EP4684440A1 - Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible - Google Patents

Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible

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EP4684440A1
EP4684440A1 EP24711904.3A EP24711904A EP4684440A1 EP 4684440 A1 EP4684440 A1 EP 4684440A1 EP 24711904 A EP24711904 A EP 24711904A EP 4684440 A1 EP4684440 A1 EP 4684440A1
Authority
EP
European Patent Office
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supply
purge
phase
groups
group
Prior art date
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Pending
Application number
EP24711904.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Benoît MORIN
Robin MURRU
Didier BOUIX
Jean-Philippe Poirot-Crouvezier
Pascal Schott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • the present invention relates to the field of fuel cells, in particular proton exchange membrane fuel cells (or PEMFC for Proton Exchange Membrane Fuel Cell) comprising an alternating power supply, called “ping-pong". It can advantageously be implemented to optimize the performance of a PEFMC with ping-pong architecture.
  • a fuel cell is formed from a stack of "unit” electrochemical cells, each comprising an anode and a cathode electrically separated from each other by an electrolyte.
  • the fuel hydrogen
  • the oxidant oxygen
  • the electrolyte can be in the form of a membrane allowing the protons resulting from the hydrogen oxidation reaction to pass through. This is the case for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs).
  • PEMFCs proton exchange membrane fuel cells
  • anode and cathode fluid circuits are used to supply the cell stack with fuel and oxidant respectively, and to remove the products resulting from the stack.
  • the hydrogen supplying the anode compartment can advantageously be reinjected into the anode compartment, by a recirculation pump on the fluid circuit, so as to distribute the non-reactive species at the anode, typically the water produced by the reaction and the nitrogen coming from the cathode through the membrane.
  • the fluid circuit can be more complex in the case of particular cell architectures. In the so-called "ping-pong" architecture disclosed by patent document FR2975227, the cell is divided into several groups of cells in fluid connection with each other by their respective outlets. In this known architecture illustrated in FIG.
  • the supply at the input 11, 21 of the different groups 10, 20 is done alternately during certain operating phases of the cell.
  • a first group 10 is supplied at inlet 11 by the combustible fluid (hydrogen) while the supply of a second group 20 is cut off at inlet 21.
  • the combustible fluid passes through the first group, which then operates nominally, and leaves humidified and slightly depleted at outlet 12 of the first group 10.
  • This fluid then supplies the second group 20 via outlet 22 of the second group 20.
  • This direct supply of the first group and in the opposite direction of the second group aims to mix pockets of highly depleted fluid formed within the cells of the first group, to dissipate them by mixing them.
  • the second group 20 is then supplied at inlet 21 by the combustible fluid while the supply to the first group 10 is cut off at inlet 11.
  • the combustible fluid passes through the second group, which then operates nominally, and leaves moistened and slightly depleted at outlet 22 of the second group 20.
  • This fluid then supplies the first group 10 via outlet 12 of the first group 10.
  • the principle of this ping-pong architecture consists in alternately supplying the different groups of cells so as to alternate nominal operating phases with supply phases in the opposite direction for each of the groups. After a few cycles of alternating supply, the groups 10, 20 are supplied simultaneously and a purge valve 40 common to the different groups is opened so as to evacuate the accumulated non-reactive products and gases, in particular water and nitrogen. In constant current (imposed) operation, a voltage drop is generally observed during the purging of these accumulated non-reactive products and gases.
  • An object of the present invention is to propose a method of operating a fuel cell with ping-pong architecture, improving the performance of the fuel cell, and in particular limiting the voltage or power drop during purging.
  • a method of operating a fuel cell comprising a plurality of groups of electrochemical cells connected together by a fluid circuit, said fluid circuit comprising, for each group, a supply line at the inlet of said group, and a switching member on said supply line, and, an evacuation line at the outlet of said group, said fluid circuit being configured so that the evacuation lines communicate fluidically with each other and are connected to a common purge member.
  • the operating method comprises at least: ⁇ An alternating supply cycle comprising at least: i.
  • a first supply phase in which a first group among the plurality of groups is supplied directly with supply fluid, at its inlet, the switching member of said first group being on while the switching members of the other groups of the plurality of groups are blocked, said other groups being on while the switching members of the other groups are off.
  • groups being supplied indirectly, during this first supply phase, at their respective outlets, by the supply fluid from the outlet of the first group, ii.
  • a second supply phase in which a second group different from the first group is supplied directly with supply fluid, at its inlet, the switching member of said second group being on while the switching members of the other groups of the plurality of groups are blocked, said other groups being supplied indirectly, during this second supply phase, at their respective outlets, by the supply fluid from the outlet of the second group, ⁇
  • the purge phase is triggered in a synchronized manner with a movement of the non-reactive fluids accumulated in the form of an aggregate called a plug, when said plug is located at least partly in the evacuation lines.
