazeux et peuvent être évacués de manière optimale. Dans des conditions rares de fonctionnement, la température de fonctionnement peut baisser et les fluides circulant dans les canalisations de sortie 22, 22’ peuvent se condenser à l’état liquide. Si les condensats son† trop nombreux, les canalisations de sortie 22, 22’ son† susceptibles d’être obstruées, ce qui peut entraîner des problèmes d’échappement, et par voie de conséquence, une montée importante en pression dans les canalisations de sortie 22, 22’ qui pourraient endommager la pile à combustible P. Pour une application aéronautique, lorsqu’une pile à combustible P est embarquée dans un aéronef, celle-ci es† soumise à des températures e† des pressions différentes. A titre d’exemple, lorsque l’altitude de l’aéronef es† élevée, par exemple 1 7000m, la température extérieure es† faible, par exemple de l’ordre de -56,5°C, e† la pression extérieure es† faible, par exemple de l’ordre de 9000 Pa. Une telle pression extérieure influence le fonctionnement e† les performances de la pile à combustible P, en particulier, la pression du fluide dans les canalisations de sortie 22, 22’ de la deuxième plaque terminale 2B lorsque celles-ci sont directement en contact avec l’environnement extérieur. De telles conditions de fonctionnement augmentent le risque de condensation des produits de réaction e†, par conséquent, le risque de dysfonctionnement.
L’invention a donc pour bu† de remédier à ces inconvénients en proposant une pile à combustible permettant de réguler la pression dans ses canalisations de sortie e†, ce, indépendamment de l’environnement dans laquelle es† utilisée la pile à combustible.
PRESENTATION GENERALE DE L’INVENTION
A ce† effet, l’invention concerne une pile à combustible, en particulier pour une application aéronautique, comprenant :
- un module central comprenant une pluralité de cellules de génération d’électricité à partir d’au moins un premier combustible e† d’un deuxième combustible,
- une première plaque terminale, reliée à une première extrémité du module central e† une deuxième plaque terminale, reliée à une deuxième extrémité du module central e†
- au moins une des plaques terminales comprenant au moins une canalisation de sortie reliée fluidiquement au module central e† adaptée pour évacuer au moins un produit de réaction.
L’invention es† remarquable en ce qu’elle comprend un dispositif de régulation de pression relié fluidiquement à la canalisation de sortie, ledit dispositif de régulation de pression comprenant :
- au moins une branche de section de passage déterminée, la branche étant reliée fluidiquement à la canalisation de sortie,
- au moins un organe d’ouverture/fermeture de la branche, - au moins un organe de mesure de la pression dans la canalisation de sortie et
- au moins un organe de commande de l’organe d’ouverture/fermeture en fonction de la pression mesurée.
L’ufilisafion d’un dispositif de régulation associé à une canalisation de sortie permet de réguler la pression dans la pile à combustible et facilite l’évacuation de condensais de la canalisation de sortie. Tou† dysfonctionnement es† ainsi écarté. De manière avantageuse, le dispositif de régulation permet de modifier dynamiquement la section de passage en fonction de la pression mesurée. Autrement dit, même si la pression interne de la pile à combustible évolue de manière importante sous l’effet des conditions extérieures (température, pression), la pression interne demeure régulée, ce qui assure un fonctionnement optimal e† sécurisé.
De préférence, le dispositif de régulation de pression comporte une pluralité de branches reliées fluidiquement à la canalisation de sortie, chaque branche ayant une section de passage déterminée, chaque branche étant associée à au moins un organe d’ouverture/fermeture de la branche, l’organe de commande étant configuré pour commander les organes d’ouverture/fermeture en fonction de la pression mesurée.
L’utilisation de plusieurs branches permet de modifier la section globale de passage en fonction de l’ouverture/fermeture de chaque branche. Autrement dit, la section globale es† modifiée par paliers prédéterminés. Une telle modification es† plus robuste e† peu† être mise en œuvre de manière pratique e† simple sur une large plage de pression e† de température.
