EP4298684A1 - Device for supplying a plurality of cathodes of a fuel cell system - Google Patents

Device for supplying a plurality of cathodes of a fuel cell system

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EP4298684A1
EP4298684A1 EP22707164.4A EP22707164A EP4298684A1 EP 4298684 A1 EP4298684 A1 EP 4298684A1 EP 22707164 A EP22707164 A EP 22707164A EP 4298684 A1 EP4298684 A1 EP 4298684A1
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EP
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compressor
pressurized air
cathodes
fuel cell
cathode
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Application number
EP22707164.4A
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German (de)
French (fr)
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Karine PRINCE
David Lavergne
Cyril VAUCORET
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Liebherr Aerospace Toulouse SAS
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Liebherr Aerospace Toulouse SAS
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Abstract

The invention relates to a device for supplying pressurized air to a plurality of cathodes (100a-100d) of a fuel cell system, characterized in that it comprises a motorized compressor (12) configured to provide a source of pressurized air to all the cathodes (100a-100d), a set of ducts configured to duct the pressurized air towards each cathode (100a-100d), for each cathode (100a-100d), a proportional valve (20a-20d) upstream or downstream of said cathode (100a-100d) and configured to regulate the flow rate of pressurized air passing through said cathode (100a-100d), anti-surge protection means (30, 32) configured to allow the circulation of a minimal flow rate of pressurized air leaving the compressor (12), and a control device (24) configured to control the speed of the compressor (12) and the opening or closing of each proportional valve (20a-20d) and/or the operation of the anti-surge protection means (30, 32).

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE DE L’INVENTION : DISPOSITIF D’ALIMENTATION D’UNE PLURALITÉ DE CATHODES D’UN SYSTÈME DE PILE ÀTITLE OF THE INVENTION: DEVICE FOR SUPPLYING A PLURALITY OF CATHODES OF A BATTERY SYSTEM
COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE
Domaine technique de l’invention Technical field of the invention
L’invention concerne un dispositif d’alimentation de cathodes d’un système de piles à combustible. En particulier l’invention concerne un dispositif d’alimentation permettant de mutualiser l’alimentation d’une pluralité de cathodes de piles à combustible formant un système de pile à combustible. The invention relates to a device for supplying cathodes of a fuel cell system. In particular, the invention relates to a power supply device making it possible to pool the power supply of a plurality of fuel cell cathodes forming a fuel cell system.
Arrière-plan technologique Technology background
Il existe aujourd’hui un engouement fort pour équiper les véhicules de transport, en particulier les aéronefs, de piles à combustibles dans la mesure où ces piles forment des sources d’énergie propres, fiables et flexibles. There is now a strong craze for equipping transport vehicles, in particular aircraft, with fuel cells insofar as these cells form clean, reliable and flexible sources of energy.
Le principe à la base d’une pile à combustible (aussi désignée par l’acronyme PAC), telle qu’une pile à hydrogène, repose sur la réaction d’oxydoréduction entre le dihydrogène et le dioxygène. Ces deux molécules constituent le combustible chimique sous lequel l’énergie peut être stockée au sein d’une application à pile à combustible. The principle behind a fuel cell (also referred to by the acronym PAC), such as a hydrogen cell, is based on the oxidation-reduction reaction between dihydrogen and dioxygen. These two molecules constitute the chemical fuel under which energy can be stored within a fuel cell application.
La pile à combustible en tant que telle est donc un générateur électrique à deux électrodes qui permet de produire de l’énergie électrique par une oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur, tel que l’hydrogène, couplée à une réduction sur l’autre électrode d’un oxydant, tel que l’oxygène de l’air par exemple. The fuel cell as such is therefore an electrical generator with two electrodes which makes it possible to produce electrical energy by oxidation on one electrode of a reducing fuel, such as hydrogen, coupled with a reduction on the another electrode of an oxidant, such as the oxygen in the air for example.
La réaction d’oxydoréduction de la pile permet de générer non seulement de l’électricité, mais également des sous-produits tels que de l’eau, de la chaleur et de l’air appauvri en oxygène. The cell's redox reaction generates not only electricity, but also by-products such as water, heat, and oxygen-depleted air.
En particulier, la réaction d’oxydation au niveau de l’anode permet de décomposer les molécules d’hydrogène au contact d’un catalyseur pour libérer des électrons et dégager de la chaleur. La réaction de réduction au niveau de la cathode permet de former des ions d’oxygène par contact entre l’oxygène et les électrons libérés par l’oxydation. En outre, les protons d’hydrogène se recombinent avec les ions d’oxygène pour former de l’eau. In particular, the oxidation reaction at the anode makes it possible to decompose the hydrogen molecules in contact with a catalyst to release electrons and release heat. The reduction reaction at the cathode makes it possible to form oxygen ions by contact between the oxygen and the electrons released by the oxidation. In addition, hydrogen protons recombine with oxygen ions to form water.
L’alimentation de la cathode en oxygène se fait par exemple via de l’air sous pression, contenant suffisamment d’oxygène pour permettre la réaction. The oxygen supply to the cathode is done for example via pressurized air, containing enough oxygen to allow the reaction.