  • the purge phase of a fuel cell with ping-pong architecture is triggered at the optimal moment with respect to the alternating supply cycle.
  • a principle of the method according to the present invention consists in triggering the opening of the purge member in a controlled manner, by determining the optimal moment to trigger this opening, and preferably the duration of this opening.
  • the triggering of the purge phase is done during a supply phase ⁇ of the alternating supply cycle and before the end of the supply phase ⁇ .
  • the method according to the present invention is based on a better understanding of the reaction and fluidic mechanisms occurring within the cell.
  • the non-reactive products and gases accumulate in a localized manner in the fluidic circuit, in the form of an aggregate called a plug.
  • This plug moves according to the injections of feed fluid alternately in each of the groups of the cell. This movement causes a limited mixing of the gas mixture, inducing only a spreading of the plug, without achieving a real dilution of the non-reactive species in the flow of reactive species.
  • the dead-end phase following the end of a feed phase of a group does not allow the plug to be moved outside the cell group.
  • the plug cannot be located in the evacuation lines. Indeed, it has been identified that the plug is pushed by the feed and pulled by the consumption of reactants. Since the latter does not exist in the discharge lines, the dead end phase stabilizes the position of the plug where it is at the end of the feed phase, without moving it in the discharge lines. However, it has been determined that the plug is not in the discharge lines at the end of the feed phase. It is therefore necessary to synchronize the triggering of the purge phase with the movement of the plug, when it is in the discharge lines.
  • the triggering of the purge phase is carried out before the end of the feed phase which precedes the purge phase.
  • the implementation of the operating method according to the present invention makes it possible to significantly reduce the purge frequency. This can make it possible to reduce the quantity of hydrogen released during the purge phase by up to approximately 60%, while obtaining a voltage delivered by the cell which is substantially constant.
  • the plug tends to oscillate around an equilibrium position in the fluid circuit. For example, when the stack comprises two identical groups connected by symmetrical discharge lines, this equilibrium position is typically at the midpoint between the outlets of the groups, equidistant from the outlets. According to a preferred possibility, the purge member is located at this equilibrium position.
  • the plug has a substantially constant speed of movement regardless of its direction of movement. Triggering the opening of the purge member is then facilitated, regardless of the supply cycle preceding this equilibrium position. triggering. Due to the inertia of the movement of the plug, the plug passes through its equilibrium position with a delay after opening one of the switching members.
  • An object of the invention consists in particular in determining this delay so as to open the purge member at the moment when the plug passes through its equilibrium position, as close as possible to the purge member. This makes it possible to minimize the loss of unconsumed fuel. This makes it possible to reduce the opening time of the purge member. The stability of the performance of the fuel cell is improved.
  • the method of operating a fuel cell having a ping-pong architecture according to the present invention makes it possible in particular, by optimizing the purge time, to reduce the consumption of combustible fluid and to improve the electrical performance of this fuel cell.
  • FIG. 1 represents a fuel cell having a ping-pong architecture according to the prior art.
  • FIG. 2 represents a simplified diagram of a fuel cell having a ping-pong architecture, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 represents cycles of alternating supply of inputs to the groups of the cell, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4A shows the movement of the plug of non-reactive products and gases during a first phase of supply of the fuel cell, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4B shows the movement of the plug of non-reactive products and gases during a second phase of supply of the fuel cell, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows a purge phase when the plug is at an equilibrium position near the purge member, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows cycles of alternating supply of inputs to the groups of the cell, with different purge times, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7A shows the voltage delivered by the fuel cell during its operation, by performing periodic purges according to a first purge time, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7B shows the voltage delivered by the fuel cell during its operation, by performing periodic purges according to a second purge time, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7C shows the voltage delivered by the fuel cell during its operation, by performing periodic purges according to a third purge time, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7D represents the voltage delivered by the fuel cell during its operation, by performing periodic purges according to a fourth purge moment, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 represents a simulation of the nitrogen concentration at the purge member with respect to the alternating supply phases, according to an embodiment of the present invention.
  • the drawings are given as examples and are not limiting of the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate the understanding of the invention and are not necessarily on the scale of practical applications. In particular, the different members and the different parts of the fluid circuit are illustrated by diagrams which are not representative of reality.
  • the alternating feed cycle has a period T and the purge phase is triggered during a feed phase ⁇ and before the end of the feed phase ⁇ , after a delay ⁇ ⁇ ⁇ after the start of the feed phase ⁇ such that: 1 1 + exp( ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 0.8.