De manière préférée, les sections de passage déterminées des branches sont différentes les unes des autres. Ainsi, on peu† définir un grand nombre de sections globales différentes pour former un grand nombre de paliers. L’évolution de la section globale es† ainsi progressive.
Selon un aspect préféré, le dispositif de régulation de pression comprend au moins une première branche ayant une première section de passage déterminée reliée fluidiquement à la canalisation de sortie, la première branche étant associée à un premier organe d’ouverture/fermeture e† au moins une deuxième branche ayant une deuxième section de passage déterminée reliée fluidiquement à la canalisation de sortie, la deuxième branche étant associée à un deuxième organe d’ouverture/fermeture, l’organe de commande étant configuré pour commander le premier organe d’ouverture/fermefure e† le deuxième organe d’ouverture/fermefure en fonction de la pression mesurée. De préférence, la deuxième section de passage es† plus grande que la première section de passage.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de régulation de pression comprend au moins une troisième branche ayant une troisième section de passage déterminée reliée fluidiquement à la canalisation de sortie, la troisième branche étant associée à un troisième organe d’ouverture/fermeture. De préférence, la troisième section de passage es† plus grande que la deuxième section de passage.
De manière préférée, le dispositif de régulation s’étendant d’amont en aval depuis la canalisation de sortie, l’organe d’ouverture/fermeture es† situé à proximité d’une extrémité aval dudit dispositif de régulation. L’organe d’ouverture/fermeture es† avantageusement éloigné de la canalisation de sortie, ce qui permet d’éviter que l’organe d’ouverture/fermeture soi† affecté par la température, généralement élevée, de la canalisation de sortie. La fiabilité dudit organe d’ouverture es† améliorée.
De préférence, l’organe d’ouverture/fermeture es† configuré pour évoluer entre uniquement deux états : un état ouvert e† un état fermé. Un tel organe d’ouverture/fermeture s’oppose à un organe d’ouverture/fermeture proportionnel dont les performances ne sont pas optimales sur une plage étendue de température e† de pression.
De préférence, le dispositif de régulation de pression es† relié fluidiquement à une canalisation de sortie dans laquelle circulent des produits de réaction de dihydrogène. Une canalisation de sortie dans laquelle circulent des produits de réaction de dihydrogène possède de manière générale une section plus faible qu’une canalisation de sortie dans laquelle circulent des produits de réaction de dioxygène. Aussi, il es† plus simple e† pratique de réguler la pression via la canalisation de sortie associée au dihydrogène. Selon un aspect préféré, le dispositif de régulation de pression es† intégré à la plaque terminale. Cela permet avantageusement à la plaque terminale de remplir plusieurs fonctions synergiques (tenue mécanique du module central, introduction de combustibles, évacuation des produits de réaction e† régulation de la pression). Une telle forme de réalisation permet de limiter l’encombrement de la pile à combustible. L’intégration du dispositif de régulation dans une plaque terminale, c’est-à-dire, dans un environnement chaud permet par ailleurs de limiter le risque de condensation.
De préférence, la plaque terminale comprenant un corps parallélépipédique, le dispositif de régulation de pression es† intégré, au moins partiellement, dans le volume dudit corps parallélépipédique. Ainsi, on tire avantage du volume non-utilisé de la plaque terminale pour intégrer le dispositif de régulation. Selon cette forme de réalisation, l’encombrement global de la plaque terminale n’es† avantageusement pas impacté par l’intégration du dispositif de régulation. De manière préférée, la ou les branches du dispositif de régulation sont réalisées par fabrication additive.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’une pile à combustible telle que présentée précédemment, le procédé comprenant une étape de mesure de la pression dans la canalisation de sortie e†, si la pression mesurée es† supérieure à un seuil haut déterminé, une étape d’ouverture d’au moins un organe d’ouverture/fermeture de manière à augmenter la section globale de passage du dispositif de régulation de pression. Grâce au procédé, toute surpression es† évitée par augmentation contrôlée de la section de passage du dispositif de régulation.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’une pile à combustible telle que présentée précédemment, le procédé comprenant une étape de mesure de la pression dans la canalisation de sortie e†, si la pression mesurée es† inférieure à un seuil bas déterminé, une étape de fermeture d’au moins un organe d’ouverture/fermeture de manière à diminuer la section globale de passage du dispositif de régulation de pression. Grâce au procédé, toute sous pression es† évitée par réduction contrôlée de la section de passage du dispositif de régulation.