Dans un véhicule aéronautique, ferroviaire, maritime ou automobile, l’air sous pression est fourni par un compresseur alimenté en air prélevé, par exemple à l’extérieur via une entrée d’air extérieur. In an aeronautical, rail, maritime or automotive vehicle, pressurized air is supplied by a compressor supplied with air taken from the outside, for example via an outside air inlet.
Dans un système de pile à combustible, plusieurs cathodes doivent être alimentées, ces cathodes appartenant à des cellules de pile à combustible différentes ou à des piles à combustibles différentes, par exemple reliées en parallèles ou en série selon les applications. In a fuel cell system, several cathodes must be powered, these cathodes belonging to different fuel cell cells or to different fuel cells, for example connected in parallel or in series depending on the applications.
La pratique actuelle consiste à alimenter chaque cathode par un compresseur dédié. Le contrôle de débit se fait via une vanne de contre pression située en aval de la pile. The current practice is to feed each cathode by a dedicated compressor. The flow control is done via a back pressure valve located downstream of the stack.
Une technologie optimisée en termes de performance et de propreté de l’air envoyé au système de pile à combustible pour le compresseur est la technologie compresseur centrifuge. Cette technologie possède cependant un point critique à prendre en compte, qui est la protection contre le phénomène de pompage qui apparaît lorsque le débit comprimé est trop faible pour un niveau de pression donné. A technology optimized in terms of performance and cleanliness of the air sent to the fuel cell system for the compressor is centrifugal compressor technology. However, this technology has a critical point to take into account, which is the protection against the surge phenomenon that appears when the compressed flow is too low for a given pressure level.
Les inventeurs ont cherché une solution pour alimenter une pluralité de cathode permettant de limiter le nombre de composants et pouvant être optimisé pour chaque cathode. The inventors sought a solution for supplying a plurality of cathodes making it possible to limit the number of components and being able to be optimized for each cathode.
Objectifs de l’invention Objectives of the invention
L’invention vise à fournir un dispositif d’alimentation de cathodes d’un système de piles à combustible. The invention aims to provide a device for supplying cathodes of a fuel cell system.
L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un dispositif d’alimentation permettant de limiter le nombre de composants utilisés par rapport à l’art antérieur. The invention aims in particular to provide, in at least one embodiment, a power supply device making it possible to limit the number of components used compared to the prior art.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un dispositif d’alimentation fiable et contrôlable. The invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, a reliable and controllable power supply device.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un dispositif d’alimentation protégé contre le phénomène de pompage. Exposé de l’invention The invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, a supply device protected against the surge phenomenon. Disclosure of Invention
Pour ce faire, l’invention concerne un dispositif d’alimentation en air sous pression d’une pluralité de cathodes d’un système de pile à combustible, caractérisé en ce qu’il comprend : To do this, the invention relates to a device for supplying pressurized air to a plurality of cathodes of a fuel cell system, characterized in that it comprises:
- un compresseur motorisé configuré pour fournir une source d’ air sous pression à l’ensemble des cathodes ; - a motorized compressor configured to supply a source of pressurized air to all the cathodes;
- un ensemble de conduits configurés pour conduire l’air sous pression vers chaque cathode ; - a set of ducts configured to lead pressurized air to each cathode;
- pour chaque cathode, une vanne proportionnelle en amont ou en aval de ladite cathode configurée pour réguler le débit d’air sous pression traversant ladite cathode ; - for each cathode, a proportional valve upstream or downstream of said cathode configured to regulate the pressurized air flow passing through said cathode;
- des moyens de protection anti-pompage, configurés pour permettre la circulation d’un débit minimal d’air sous pression en sortie du compresseur, - anti-pumping protection means, configured to allow the circulation of a minimum flow of pressurized air at the compressor outlet,
- un dispositif de contrôle configuré pour contrôler la vitesse du compresseur et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne proportionnelle et/ou le fonctionnement des moyens de protection anti-pompage, et en ce qu’au moins une vanne proportionnelle comprend une section de passage minimale configurée pour permettre le passage d’un débit minimal d’air sous pression lorsque ladite vanne proportionnelle est en position fermée, chaque section de passage minimale formant un moyen de protection anti-pompage. - a control device configured to control the speed of the compressor and the opening or closing of each proportional valve and/or the operation of the anti-surge protection means, and in that at least one proportional valve comprises a section of minimum passage configured to allow the passage of a minimum flow of pressurized air when said proportional valve is in the closed position, each minimum passage section forming an anti-pumping protection means.
Un dispositif d’alimentation selon l’invention permet donc une alimentation commune de l’ensemble des cathodes par un compresseur motorisé. L’alimentation de chaque cathode peut toutefois être gérée individuellement par la présence des vannes proportionnelles en amont ou en aval de chaque cathode. Un dispositif d’alimentation selon l’invention peut alimenter en air sous pression un nombre de cathodes allant de deux à plusieurs dizaines, de préférence autour d’une dizaine de cathodes. A supply device according to the invention therefore allows a common supply of all the cathodes by a motorized compressor. The power supply to each cathode can however be managed individually by the presence of proportional valves upstream or downstream of each cathode. A supply device according to the invention can supply pressurized air to a number of cathodes ranging from two to several tens, preferably around ten cathodes.