  • the alternating feed cycle has a period T and the purge phase is triggered during a feed phase ⁇ and before the end of the feed phase ⁇ , after a delay ⁇ ⁇ between 0.2. T/2 ⁇ ⁇ ⁇ 0.7. T/2.
  • liquid water is also present in the fluid circuit. This liquid water can affect the dynamics of the movement of the plug.
  • a delay substantially equal to T/4 makes it possible to take into account a delay in the movement of the plug due to the liquid water, and/or to evacuate this liquid water.
  • the purge phase includes a "dead end" delay and the opening of the purge member is carried out after the dead end delay.
  • the purge phase does not include a "dead end" delay and the opening of the purge member is carried out when the purge phase is triggered.
  • the stack comprises only two groups, the outputs of these two groups are located at an equal distance from the purge member, and the first and second supply phases of the alternating supply cycle have the same duration T/2. This "symmetrical" construction of the stack and of the alternating supply cycle makes it possible to better control the oscillations of the plug in the fluid circuit. This facilitates the determination of the optimal moment for triggering the opening of the purge member.
  • the purge phase comprises, before or during the opening of the purge member, an input supply of all the groups, each switching member being conducting.
  • the opening of the purge member is carried out after the input supply of all the groups, after a so-called "dead-end" delay. This makes it possible to stabilize the plug at its equilibrium position. If the triggering of the purge phase is carried out at the right time, as determined by the invention, the dead-end phase freezes the moving the plug between the groups, in the discharge lines.
  • the inlet supply of all the groups is carried out simultaneously with the opening of the purge member.
  • the purge phase does not include an inlet supply of all the groups before the opening of the purge member. The opening of the purge member thus directly follows a partial supply phase of a group. This makes it possible to shorten the purge phase.
  • the performance of the cell is improved or more constant.
  • a constant electric current is imposed on the fuel cell.
  • the supply fluid injected during the alternating supply cycle has a constant pressure.
  • the opening of the purge member is triggered when at least 70%, and preferably at least 80%, of the length LB of the plug is located in the discharge lines, the length LB of the plug being measured in the direction in which the discharge line extends at the point considered.
  • the opening of the purge member is triggered when the plug is entirely located in the discharge lines.
  • the discharge of the plug is optimized. The quantity of unconsumed feed fluid discharged is reduced.
  • the opening of the purge member is triggered when the plug completely occupies the discharge lines.
  • the plug may possibly overflow into the active zones of the cell.
  • the opening of the purge member is maintained such that at least a portion of the plug is discharged out of the fluid circuit through the purge member, preferably at least 70%, preferably entirely.
  • the opening time of the purge member is typically determined as a function of the volume of the plug or the quantity of non-reactive products and gases to be discharged.
  • the opening time of the purge member is minimized when the plug is located at the purge member or as close as possible to the purge member.
  • the quantity of unconsumed feed fluid discharged is reduced.
  • the voltage drop is limited or eliminated.
  • the performance of the cell is optimized.
  • the fuel cell comprises: ⁇ a first group of electrochemical cells having a first input and a first output, ⁇ a second group of electrochemical cells having a second input and a second output, ⁇ a fluid circuit intended to supply said first and second groups with a fluid, and to evacuate said fluid from said first and second groups.
  • the fluid circuit typically comprises a so-called upstream part comprising: ⁇ a main supply duct configured to be connected to a reservoir storing the fluid at a pressure P1, called high pressure, ⁇ a first supply line connected to the main supply duct and connected to the first inlet of the first group, ⁇ a second supply line connected to the main supply duct and connected to the second inlet of the second group.
  • the fluid circuit typically comprises a so-called downstream part comprising: ⁇ a first discharge line connected to the first outlet of the first group, ⁇ a second discharge line connected to the second outlet of the second group, ⁇ said first and second discharge lines being connected to each other, so as to allow a supply of fluid to the first group via the first outlet, by the fluid having passed through the second group, and conversely so as to allow a supply of fluid to the second group via the second outlet, by the fluid having passed through the first group, ⁇ a main discharge conduit connected to the first and second discharge lines, and configured to be connected to an exhaust.
  • the cell typically further comprises: ⁇ at least one expansion member located in the upstream portion of the fluid circuit, configured to reduce the pressure of the fluid from the reservoir, from high pressure to low pressure, ⁇ a first switching member on the first supply line, configured to allow or block a flow of the fluid to the first inlet, ⁇ a second switching member on the second supply line, configured to allow or block a flow of the fluid to the second inlet, ⁇ a purge member on the main discharge duct, configured to allow or block a flow of the fluid to the exhaust.