PRESENTATION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique d’une pile à combustible avec ses plaques terminales (déjà présentée),
la figure 2 est une représentation schématique d’une pile à combustible selon l’invention comprenant un dispositif de régulation de pression,
la figure 3 est une représentation schématique d’un dispositif de régulation de pression,
la figure 4 est une représentation schématique en perspective d’une plaque terminale d’une pile à combustible intégrant un dispositif de régulation de pression,
la figure 5 est une vue de côté du dispositif de régulation de pression de la figure 4,
la figure 6 est une vue de dessus du dispositif de régulation de pression de la figure 4 et
la figure 7 est une représentation schématique d’une plaque terminale comprenant un dispositif de régulation intégré au corps de la plaque.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en oeuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
DESCRIPTION D’UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION ET DE MISE EN OEUVRE
En référence à la figure 2, il est représenté de manière schématique une pile à combustible P comprenant un module central 1 comprenant une pluralité de cellules de génération d’électricité à partir de combustibles. De manière connue, la pile à combustible P comporte une première plaque terminale 2A (plaque supérieure 2A), reliée à une première extrémité du module central 1 et une deuxième plaque terminale 2B (plaque inférieure 2B), reliée à une deuxième extrémité du module central 1 .
En référence à la figure 2, la première plaque 2A comporte une première canalisation d’entrée 21 d’un premier combustible Cl , ici du dioxygène O2, et une deuxième canalisation d’entrée 2G du deuxième combustible C2, ici du dihydrogène H2. De manière analogue, la deuxième plaque 2B comporte une première canalisation de sortie 22 de premiers produits de réaction R(C1 ), ici de l’eau et des traces du premier combustible Cl , et une deuxième canalisation de sortie 22’ de deuxièmes produits de réaction R(C2), ici de l’eau et des traces du deuxième combustible C2.
Une telle pile à combustible est connue de l’homme du métier et ne sera pas présentée plus en détails. Il va de soi que le nombre de canalisations d’entrée et de sortie pourrait être différent pour chaque plaque terminale 2A, 2B.
Selon l’invention, toujours en référence à la figure 2, la pile à combustible P comporte un dispositif de régulation de pression 3 relié à la deuxième canalisation de sortie 22’ de la deuxième plaque terminale 2B.
Dans ce† exemple, en référence à la figure 3, le dispositif de régulation de pression 3 comporte une pluralité de branches 3A, 3B, 3C ayant chacune une section de passage déterminée. Chaque branche 3A, 3B, 3C es† associée à un organe d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C de la branche 3A, 3B, 3C. Le dispositif de régulation 3 comporte en outre un organe de mesure 6 de la pression P22 dans la canalisation de sortie 22’ e† un organe de commande 7 de l’organe d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C en fonction de la pression mesurée P22 de manière à assurer une régulation de la pression dans la canalisation de sortie 22’. Autrement dit, le dispositif de régulation 3 permet de garantir une pression interne optimale indépendante de la pression extérieure. Dans ce† exemple, le dispositif de régulation de pression 3 es† configuré pour maintenir la pression dans la canalisation de sortie 22’ dans une plage déterminée. Dans ce† exemple, afin de garantir l’intégrité mécanique de la pile à combustible P, la pression P22 es† maintenue entre 1 bar ( 1000 hPa) e† 1 ,5 bar ( 1500 hPa) .