La vanne proportionnelle peut être agencée en amont ou en aval de la cathode dont elle régule l’apport en air sous pression. De préférence, la vanne proportionnelle est agencée en amont, car l’air sous pression est plus sec en amont de la cathode, ce qui permet une meilleure rapidité et linéarité de la régulation de l’apport en air sous pression. Les moyens de protection anti-pompage permettent d’éviter la casse du compresseur, en particulier lorsque les besoins en air sous pression des cathodes sont faibles. En effet, si un débit minimal ne circule pas en aval du compresseur, un pompage du compresseur peut engendrer une casse des ailettes de celui-ci. The proportional valve can be arranged upstream or downstream of the cathode of which it regulates the air supply under pressure. Preferably, the proportional valve is arranged upstream, because the pressurized air is drier upstream of the cathode, which allows better speed and linearity of the regulation of the supply of pressurized air. The anti-pumping protection means make it possible to avoid the breakage of the compressor, in particular when the pressurized air requirements of the cathodes are low. Indeed, if a minimum flow rate does not circulate downstream of the compressor, pumping of the compressor can cause the fins of the latter to break.
La protection anti-pompage est en particulier assurée au moins par une ou plusieurs vannes proportionnelles. La ou les vannes proportionnelles comprenant la section de passage minimale forment les moyens de protection anti-pompage. Les vannes proportionnelles assurent une perméabilité suffisante dans le dispositif d’alimentation et assurent un débit minimal quel que soit le besoin en débit d’air sous pression des cathodes. De préférence, toutes les vannes proportionnelles sont équipées d’une section de passage minimale. The anti-surge protection is in particular ensured at least by one or more proportional valves. The proportional valve(s) comprising the minimum passage section form the anti-surge protection means. Proportional valves provide sufficient permeability in the feeder and ensure minimum flow regardless of the cathode pressurized air flow requirement. Preferably, all proportional valves are equipped with a minimum flow area.
Avantageusement et selon l’invention, les moyens de protection anti- pompage comprennent un conduit de contournement de l’ensemble des cathodes, et une vanne de contournement configurée pour permettre la circulation d’aucun, d’une partie ou de la totalité de l’air sous pression dans le conduit de contournement, et en ce que le dispositif de contrôle est configuré pour contrôler l’ouverture ou la fermeture de la vanne de contournement. Selon cet aspect de l’invention, le circuit de contournement permet également une protection contre le pompage du compresseur : la vanne de contournement permet le passage d’un débit minimal dans le conduit de contournement, en particulier lorsque les besoins en air sous pression des cathodes sont faibles. Advantageously and according to the invention, the anti-pumping protection means comprise a conduit for bypassing all of the cathodes, and a bypass valve configured to allow the circulation of none, part or all of the pressurized air in the bypass conduit, and in that the control device is configured to control the opening or closing of the bypass valve. According to this aspect of the invention, the bypass circuit also allows protection against pumping of the compressor: the bypass valve allows the passage of a minimum flow rate in the bypass duct, in particular when the pressurized air requirements of the cathodes are weak.
Avantageusement, un dispositif d’alimentation selon l’invention comprend des moyens de mesure de pression de l’air comprimé en sortie du compresseur, et en ce que le dispositif de contrôle est configuré pour contrôler la vitesse du compresseur et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne proportionnelle et les moyens de protection anti-pompage en fonction des données provenant des moyens de mesure de pression de l’air comprimé en sortie du compresseur. Advantageously, a supply device according to the invention comprises means for measuring the pressure of the compressed air at the outlet of the compressor, and in that the control device is configured to control the speed of the compressor and the opening or closing of each proportional valve and the means of protection against pumping according to the data coming from the means for measuring the pressure of the compressed air at the outlet of the compressor.
En particulier, la mesure de pression permet d’anticiper un éventuel pompage. In particular, the pressure measurement makes it possible to anticipate a possible surge.
Avantageusement, un dispositif d’alimentation selon l’invention comprend des moyens de mesure de la température de l’air comprimé en sortie du compresseur et en ce que le dispositif de contrôle est configuré pour contrôler la vitesse du compresseur et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne proportionnelle et les moyens de protection anti-pompage en fonction des données provenant des moyens de mesure de température de l’air comprimé en sortie du compresseur. Advantageously, a supply device according to the invention comprises means for measuring the temperature of the compressed air at the outlet of the compressor and in that the control device is configured to control the speed of the compressor and the opening or the closing of each proportional valve and the anti-surge protection means according to the data coming from the means for measuring the temperature of the compressed air at the outlet of the compressor.
En particulier, la mesure de la pression et de la température peuvent permettre le calcul du débit d’air comprimé en sortie du compresseur. In particular, the measurement of pressure and temperature can be used to calculate the compressed air flow at the compressor outlet.