  • the at least one expansion member comprises a first expansion member configured to reduce the pressure of the fluid from the reservoir, from high pressure to medium pressure, and a second expansion member configured to decreasing the fluid pressure from medium pressure to low pressure.
  • a fuel cell according to the present invention comprises at least two groups of electrochemical cells.
  • a person skilled in the art will have no difficulty in implementing an embodiment comprising more than two groups of electrochemical cells.
  • the term "fuel cell system with ping-pong architecture" means a system comprising at least two groups of electrochemical cells distributed in one or more stacks.
  • Each group is thus constituted by a series of electrochemical cells electrically and fluidically interconnected.
  • the cells are typically in the form of a membrane-electrode assembly commonly referred to as AME.
  • the stack here comprises at least two stacked cells, and preferably at least ten.
  • the ping-pong architecture stack system typically has different operating phases, in particular, a first phase during which a first group is supplied directly at the inlet of the first group, the second group being supplied only at the outlet of the second group by the gas leaving the first group, a second phase during which the second group is supplied directly at the inlet of the second group, the first group being supplied only at the outlet of the first group by the gas leaving the second group, and a purge phase.
  • the purge phase optionally comprises a third phase of simultaneous supply of the first and second groups at the inlet of the first and second groups, and an opening of the purge member.
  • the first and second phases are carried out alternately and are typically of equal duration, with changes in regimes close to the stack.
  • the purge phase follows the first and second phases.
  • a principle of the invention consists in triggering the purge phase after a partial supply phase, i.e. a shortened supply phase, so that the plug is located in the right place to open the purge member.
  • the supply phase which precedes the purge phase has a duration less than the duration of each first and second phase of an alternating supply cycle. The determination of this duration lower is an object of the present invention.
  • the inlet and the outlet respectively designate the admission and the evacuation of the combustible fluid.
  • the inlet and the outlet can be functionally interchanged.
  • the first passage orifice can form the inlet or the outlet functionally
  • the second passage orifice can form the outlet or the inlet functionally.
  • the outlets of the groups are in fluid communication with each other, via the discharge lines specific to each of the groups.
  • Each discharge line extends between the outlet of the group considered and a common main discharge conduit.
  • Each discharge line can borrow sections of other lines, for example other discharge lines. Thus, sections of a given discharge line may be common with sections of other discharge lines. Tap points or branches may be physically present along the discharge line(s). Devices may also be present along these discharge lines, for example regulating devices. All of the discharge lines may form an outlet collector of the stack connected to the main discharge conduit of the stack.
  • the purge device is typically located on the main discharge conduit of the stack, preferably near an intersection of the discharge lines.
  • the operation of the stack according to the invention is based on a succession of phases different supply and discharge from each other.
  • the terms "succession” or “successive” do not necessarily imply, even if this is generally preferred, that the phases follow one another immediately, intermediate phases or steps being able to separate them.
  • a direction of circulation of the fluid in the fluid circuit is indicated by an arrow.
  • a single cell comprising two groups is illustrated. It is understood that the description of this cell extends to all variants in number of cells, groups etc.
  • the fuel cell is described and illustrated for a ping-pong architecture comprising two groups of substantially identical cells.
  • the groups can also be distributed in different cells fluidically connected to each other.
  • the original idea implemented in the context of the development of the present invention consists in particular in triggering the opening of the purge member at the optimum moment, when the plug formed by the non-reactive products and gases passes in the immediate vicinity of the purge member.
  • the existence and movement of a plug have in fact been observed by means of numerical simulations in the context of the ping-pong power supply, whereas this operation could suggest a homogenization linked to mixing. Triggering the purge phase at the optimum moment makes it possible to limit the release of combustible gas.
  • the term "plug” means a volume of gas comprising a significant fraction of non-reactive species and/or reaction products accumulated and located or localizable in the fluid circuit. Such a plug does not mean that the fluid circuit is completely obstructed. The plug may, but is not obligatory, form a partial obstruction of the fluid circuit.
  • the plug is typically similar to a pocket of gas not participating in the reaction. It is mainly composed of nitrogen and water vapor, it can also contain other non-reactive species present in the air or resulting from parasitic reactions such as Argon or carbon dioxide.
  • FIG. 1 illustrates a fuel cell 1 having a typical ping-pong architecture.
  • the upstream part 3 typically comprises a stop valve 30 at the outlet of the tank 2, a main supply conduit 300 on which are successively mounted a first pressure reducer 31 and a second pressure reducer 32.
  • the first pressure reducer 31 makes it possible to reduce the pressure of the fluid coming from the tank 2 from a so-called high pressure of the order of a few hundred bars to a so-called average pressure of the order of a few tens of bars.