En référence à la figure 3, le dispositif de régulation de pression 3 comprend un connecteur d’entrée 31 , relié fluidiquement à la canalisation de sortie 22, qui es† relié fluidiquement à trois branches distinctes 3A, 3B, 3C. Chaque branche 3A, 3B, 3C comporte une section de passage déterminée 4A, 4B, 4C e† es† associé à un organe d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C configuré pour autoriser la circulation de fluide dans ladite branche 3A, 3B, 3C. Le dispositif de régulation 3 comprend un connecteur de sortie 32 relié fluidiquement aux branche 3A, 3B, 3C. Les produits de réaction circulent d’amont en aval depuis le connecteur d’entrée 31 vers le connecteur de sortie 32.
Selon l’invention, Dans ce† exemple, les sections de passage déterminées 4A, 4B, 4C possèdent tous une section de passage différente. A titre d’exemple, les sections de passage déterminées 4A, 4B, 4C ont respectivement des sections de passage de 20mm2, de 30mm2 e† 40mm2. Plus la section de passage 4A, 4B, 4C es† faible, plus la perte de charge induite es† importante. Ainsi, en ouvrant/fermant de manière sélective un ou plusieurs sections de passage déterminées 4A, 4B, 4C, on contrôle de manière précise les pertes de charges globales du dispositif de régulation de pression 3. La pression P22 en sortie de la canalisation de sortie 22’ peu† ainsi être régulée de manière précise e† fiable afin d’obtenir un écoulement du fluide qui soi† sonique, c’est-à-dire, un écoulement dont la vitesse es† supérieure à 1 Mach. Un tel écoulement possède un débit constant, ce qui facilite la détermination des phénomènes intervenant dans chaque section de passage 4A, 4B, 4C.
Dans ce† exemple de réalisation, les sections de passage déterminées 4A, 4B, 4C se présentent sous la forme de rondelles qui sont percées à un calibre donné e† montées dans les branches 3A, 3B, 3C. De telles rondelles sont fiables e† présentent une usure faible. Il va de soi que les sections de passage pourraient être réalisées de manière différente, par exemple, formées directement avec les branches 3A, 3B, 3C.
Comme indiqué précédemment, une ou plusieurs sections de passage déterminées 4A, 4B, 4C peuvent être ouvertes simultanément afin de modifier la section de passage global. A titre d’exemple, dans le cas présent avec trois sections de passage différentes 4A, 4B, 4C, on peu† définir six sections globales de passage différentes pour réguler la pression.
Dans ce† exemple, le dispositif de régulation de pression 3 comportent trois organes d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C configurés pour autoriser/bloquer la circulation de fluide dans les sections de passage déterminées 4A, 4B, 4C. En particulier, chaque organe d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C es† configuré pour ouvrir ou fermer la branche 3A, 3B, 3C dans laquelle il es† monté. De préférence, chaque organe d’ouverfure/fermefure 5A, 5B, 5C es† positionné en aval de l‘orifice calibré 4A, 4B, 4C avec lequel il es† associé comme illustré à la figure 3. Néanmoins, il va de soi que chaque organe d’ouverfure/fermefure 5A, 5B, 5C pourrai† également être positionné en amont.
De manière préférée, chaque organe d’ouverfure/fermefure 5A, 5B, 5C évolue entre uniquement deux éfafs : un éfaf ouvert ef un éfaf fermé. Un tel dispositif de régulation 3 possède une structure plus simple ef plus fiable qu’un système de régulation disponible dans le marché qui comporte, par exemple, une électrovanne proportionnelle, un régulateur à dôme ou encore une vanne à assistance pneumatique. En effet, de tels systèmes ne sont pas adaptés pour fonctionner de manière optimale sur une plage de température étendue ainsi que sur une plage de pression étendue comme requis pour une utilisation aéronautique. Lorsque le dispositif de régulation comporte un actionnement électrique, le dispositif de régulation ne peut pas fonctionner si la température extérieure est inférieure et trop faible, ce qui présente un inconvénient. Une ouverture/fermeture avec une pluralité d’organes d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C évoluant entre uniquement deux états est ainsi plus fiable et moins onéreuse.