Avantageusement, un dispositif d’alimentation selon l’invention comprend des moyens de mesure de débit de l’air comprimé en sortie du compresseur, et en ce que le dispositif de contrôle est configuré pour contrôler la vitesse du compresseur et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne proportionnelle et les moyens de protection anti-pompage en fonction des données provenant des moyens de mesure de débit de l’air comprimé en sortie du compresseur. Advantageously, a supply device according to the invention comprises means for measuring the flow rate of the compressed air at the outlet of the compressor, and in that the control device is configured to control the speed of the compressor and the opening or the closing of each proportional valve and the anti-surge protection means according to the data coming from the means for measuring the flow rate of the compressed air at the outlet of the compressor.
Selon ces aspects de l’invention, la mesure de la pression, de la température et/ou du débit de l’air sous pression permet de réguler le contrôle des vannes proportionnelles, de la vanne de contournement si elle est présente, et de la vitesse du compresseur en fonction de l’état physique de l’air sous pression en sortie du compresseur. La mesure de l’un ou d’une pluralité de ces paramètres physiques permet en outre de détecter des anomalies de fonctionnement ou de prévenir l’apparition de pannes du dispositif d’alimentation. According to these aspects of the invention, the measurement of the pressure, the temperature and/or the flow rate of the pressurized air makes it possible to regulate the control of the proportional valves, of the bypass valve if present, and of the compressor speed as a function of the physical state of the pressurized air leaving the compressor. The measurement of one or more of these physical parameters also makes it possible to detect operating anomalies or to prevent the occurrence of failures of the power supply device.
Avantageusement et selon l’invention, le dispositif de contrôle est configuré pour contrôler la vitesse du compresseur et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne proportionnelle et des moyens de protection anti-pompage en fonction de la puissance à fournir par le système de pile à combustible. Advantageously and according to the invention, the control device is configured to control the speed of the compressor and the opening or closing of each proportional valve and anti-surge protection means depending on the power to be supplied by the fuel cell system.
Selon cet aspect de l’invention, la puissance demandée par le système de pile à combustible est prise en compte dans la régulation de la vitesse du compresseur et le contrôle des vannes proportionnelles et des moyens de protection anti-pompage. Cette prise en compte de la puissance peut être globale (sur l’ensemble du système de pile à combustible) et/ou indépendamment selon la pile à combustible ou la cellule de pile à combustible, de façon à gérer indépendamment l’alimentation en air sous pression de chaque cathode. According to this aspect of the invention, the power demanded by the fuel cell system is taken into account in the regulation of the speed of the compressor and the control of the proportional valves and the anti-surge protection means. This taking into account of the power can be global (over the entire fuel cell system) and/or independently according to the fuel cell or the fuel cell cell, so as to independently manage the air supply under pressure of each cathode.
Avantageusement et selon l’invention, le dispositif de contrôle est alimenté par au moins une pile à combustible du système de pile à combustible. Advantageously and according to the invention, the control device is powered by at least one fuel cell of the fuel cell system.
Selon cet aspect de l’invention, le dispositif de contrôle est intégré dans le système de pile à combustible et ne nécessite pas la mise en place d’une alimentation extérieure. According to this aspect of the invention, the control device is integrated into the fuel cell system and does not require the installation of an external power supply.
Avantageusement et selon l’invention, le dispositif d’alimentation comprend au moins un échangeur de chaleur agencé en aval du compresseur et en amont des cathodes, configuré pour refroidir l’air sous pression. Advantageously and according to the invention, the supply device comprises at least one heat exchanger arranged downstream of the compressor and upstream of the cathodes, configured to cool the pressurized air.
Selon cet aspect de l’invention, l’échangeur de chaleur permet d’ajuster la température de l’air sous pression. L’échangeur de chaleur permet de refroidir l’air sous pression destiné à l’ensemble des cathodes en une seule fois, ce qui simplifie la mise en œuvre et garantit une meilleure homogénéité de la température de l’air sous pression en entrée de chaque cathode, par rapport à l’art antérieur. According to this aspect of the invention, the heat exchanger makes it possible to adjust the temperature of the pressurized air. The heat exchanger makes it possible to cool the pressurized air intended for all the cathodes at once, which simplifies implementation and guarantees better uniformity of the temperature of the pressurized air at the inlet of each cathode, compared to the prior art.
Avantageusement, un dispositif d’alimentation selon l’invention comprend une turbine de sortie agencée en aval des cathodes, configurée pour réguler la pression de l’air sous pression en aval des cathodes. Advantageously, a supply device according to the invention comprises an outlet turbine arranged downstream of the cathodes, configured to regulate the pressure of the pressurized air downstream of the cathodes.
Selon cet aspect de l’invention, la turbine de sortie permet de contrôler la pression en aval des cathodes, en particulier de contrôler la contre pression en sortie des cathodes. La turbine est par exemple une turbine à section d’injection variable, ou une turbine à section d’injection fixe associée à une vanne de contournement de la turbine s’ouvrant lorsque la contre pression est trop importante. According to this aspect of the invention, the outlet turbine makes it possible to control the pressure downstream of the cathodes, in particular to control the back pressure at the outlet of the cathodes. The turbine is for example a variable injection section turbine, or a turbine with a fixed injection section associated with a bypass valve of the turbine opening when the back pressure is too high.