  • the second pressure reducer 32 makes it possible to reduce the pressure of the fluid coming from the first pressure reducer 31 from the medium pressure to a so-called low pressure of the order of a few bars.
  • the upstream part 3 of the fluid circuit also comprises a first supply line 100 connecting the main supply conduit 300 to the inlet 11 of the first group 10 of electrochemical cells, and a second supply line 200 connecting the main supply conduit 300 to the inlet 21 of the second group 20 of electrochemical cells.
  • the first and second supply lines 100, 200 each respectively comprise at least one switching member, typically a first switching valve 101v and a second switching valve 201v ensuring either the passage or the blocking of the fluid to each of the groups 10, 20.
  • Other supply configurations for example with injectors, are also possible.
  • the operating method described here focuses more particularly on the battery purge phase, regardless of the power supply configuration allowing a alternate supply of the different groups of the cell.
  • the downstream part 4 of the fluid circuit typically comprises a first discharge line 120 connecting the outlet 12 of the first group 10 of electrochemical cells to the main discharge duct 400, and a second discharge line 220 connecting the outlet 22 of the second group 20 of electrochemical cells to the main discharge duct 400.
  • the first and second discharge lines 120, 220 typically form an outlet collector of the cell 1.
  • FIG. 2 illustrates in a simplified manner certain elements of the fuel cell illustrated in FIG. 1.
  • the groups 10, 20 of electrochemical cells and the discharge lines 120, 220 of the fluid circuit are schematically aligned here along a single axis x. This makes it easier to visualize a position of the accumulated non-reactive products and gases along the x-axis, as a function of the alternating supply phases.
  • Point M here corresponds to the intersection of the discharge lines 120, 220 and the main discharge conduit 400. Point M is here located at an equal distance from the outlets 12, 22.
  • FIG. 3 illustrates alternating feeding cycles of the two groups 10, 20.
  • a feeding cycle here has a period T and comprises a first phase where only one of the groups is fed for a duration between t0 and t1, for example the first group 10, followed by a second phase where only the other of the groups is fed for a duration between t1 and t2, for example the second group 20.
  • the movement of the plug typically has periodic or pseudoperiodic oscillations in this case.
  • Other alternating feeding cycles are nevertheless possible.
  • FIGs 4A, 4B schematically illustrate an alternating feeding cycle of period T with a first feeding phase of duration T/2 and a second phase supply of duration T/2.
  • the period T is typically between 0.1 s and 10 s.
  • the period T i.e. the duration of an alternating supply cycle, is of the order of 1 s.
  • the half-period T/2 i.e. the duration of a supply phase
  • the half-period T/2 is between approximately 0.3 s and 0.5 s.
  • FIG. 4A schematically illustrates the first supply phase of the alternating supply cycle, at time t1, i.e. at the end of the first supply phase, just before switching to the second phase.
  • the switching valve 101v is open, the switching valve 201v is closed and the purge valve 40 is closed.
  • the feed fluid typically hydrogen in the anode compartment, is injected at the inlet 11 of the group 10. It is partly consumed while passing through the group 10, then circulates along the discharge conduits 120, 220 to enter the group 20 via the outlet 22 of the group 20. It is partly or totally consumed within the group 20.
  • reaction products typically water, possibly carbon dioxide
  • reaction products are generated within the groups 10, 20.
  • the majority of the reactions take place in the cathode compartment, but the reaction products are typically transported by diffusion or permeation to the anode compartment through the proton exchange membrane.
  • Other non-reactive species typically nitrogen, can also pass from the cathode compartment to the anode compartment by permeation through the proton exchange membrane.
  • These reaction products and these non-reactive species typically form a plug B, in which the hydrogen content is reduced, which here moves "along the x axis" due to the injection of hydrogen and the consumption of hydrogen.
  • Plug B is in fact both pushed by the injection of hydrogen into group 10 towards the end of group 20 which is not supplied, and pulled or sucked towards this end by depression, due to the disappearance of the reactive gases present in this zone.
  • This phenomenon of suction of the plug towards the second group linked to the consumption of reagents not compensated by an injection of reagent into the second group, plays a significant role in its movement.
  • the supply of reagent to the first group compensates for this consumption of reagent on the side of the plug corresponding to the injection.
  • the kinetics of movement of plug B is therefore linked to the supply of new reactive gases at the inlet of the supplied group and to the disappearance of the reactive gases in the zones where the reactions take place.
  • FIG. 4B schematically illustrates the second supply phase of the alternating supply cycle, at time t2, that is to say at the end of the second supply phase and just before a new switchover.
  • the switching valve 201v is open, the switching valve 101v is closed and the purge valve 40 is closed. Hydrogen is injected at the inlet 21 of the group 20.