Les organes d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C peuvent se présenter sous diverses formes, notamment, une vanne, une électrovanne, un clapet ou un système piston-ressort.
En référence à la figure 3, le dispositif de régulation 3 comporte un organe de mesure de pression 6 dans la canalisation 22’. Dans cet exemple, l’organe de mesure 6 se présente sous la forme d’un capteur comportant une membrane pour mesurer la pression P22. De préférence, l’organe de mesure de pression 6 est adapté pour communiquer la pression mesurée à un organe de commande 7, en particulier un calculateur, qui est relié aux organes d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C. La communication entre l’organe de mesure de pression 6, l’organe de commande 7 et les organes d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C peut être réalisée de manière filaire ou sans fil. De manière avantageuse, l’organe de commande 7 est configuré pour commander les organes d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C en fonction de la pression mesurée P22 de manière à assurer une régulation de la pression dans la canalisation de sortie 22’ par modification de la section globale de passage du dispositif de régulation 3. Dans ce† exemple de mise en œuvre, la pile à combustible P comporte uniquement un dispositif de régulation de pression 3 relié à la canalisation de sortie 22’ par laquelle circulent le produits de réaction liés au dihydrogène R(C2). Néanmoins, il va de soi que chaque canalisation de sortie 22, 22’ pourrai† être associée à un dispositif de régulation de pression 3.
De manière préférée, la deuxième canalisation de sortie 22’ par laquelle circulent le produits de réaction liés au dihydrogène R(C2) possède une section de passage plus faible que celle de la première canalisation de sortie 22, ce qui facilite la régulation de pression. Si un seul dispositif de régulation 3 es† utilisé, il es† préférable de l’associer à la deuxième canalisation de sortie 22’.
A ce† effet, l’organe de mesure de pression 6 possède de manière avantageuse une membrane adaptée pour être en contact avec des traces de dihydrogène.
Dans ce† exemple, le dispositif de régulation 3 es† connecté de manière amovible à la canalisation de sortie 22’, ce qui permet d’offrir de nouvelles fonctions à une pile à combustible P existante.
Selon une forme de réalisation préférée de l’invention, le dispositif de régulation 3 es† intégré à une plaque terminale 2B de la pile à combustible P. Ainsi, la plaque terminale 2B peu† avantageusement remplir plusieurs fonctions.
En référence aux figures 4 à 6, la plaque terminale 2B comporte un corps 20 dans lequel es† formée une canalisation de sortie 22’ du deuxième combustible C2. Le corps 20 de la plaque terminale 2B comporte une face intérieure Fl destinée à venir en contact avec le module central 1 e† une face extérieure FE opposée à la face intérieure Fl. De manière connue, la plaque terminale 2B comporte, au niveau de sa face intérieure Fl, des éléments de fixation 23, ici des taraudages, afin de permettre la liaison de la plaque terminale 2B à un module central 1 , notamment, à une des cellules du module central 1 (et. Figure 2).
Le dispositif de régulation de pression 3 es† solidarisé au corps 20 de la plaque terminale 2B. Les branches 3A, 3B, 3C sont reliées fluidiquement à la canalisation de sortie 22’ e† s’étendent parallèlement au plan de la face intérieure Fl de la plaque terminale 2B afin de diminuer l’encombrement global. Les branches 3A, 3B, 3C sont parallèles et adjacentes. Chaque branche 3A, 3B, 3C possède une longueur comprise de préférence entre 1 cm et 20 cm. Chaque branche 3A, 3B, 3C comprend une extrémité amont reliée à la canalisation de sortie 22’ et une extrémité aval libre destinée à être reliée à un connecteur de sortie 32 (Figure 3). Autrement dit, le dispositif de régulation 3 s’étend en saillie du corps 20 de la plaque terminale 2B.
Chaque organe d’ouverture/fermefure 5A, 5B, 5C es† positionné à proximité de l’extrémité aval de la branche 3A, 3B, 3C de manière à limiter l’influence thermique du corps 20 de la plaque terminale 2B sur l’organe d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C. Cela es† particulièrement avantageux lorsque l’organe d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C comporte un élément bobiné, par exemple une électrovanne, dont le fonctionnement es† influencé par la température.