L’invention concerne également un système de pile à combustible, comprenant une pluralité de piles à combustible, chaque pile à combustible comprenant une cathode configurée pour recevoir un air sous pression, caractérisé en ce que le système de pile à combustible comprend un dispositif d’alimentation selon l’invention, configuré pour alimenter en air sous pression au moins deux cathodes dudit système de pile à combustible. The invention also relates to a fuel cell system, comprising a plurality of fuel cells, each fuel cell comprising a cathode configured to receive pressurized air, characterized in that the fuel cell system comprises a device for power supply according to the invention, configured to supply pressurized air to at least two cathodes of said fuel cell system.
L’invention concerne également un dispositif d’alimentation et un système de pile à combustible, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. The invention also relates to a power supply device and a fuel cell system, characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
Liste des figures List of Figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : Other aims, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description given solely by way of non-limiting and which refers to the appended figures in which:
[Fig. 1] est une vue schématique d’un dispositif d’alimentation selon un premier mode de réalisation de l’invention. [Fig. 1] is a schematic view of a power supply device according to a first embodiment of the invention.
[Fig. 2] est une vue schématique d’un dispositif d’alimentation selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. [Fig. 2] is a schematic view of a power supply device according to a second embodiment of the invention.
[Fig. 3] est une vue schématique d’un dispositif d’alimentation selon un troisième mode de réalisation de l’invention. [Fig. 3] is a schematic view of a feed device according to a third embodiment of the invention.
[Fig. 4] est une vue schématique d’un dispositif d’alimentation selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. [Fig. 4] is a schematic view of a feed device according to a fourth embodiment of the invention.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’inventionDetailed description of an embodiment of the invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté. In the figures, scales and proportions are not strictly adhered to, for purposes of illustration and clarity.
En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures. In addition, identical, similar or analogous elements are designated by the same references in all the figures.
Les figures 1 à 4 illustrent schématiquement un dispositif 10 d’alimentation respectivement selon un premier mode de réalisation de l’invention, un deuxième mode de réalisation de l’invention, un troisième mode de réalisation de l’invention et un quatrième mode de réalisation de l’invention. FIGS. 1 to 4 schematically illustrate a power supply device 10 respectively according to a first embodiment of the invention, a second embodiment of the invention, a third embodiment of the invention and a fourth embodiment of the invention.
Le dispositif 10 d’alimentation est configuré pour alimenter en air sous pression une pluralité de cathodes 100a, 100b, 100c, lOOd d’un système de piles à combustible, dont seulement quatre sont représentées ici. En pratique, plusieurs dizaines de cathode peuvent être alimentées, de préférence autour d’une dizaine de cathodes. The supply device 10 is configured to supply pressurized air to a plurality of cathodes 100a, 100b, 100c, 100d of a fuel cell system, only four of which are shown here. In practice, several tens of cathodes can be supplied, preferably around ten cathodes.
Pour ce faire, le dispositif 10 d’alimentation comprend un compresseur 12 motorisé par un moteur 14 dont la vitesse est contrôlée par un contrôleur 16 de moteur. Le compresseur 12 peut faire partie d’un turbocompresseur motorisé et être ainsi associé à une turbine 18, destinée par exemple à assister le moteur 14 en récupérant de l’énergie par détente d’une source d’air. En particulier, la source d’air peut être la sortie du dispositif 10 d’alimentation, comme décrit plus loin. To do this, the supply device 10 comprises a compressor 12 powered by a motor 14 whose speed is controlled by a motor controller 16. Compressor 12 can be part of a motorized turbocharger and thus be associated with a turbine 18, intended for example to assist motor 14 by recovering energy by expansion of an air source. In particular, the air source may be the outlet of the supply device 10, as described below.
Le compresseur 12 permet de fournir les cathodes 100a, 100b, 100c, lOOd en air sous pression nécessaire au fonctionnement des cellules de piles à combustible ou des piles à combustibles du système de pile à combustible. L’air sous pression est ainsi distribué à chacune des cathodes 100a, 100b, 100c, lOOd. L’air sous pression peut être refroidi par un ou plusieurs échangeurs 19 de chaleur agencé en aval du compresseur et en amont des cathodes. The compressor 12 makes it possible to supply the cathodes 100a, 100b, 100c, 100d with pressurized air necessary for the operation of the fuel cell cells or of the fuel cells of the fuel cell system. The pressurized air is thus distributed to each of the cathodes 100a, 100b, 100c, 100d. The pressurized air can be cooled by one or more heat exchangers 19 arranged downstream of the compressor and upstream of the cathodes.
Le dispositif 10 d’alimentation comprend, pour chaque cathode, une vanne proportionnelle configurée pour réguler le débit d’air sous pression traversant ladite cathode. The supply device 10 comprises, for each cathode, a proportional valve configured to regulate the flow of pressurized air passing through said cathode.