  • the plug B moves under the influence of the injection and consumption of hydrogen.
  • the plug B is on the side of the inlet 11 of the group 10 which is not supplied, at a position P1 as illustrated in FIG. 4B.
  • the plug therefore oscillates between two positions P1, P2 located on the side of the inlets 11, 21 of the groups 10, 20. This oscillation occurs around an equilibrium position corresponding here substantially to the median position M of the midpoint.
  • the speed of movement of the plug B decreases in a substantially linear manner between the inlet of the group supplied with hydrogen and the inlet of the group that is not supplied.
  • the maximum speed of movement of plug B is obtained when it is located closest to the open feed valve, at the beginning of a feed phase, for example at t0, t1, t2 etc.
  • the speed of plug B is of the order of the arithmetic mean between the maximum speed and the minimum speed of the plug.
  • the oscillation frequency of plug B follows the frequency 1/T of the alternating feed cycles.
  • FIG. 5 schematically illustrates a purge phase according to one embodiment of the operating method.
  • the purge valve 40 is open.
  • the switching valves 101v, 201v are open here. This promotes the evacuation of the plug B by pushing symmetrically on each side at the inlets 11, 21.
  • the opening of the purge valve 40 is triggered when the plug B is substantially at the middle position M, as close as possible to the purge valve 40.
  • Such an optimized triggering advantageously makes it possible to minimize the opening time, since the plug is directly in the right place, i.e. at the evacuation.
  • the plug B then crosses the smallest active surface section before reaching the exhaust. This also makes it possible to minimize the loss of unreacted hydrogen, since the latter is essentially located in the groups 10, 20 and is not trapped between the plug B and the purge valve 40.
  • the opening time of the purge valve 40 is typically between 0.1 s and 10 s.
  • the movement of the plug to a substantially median position is carried out by applying a partial feeding phase, i.e.
  • the optimum triggering delay – for which the plug B is at the median position M – with respect to the last feeding phase can be determined from a model of the movement of the plug such as that described above. In particular, it appears that the plug B passes through the median position M in the middle of each feeding phase, at approximately T/4 after the start of a feeding phase.
  • the precision on the triggering delay is preferably of the order of 10 ms.
  • Figure 6 illustrates four delays d1, d25, d50, d75 corresponding respectively to a triggering at 1%, 25%, 50%, 75% of the duration of a feeding phase, i.e.
  • FIGS 7A to 7D illustrate the cell voltage V as a function of the operating phases C1, D1, E1, C2, E2, C3 of the cell, for the different triggering times d1, d25, d50, d75.
  • Phases C1, C2, C3 each correspond to operation of the cell during several alternating power supply cycles, typically around ten cycles in a row.
  • Phase D1 corresponds to an optional phase called "dead-end" during which all the groups of the cell are powered simultaneously and the purge valve is closed. The plug during this phase is forced to stabilize at its position in the fluid circuit.
  • the dead-end phase does not allow the plug to be brought outside the cell group, and therefore in particular into the evacuation lines. Indeed, the plug is pushed by the supply and pulled by the consumption. However, the latter does not exist in the evacuation line.
  • This optional phase is therefore preferably carried out at the end of the triggering delay. In this case, the purge valve remains closed and all the switching valves are open.
  • the triggering delay corresponds to the optimal position of the plug in the fluid circuit, near the purge valve, the dead-end phase can produce a synergistic effect with the synchronized triggering to improve and stabilize the positioning of the plug as close as possible to the purge valve.
  • Phase D1 can therefore be associated with purge phase E1, typically by being inserted between the triggering delay and the actual opening of the purge valve.
  • Phases E1, E2 correspond to purge phases during which the purge valve is open. When the purge valve opens, the switching valves can be opened, simultaneously or previously.
  • Phase E2 corresponds to a purge phase without prior dead-end.
  • the purge phase is thus advantageously shortened.
  • the performances of the battery are more constant.
  • the average voltage delivered is higher than in the case of a purge phase with dead-end.
  • the operating method according to the invention provides only purge phases without dead-end. Several trigger times of the purge phases are presented in FIGS.
  • FIG. 7A illustrates a triggering of D1 + E1 (purge phase with dead end) and E2 (purge phase without dead end) at 1% of a phase supply.
  • the voltage V drops at the start of the purge phase, typically when the plug is not yet brought close to the evacuation.
  • the hydrogen supply of the group of cells containing the plug is disadvantaged compared to the other group where the pressure drop is lower, which induces this drop in the voltage V delivered by the cells.
  • Figure 7B illustrates a triggering of D1 + E1 (purge phase with dead end) and E2 (purge phase without dead end) at 25% of a supply phase.