Une plaque terminale 2B comportant un dispositif de régulation de pression 3 intégré es† particulièrement avantageuse car elle peu† être utilisée en lieu e† place d’une plaque terminale traditionnelle d’une pile à combustible P en impactant faiblement l’encombrement.
De manière préférée, en référence à la figure 7, le dispositif de régulation de pression 3 es† intégré dans le volume dudit corps parallélépipédique 20. Ainsi, on tire avantage du volume de la plaque terminale 2B pour intégrer le dispositif de régulation 3. Ainsi, comme illustré à la figure 7, seul le connecteur de sortie 32 du dispositif de régulation 3A, 3B, 3C s’étend en saillie pour permettre une connexion. Les sections de passage calibrées 4A, 4B, 4C sont réalisées par fabrication additive, de préférence, lors de la fabrication de la plaque terminale 2B. Ainsi, on obtient une plaque terminale 2B améliorée ayant le même encombrement que l’art antérieur.
Un exemple de mise en œuvre d’une pile à combustible P équipée d’un dispositif de régulation de pression 3 va être dorénavant présenté. Comme indiqué précédemment, en fonction de l’ouverture de chaque section de passage déterminée 4A, 4B, 4C, le dispositif de régulation de pression 3 peu† définir six sections globales de passage différentes pour réguler la pression. Dans ce† exemple, la pression dans la canalisation de sortie 22’ doit être maintenue entre 1 bar (1000 hPa) e† 1 ,5 bar (1500 hPa) afin de garantir l’intégrité mécanique de la pile à combustible P. Un organe de mesure de pression 6 es† monté dans la canalisation de sortie 22’ e† relié à un organe de commande 7, ici un calculateur, qui es† relié aux organes d’ouverture/fermeture 5A, 5B, 5C.
Tou† d’abord, à titre d’exemple, la section globale de passage es† égale à la deuxième section de passage déterminée 4B. Autrement dit, les organes d’ouverture/fermeture 5A, 5C sont fermés e† seul l’organe d’ouverture/fermefure 5B es† ouvert.
A titre d’exemple, si la pression P22 dans la canalisation de sortie 22’ atteint 1 ,5 bar (1500 hPa) (pression croissante), l’organe de commande 7 commande la fermeture des organes d’ouverture/fermefure 5A, 5B e† commande l’ouverture du troisième organe d’ouverture/fermefure 5C afin que la section globale de passage soi† égale à la troisième section de passage 5C. Autrement dit, le dispositif de régulation de pression 3 augmente sa section globale de passage afin d’abaisser la pression P22 dans la canalisation de sortie 22’.
Au contraire, si la pression P22 dans la canalisation de sortie 22’ atteint 1 bar (1000 hPa) (pression décroissante), l’organe de commande 7 commande la fermeture des organes d’ouverture/fermeture 5B, 5C e† commande l’ouverture du premier organe d’ouverture/fermeture 5A afin que la section globale de passage soi† égale à la première section de passage 5A. Autrement dit, le dispositif de régulation de pression 3 diminue sa section globale de passage afin d’abaisser la pression P22 dans la canalisation de sortie 22’.