Dans le premier et troisième mode de réalisation, en référence avec la figure 1 et la figure 3, les vannes 20a, 20b, 20c, 20d proportionnelles sont disposées en amont de la cathode. In the first and third embodiment, with reference to Figure 1 and Figure 3, the proportional valves 20a, 20b, 20c, 20d are arranged upstream of the cathode.
Dans le deuxième et quatrième mode de réalisation, en référence avec la figure 2 et la figure 4, les vannes 22a, 22b, 22c, 22d proportionnelles sont disposées en aval de la cathode. In the second and fourth embodiment, with reference to Figure 2 and Figure 4, the proportional valves 22a, 22b, 22c, 22d are arranged downstream of the cathode.
Dans les quatre modes de réalisation, les vannes proportionnelles sont contrôlées par un dispositif 24 de contrôle. Le dispositif 24 de contrôle reçoit des données provenant d’un capteur 26 disposé en sortie du compresseur 12, et configuré pour mesurer la pression, la température et/ou le débit d’air sous pression en sortie du compresseur 12. In all four embodiments, the proportional valves are controlled by a control device 24. The control device 24 receives data from a sensor 26 disposed at the output of the compressor 12, and configured to measure the pressure, the temperature and/or the pressurized air flow at the outlet of the compressor 12.
Selon les données reçues du capteur 26 et les besoins en puissance des piles à combustible du système de pile à combustible, le dispositif 24 de contrôle régule le débit d’air sous pression traversant chaque cathode grâce aux vannes proportionnelles. Le dispositif 24 de contrôle est aussi configuré pour contrôler la vitesse du compresseur 12 en envoyant des commandes au contrôleur 16 du moteur 14. Depending on the data received from the sensor 26 and the power requirements of the fuel cells of the fuel cell system, the control device 24 regulates the pressurized air flow passing through each cathode using the proportional valves. Control device 24 is also configured to control the speed of compressor 12 by sending commands to controller 16 of motor 14.
En sortie des cathodes, une turbine 28 de sortie permet de réguler la pression de l’air sous pression, en particulier de réguler les phénomènes de contre pression. Dans un mode de réalisation préférentiel, comme visible sur la figure 2 et la figure 4, la turbine 28 et la turbine 18 assistant le moteur 14 sont une seule et même turbine, une partie de l’énergie résiduelle dans l’air sous pression sortant des cathodes étant ainsi récupérée pour assister le moteur 14 entraînant le compresseur 12, et ainsi réduire sa consommation électrique. At the outlet of the cathodes, an outlet turbine 28 makes it possible to regulate the pressure of the pressurized air, in particular to regulate the phenomena of counterpressure. In a preferred embodiment, as seen in Figure 2 and Figure 4, the turbine 28 and the turbine 18 assisting the motor 14 are one and the same turbine, part of the residual energy in the pressurized air leaving cathodes thus being recovered to assist the motor 14 driving the compressor 12, and thus reduce its electrical consumption.
Le dispositif 10 d’alimentation comprend également des moyens de protection anti-pompage, qui garantissent la circulation d’un débit minimal d’air sous pression en sortie du compresseur. The supply device 10 also comprises anti-pumping protection means, which guarantee the circulation of a minimum flow rate of pressurized air at the outlet of the compressor.
Dans tous les modes de réalisation, des moyens de protection anti-pompage sont intégrés dans les vannes proportionnelles qui comprennent chacune une section 34a, 34b, 34c, 34d de passage minimale configurée pour permettre le passage d’un débit minimal d’air sous pression lorsque ladite vanne proportionnelle est en position fermée. L’ensemble des débits minimums pour chaque vanne proportionnelle équipée d’une section de passage minimale permet d’assurer un débit minimal en aval du compresseur 12 pour éviter le pompage. Selon les modes de réalisation, une, plusieurs ou toutes les vannes proportionnelles peuvent comprendre une section de passage minimale, selon le débit d’air minimum souhaité. In all the embodiments, anti-surge protection means are integrated in the proportional valves which each comprise a section 34a, 34b, 34c, 34d of minimum passage configured to allow the passage of a minimum flow of pressurized air. when said proportional valve is in the closed position. The set of minimum flow rates for each proportional valve equipped with a minimum flow section makes it possible to ensure a minimum flow rate downstream of the compressor 12 to avoid surging. According to the embodiments, one, several or all of the proportional valves can include a minimum passage section, depending on the desired minimum air flow.
Dans le premier et le quatrième mode de réalisation, en référence avec la figure 1 et la figure 4, les moyens de protection anti-pompage comprennent également un conduit 30 de contournement de l’ensemble des cathodes, comprenant une vanne 32 de contournement configurée pour permettre la circulation d’aucun, d’une partie ou de la totalité de l’air sous pression dans le conduit 30 de contournement. L’ouverture ou la fermeture de la vanne 32 de contournement est contrôlée par le dispositif 24 de contrôle, de façon à assurer la circulation d’un débit minimal pour éviter le pompage du compresseur. In the first and fourth embodiments, with reference to FIG. 1 and FIG. 4, the anti-pumping protection means also comprise a duct 30 for bypassing all of the cathodes, comprising a bypass valve 32 configured to allow the circulation of none, part or all of the pressurized air in the conduit 30 bypass. The opening or closing of the bypass valve 32 is controlled by the control device 24, so as to ensure the circulation of a minimum flow to avoid pumping of the compressor.