  • FIG. 7C illustrates a triggering of D1 + E1 (purge phase with dead end) and E2 (purge phase without dead end) at 50% of a supply phase.
  • the drop in voltage V is minimized or even eliminated, in particular when the triggering is not preceded by a dead-end.
  • the plug is in an ideal position as close as possible to the purge valve and the hydrogen participating in the reaction is not evacuated during the purge. It continues to participate in the reaction. This contributes to maintaining the voltage V delivered by the cells.
  • Figure 7D illustrates a triggering of D1 + E1 (purge phase with dead end) at 75% of a supply phase.
  • the drop in voltage V remains more moderate than in the case of triggering at 1% and 25%. This may be the consequence of a slight delay in the dynamics of the plug movement, for example due to species with greater movement inertia, such as liquid water for example.
  • the plug is associated with liquid water. This causes a greater pressure drop. The supply of the two groups is unbalanced. The effect of the plug on the voltage is accentuated.
  • the opening of the purge valve is triggered directly in the middle of a supply phase, without dead-end, after a delay corresponding to approximately 50% of the duration of the supply phase, i.e. at approximately T/4.
  • T/4 a delay corresponding to approximately 50% of the duration of the supply phase, i.e. at approximately T/4.
  • a certain tolerance with respect to T/4 remains acceptable for triggering the opening of the purge valve. This triggering can for example example be carried out after a delay of between 30% and 70% of the duration of the feeding phase.
  • ⁇ The set ⁇ ⁇ in which ⁇ ⁇ group(s) receive the supply fluid directly at the inlet
  • ⁇ The set ⁇ ⁇ in which ⁇ ⁇ group(s) receive the supply fluid having passed through the set ⁇ ⁇ , indirectly.
  • a collector connected to the purge member is in fluidic connection with all the cell groups, therefore with the two sets, regardless of their number of groups.
  • the ping-pong process is divided into successive supply phases of these two sets placed in fluidic series.
  • the flow in the stack is modeled here by a unidirectional flow along a dimensionless scale graduated between -1 and +1, position 0 corresponding to the optimal position with respect to the purge member.
  • the first set ⁇ ⁇ of cell groups is traversed in the interval [-10[, and the second set ⁇ ⁇ is traversed in the interval ]01].
  • ⁇ ⁇ is a source term corresponding to the consumption of hydrogen.
  • the source term is: With ⁇ ( ⁇ ) the active surface of the cell where the reaction takes place, ⁇ ( ⁇ ) the current density and F the Faraday constant. If the two sets ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ have a different number of cells, ⁇ ( ⁇ ) will take a different value depending on whether ⁇ is positive or negative.
  • ⁇ ⁇ ( ⁇ ) is a piecewise constant function, which is alternately -1 and +1.
  • the position as a function of time ⁇ ( ⁇ ) must first be defined for a molecule starting from ⁇ ⁇ .
  • ⁇ ⁇ the instant of hydrogen injection at the beginning of a feed phase of index ⁇ .
  • the starting point for the ⁇ + 1 phase is noted ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , with ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ the instant of opening of the hydrogen inlet for the phase this valve should have opened for the molecule to arrive at this location from the entrance.

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de fonctionnement d'une pile à combustible présentant une architecture « ping-pong », dans lequel deux groupes (10, 20) de cellules électrochimiques sont alimentés alternativement. Avantageusement, une phase de purge est effectuée de façon synchronisée avec un déplacement des fluides non réactifs accumulés sous forme d'un agrégat dit bouchon (B), lorsque ledit bouchon (B) se situe en partie au moins dans les lignes d'évacuation (120, 220) du circuit fluidique (4).