Grâce à l’invention, la pile à combustible P présente des performances optimales indépendamment de la pression extérieure. Ainsi, même si la pression extérieure diminue fortement, la pression interne es† régulée. Cela es† particulièrement avantageux pour une application aéronautique au cours de laquelle la pression extérieure peu† varier de manière importante en fonction de l’altitude de vol de l’aéronef.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pile à combustible (P), en particulier pour une application aéronautique, comprenant :
- un module central (1 ) comprenant une pluralité de cellules de génération d’électricité à partir d’au moins un premier combustible (Cl ) et d’un deuxième combustible (C2),
- une première plaque terminale (2A), reliée à une première extrémité du module central (1 ) et une deuxième plaque terminale (2B), reliée à une deuxième extrémité du module central (1 ),
- au moins une des plaques terminales (2B) comprenant au moins une canalisation de sortie (22, 22’) reliée fluidiquement au module central (1 ) et adaptée pour évacuer au moins un produit de réaction,
- pile à combustible caractérisée par le fait qu’elle comprend un dispositif de régulation de pression (3) relié fluidiquement à la canalisation de sortie (22’), ledit dispositif de régulation de pression (3) comprenant
i. au moins une branche (3A, 3B, 3C) de section de passage déterminée (4A, 4B, 4C), la branche (3A, 3B, 3C) étant reliée fluidiquement à la canalisation de sortie (22’),
ii. au moins un organe d’ouverture/fermefure (5A, 5B, 5C) de la branche (3A, 3B, 3C),
iii. au moins un organe de mesure (6) de la pression (P22) dans la canalisation de sortie (22’) e†
iv. au moins un organe de commande (7) de l’organe d’ouverture/fermefure (5A, 5B, 5C) en fonction de la pression mesurée (P22) .
2. Pile à combustible selon la revendication 1 dans laquelle le dispositif de régulation de pression (3) comporte une pluralité de branches (3A, 3B, 3C) reliées fluidiquement à la canalisation de sortie (22’), chaque branche (3A, 3B, 3C) ayant une section de passage déterminée (4A, 4B, 4C), chaque branche (3A, 3B, 3C) étant associée à au moins un organe d’ouverture/fermefure (5A, 5B, 5C) de la branche (3A, 3B, 3C), l’organe de commande (7) étant configuré pour commander les organes d’ouverture/fermefure (5A, 5B, 5C) en fonction de la pression mesurée (P22).
3. Pile à combustible selon l’une des revendications 1 à 2 dans laquelle, les sections de passage déterminées (4A, 4B, 4C) des branches (3A, 3B, 3C) sont différentes les unes des autres.
4. Pile à combustible selon l’une des revendications 1 à 3 dans laquelle, le dispositif de régulation (3) s’étendant d’amont en aval depuis la canalisation de sortie (22’), l’organe d’ouverture/fermefure (3A) es† situé à proximité d’une extrémité aval dudit dispositif de régulation (3).
5. Pile à combustible selon l’une des revendications 1 à 4 dans laquelle, l’organe d’ouverture/fermeture (5A) es† configuré pour évoluer entre uniquement deux états : un état ouvert e† un état fermé.
6. Pile à combustible selon l’une des revendications 1 à 5 dans laquelle le dispositif de régulation de pression (3) es† relié fluidiquement à une canalisation de sortie (22’) dans laquelle circulent des produits de réaction de dihydrogène.
7. Pile à combustible selon l’une des revendications 1 à 6 dans laquelle le dispositif de régulation de pression (3) es† intégré à la plaque terminale (2B).
8. Pile à combustible selon la revendication 7 dans laquelle, la plaque terminale (2B) comprenant un corps parallélépipédique (20), le dispositif de régulation de pression (3) es† intégré, au moins partiellement, dans le volume dudit corps parallélépipédique (20)
9. Procédé d’utilisation d’une pile à combustible (P) selon l’une des revendications 1 à 8, le procédé comprend :
- une étape de mesure de la pression (P22) dans la canalisation de sortie (22’) e†
- si la pression mesurée (P22) es† supérieure à un seuil haut déterminé, une étape d’ouverture d’au moins un organe d’ouverture/fermeture (5A, 5B, 5C) de manière à augmenter la section globale de passage du dispositif de régulation de pression (3).
10. Procédé d’utilisation d’une pile à combustible (P) selon l’une des revendications 1 à 8, le procédé comprend :
- une étape de mesure de la pression (P22) dans la canalisation de sortie (22’) et
- si la pression mesurée (P22) est inférieure à un seuil bas déterminé, une étape de fermeture d’au moins un organe d’ouverture/fermefure (5A, 5B, 5C) de manière à diminuer la section globale de passage du dispositif de régulation de pression (3).
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