Dans le deuxième mode de réalisation, en référence avec la figure 2, les moyens de protection anti-pompage sont uniquement intégrés dans les vannes 22a, 22b, 22c, 22d proportionnelles qui comprennent chacune une section 34a, 34b, 34c, 34d de passage minimale configurée pour permettre le passage d’un débit minimal d’air sous pression lorsque ladite vanne 22a, 22b, 22c, 22d proportionnelle est en position fermée. In the second embodiment, with reference to Figure 2, the anti-pumping protection means are only integrated in the proportional valves 22a, 22b, 22c, 22d which each comprise a section 34a, 34b, 34c, 34d of minimum passage configured to allow the passage of a minimum flow of pressurized air when said proportional valve 22a, 22b, 22c, 22d is in the closed position.
Dans le troisième mode de réalisation, en référence avec la figure 3, les moyens de protection anti-pompage sont uniquement intégrés dans les vannes 20a, 20b, 20c, 20d proportionnelles qui comprennent chacune une section 34a, 34b, 34c, 34d de passage minimale configurée pour permettre le passage d’un débit minimal d’air sous pression lorsque ladite vanne 20a, 20b, 20c, 20d proportionnelle est en position fermée. In the third embodiment, with reference to Figure 3, the anti-pumping protection means are only integrated in the proportional valves 20a, 20b, 20c, 20d which each comprise a section 34a, 34b, 34c, 34d of minimum passage configured to allow the passage of a minimum flow of pressurized air when said proportional valve 20a, 20b, 20c, 20d is in the closed position.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits. En particulier, la turbine 18 et la turbine 28 peuvent être une seule et même turbine ou deux turbines différentes dans les différents modes de réalisations représentés. The invention is not limited to the embodiments described. In particular, the turbine 18 and the turbine 28 can be one and the same turbine or two different turbines in the different embodiments shown.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d’alimentation en air sous pression d’une pluralité de cathodes (100a- lOOd) d’un système de pile à combustible, caractérisé en ce qu’il comprend : un compresseur (12) motorisé configuré pour fournir une source d’air sous pression à l’ensemble des cathodes (100a-100d) ; un ensemble de conduits configurés pour conduire G air sous pression vers chaque cathode (100a-100d) ; pour chaque cathode (100a-100d), une vanne (20a-20d ; 22a-22d) proportionnelle en amont ou en aval de ladite cathode (100a-100d) configurée pour réguler le débit d’air sous pression traversant ladite cathode (100a-100d) ; des moyens (30, 32 ; 34a-34d) de protection anti-pompage, configurés pour permettre la circulation d’un débit minimal d’air sous pression en sortie du compresseur (12), un dispositif (24) de contrôle configuré pour contrôler la vitesse du compresseur (12) et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne (20a-20d ; 22a-22d) proportionnelle et/ou le fonctionnement des moyens (30, 32 ; 34a-34d) de protection anti-pompage, et en ce qu’au moins une vanne (22a-22d) proportionnelle comprend une section (34a-34d) de passage minimale configurée pour permettre le passage d’un débit minimal d’air sous pression lorsque ladite vanne (22a-22d) proportionnelle est en position fermée, chaque section de passage minimale formant un moyen de protection anti-pompage. 1. Device for supplying pressurized air to a plurality of cathodes (100a-100d) of a fuel cell system, characterized in that it comprises: a motorized compressor (12) configured to supply a source of pressurized air to all of the cathodes (100a-100d); a set of conduits configured to conduct pressurized air to each cathode (100a-100d); for each cathode (100a-100d), a proportional valve (20a-20d; 22a-22d) upstream or downstream of said cathode (100a-100d) configured to regulate the flow of pressurized air passing through said cathode (100a- 100d); anti-surge protection means (30, 32; 34a-34d), configured to allow the circulation of a minimum flow rate of pressurized air at the outlet of the compressor (12), a control device (24) configured to control the speed of the compressor (12) and the opening or closing of each proportional valve (20a-20d; 22a-22d) and/or the operation of the anti-surge protection means (30, 32; 34a-34d), and in that at least one proportional valve (22a-22d) comprises a minimum passage section (34a-34d) configured to allow the passage of a minimum flow of pressurized air when said proportional valve (22a-22d) is in the closed position, each minimum passage section forming an anti-pumping protection means.
2. Dispositif d’alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de protection anti-pompage comprennent un conduit (30) de contournement de l’ensemble des cathodes, et une vanne (32) de contournement configurée pour permettre la circulation d’aucun, d’une partie ou de la totalité de l’air sous pression dans le conduit (30) de contournement, et en ce que le dispositif (24) de contrôle est configuré pour contrôler l’ouverture ou la fermeture de la vanne (32) de contournement. 2. Supply device according to claim 1, characterized in that the anti-pumping protection means comprise a duct (30) for bypassing all of the cathodes, and a bypass valve (32) configured to allow the circulation none, some or all of the pressurized air in the bypass conduit (30), and in that the control device (24) is configured to control the opening or closure of bypass valve (32).
3. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens (26) de mesure de pression de l’air comprimé en sortie du compresseur (12), et en ce que le dispositif (24) de contrôle est configuré pour contrôler la vitesse du compresseur (12) et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne (20a-20d ; 22a-22d) proportionnelle et les moyens (30, 32 ; 34a-34d) de protection anti-pompage en fonction des données provenant des moyens (26) de mesure de pression de l’air comprimé en sortie du compresseur. 3. Supply device according to one of claims 1 to 2, characterized in that it comprises means (26) for measuring the pressure of the compressed air at the outlet of the compressor (12), and in that the control device (24) is configured to control the speed of the compressor (12) and the opening or closing of each proportional valve (20a-20d; 22a-22d) and the means (30, 32; 34a-34d) of anti-surge protection as a function of the data coming from the means (26) for measuring the pressure of the compressed air leaving the compressor.
4. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens (26) de mesure de la température de l’air comprimé en sortie du compresseur (12), et en ce que le dispositif (24) de contrôle est configuré pour contrôler la vitesse du compresseur (12) et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne (20a-20d ; 22a-22d) proportionnelle et les moyens (30, 32 ; 34a-34d) de protection anti-pompage en fonction des données provenant des moyens (26) de mesure de température de l’air comprimé en sortie du compresseur. 4. Supply device according to one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises means (26) for measuring the temperature of the compressed air at the outlet of the compressor (12), and in that the control device (24) is configured to control the speed of the compressor (12) and the opening or closing of each proportional valve (20a-20d; 22a-22d) and the means (30, 32; 34a-34d) anti-surge protection according to the data coming from the means (26) for measuring the temperature of the compressed air at the outlet of the compressor.
5. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens (26) de mesure de débit de l’air comprimé en sortie du compresseur (12), et en ce que le dispositif (24) de contrôle est configuré pour contrôler la vitesse du compresseur (12) et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne (20a-20d ; 22a-22d) proportionnelle et les moyens (30, 32 ; 34a- 34d) de protection anti-pompage en fonction des données provenant des moyens (26) de mesure de débit de l’air comprimé en sortie du compresseur. 5. Supply device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises means (26) for measuring the flow rate of the compressed air at the outlet of the compressor (12), and in that the control device (24) is configured to control the speed of the compressor (12) and the opening or closing of each proportional valve (20a-20d; 22a-22d) and the means (30, 32; 34a-34d) of anti-surge protection as a function of the data coming from the means (26) for measuring the flow rate of the compressed air at the outlet of the compressor.
6. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif (24) de contrôle est configuré pour contrôler la vitesse du compresseur (12) et l’ouverture ou la fermeture de chaque vanne (20a-20d ; 22a-22d) proportionnelle et les moyens (30, 32 ; 34a-34d) de protection anti- pompage en fonction de la puissance à fournir par le système de pile à combustible. 6. Supply device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control device (24) is configured to control the speed of the compressor (12) and the opening or closing of each valve (20a -20d; 22a-22d) proportional and the means (30, 32; 34a-34d) of anti-surge protection as a function of the power to be supplied by the fuel cell system.
7. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif (24) de contrôle est alimenté par au moins une pile à combustible du système de pile à combustible. 7. Power supply device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the control device (24) is powered by at least one fuel cell of the fuel cell system.
8. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un échangeur (19) de chaleur agencé en aval du compresseur (12) et en amont des cathodes (100a-100d), configuré pour refroidir l’air sous pression. 8. Supply device according to one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises at least one heat exchanger (19) arranged downstream of the compressor (12) and upstream of the cathodes (100a-100d) , configured to cool pressurized air.
9. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend une turbine (28) de sortie agencée en aval des cathodes (100a- lOOd), configurée pour réguler la pression de l’air sous pression en aval des cathodes (100a-100d). 9. Power supply device according to one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises an outlet turbine (28) arranged downstream of the cathodes (100a-100d), configured to regulate the air pressure under pressure downstream of the cathodes (100a-100d).
10. Système de pile à combustible, comprenant une pluralité de piles à combustible, chaque pile à combustible comprenant une cathode (100a-100d) configurée pour recevoir un air sous pression, caractérisé en ce que le système de pile à combustible comprend un dispositif (10) d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 9, configuré pour alimenter en air sous pression au moins deux cathodes (100a-100d) dudit système de pile à combustible. 10. Fuel cell system, comprising a plurality of fuel cells, each fuel cell comprising a cathode (100a-100d) configured to receive pressurized air, characterized in that the fuel cell system comprises a device ( 10) supply according to one of claims 1 to 9, configured to supply pressurized air to at least two cathodes (100a-100d) of said fuel cell system.
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