Description

« Procédé de fonctionnement d’une pile à combustible » DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne le domaine des piles à combustibles, en particulier les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (ou PEMFC pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell) comportant une alimentation alternée, dite « ping-pong ». Elle peut avantageusement être mise en œuvre pour optimiser les performances d’une PEFMC à architecture ping-pong. ETAT DE LA TECHNIQUE Une pile à combustible est formée d'un empilement de cellules électrochimiques « unitaires », comportant chacune une anode et une cathode séparées électriquement l'une de l'autre par un électrolyte. Dans le cas d'une pile à hydrogène, le combustible (l'hydrogène) est apporté au contact de l'anode, et le comburant (l'oxygène) est amené au contact de la cathode. Des réactions d’oxydation et de réduction ont respectivement lieu au niveau de l’anode et de la cathode, ce qui produit de l’électricité, de l’eau et de la chaleur. L’électrolyte peut se présenter sous forme d’une membrane laissant passer les protons issus de la réaction d’oxydation de l’hydrogène. C’est le cas des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). L'empilement de cellules n'est que le lieu de la réaction : les réactifs doivent y être apportés, les produits et les espèces non réactives doivent en être évacuées, tout comme la chaleur produite. Des circuits fluidiques anodique et cathodique généralement séparés permettent d’alimenter l’empilement de cellules respectivement en combustible et en comburant, et d’évacuer les produits issus de l’empilement. L’hydrogène alimentant le compartiment anodique peut être avantageusement réinjecté dans le compartiment anodique, par une pompe de recirculation sur le circuit fluidique, de manière à répartir les espèces non réactives à l’anode, typiquement l’eau produite par la réaction et l’azote provenant de la cathode à travers la membrane. Le circuit fluidique peut être plus complexe dans le cas d’architectures de pile particulières. Dans l’architecture dite « ping-pong » divulguée par le document brevet FR2975227, la pile est divisée en plusieurs groupes de cellules en liaison fluidique les uns avec les autres par leurs sorties respectives. Dans cette architecture connue illustrée à la figure 1, l’alimentation en entrée 11, 21 des différents groupes 10, 20 se fait alternativement lors de certaines phases de fonctionnement de la pile. Un premier groupe 10 est alimenté en entrée 11 par le fluide combustible (hydrogène) tandis que l’alimentation d’un deuxième groupe 20 est coupée en entrée 21. Le fluide combustible traverse le premier groupe, qui fonctionne alors de façon nominale, et sort humidifié et légèrement appauvri en sortie 12 du premier groupe 10. Ce fluide alimente ensuite le deuxième groupe 20 par la sortie 22 du deuxième groupe 20. Cette alimentation en direct du premier groupe et en sens inverse du deuxième groupe vise à brasser des poches de fluide fortement appauvri formées au sein des cellules du premier groupe, pour les dissiper en les mélangeant. Cela évite que des cellules du premier groupe fonctionnent de façon prolongée en présence d’un fluide stagnant fortement appauvri. Le deuxième groupe 20 est ensuite alimenté en entrée 21 par le fluide combustible tandis que l’alimentation du premier groupe 10 est coupée en entrée 11. Le fluide combustible traverse le deuxième groupe, qui fonctionne alors de façon nominale, et sort humidifié et légèrement appauvri en sortie 22 du deuxième groupe 20. Ce fluide alimente ensuite le premier groupe 10 par la sortie 12 du premier groupe 10. Cette alimentation en direct du deuxième groupe et en sens inverse du premier groupe permet également de dissiper des poches de fluide fortement appauvri formées au sein des cellules du deuxième groupe lors du cycle précédent, en les brassant. Cela évite que des cellules du deuxième groupe fonctionnent de façon prolongée en présence d’un fluide stagnant fortement appauvri. Le principe de cette architecture ping-pong consiste à alimenter alternativement les différents groupes de cellules de façon à alterner des phases de fonctionnement nominal avec des phases d’alimentation en sens inverse pour chacun des groupes. Après quelques cycles d’alimentation alternée, les groupes 10, 20 sont alimentés simultanément et une vanne de purge 40 commune aux différents groupes est ouverte de façon à évacuer les produits et gaz non réactifs accumulés, en particulier l’eau et l’azote. En fonctionnement à courant constant (imposé), une baisse de tension est généralement observée lors de la purge de ces produits et gaz non réactifs accumulés. Un objet de la présente invention est de proposer un procédé de fonctionnement d’une pile à combustible à architecture ping-pong, améliorant les performances de la pile à combustible, et limitant notamment la chute de tension ou de puissance lors de la purge. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RESUME DE L’INVENTION Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un procédé de fonctionnement d’une pile à combustible, ladite pile à combustible comprenant une pluralité de groupes de cellules électrochimiques reliés entre eux par un circuit fluidique, ledit circuit fluidique comprenant, pour chaque groupe, une ligne d’alimentation en entrée dudit groupe, et un organe de commutation sur ladite ligne d’alimentation, et, une ligne d’évacuation en sortie dudit groupe, ledit circuit fluidique étant configuré de sorte que les lignes d’évacuation communiquent fluidiquement entre elles et sont reliées à un organe de purge commun. Le procédé de fonctionnement comprend au moins : ^ Un cycle d’alimentations alternées comprenant au moins : i. Une première phase d’alimentation dans laquelle un premier groupe parmi la pluralité de groupes est alimenté directement en fluide d’alimentation, au niveau de son entrée, l’organe de commutation dudit premier groupe étant passant tandis que les organes de commutation des autres groupes de la pluralité de groupes sont bloqués, lesdits autres groupes étant alimentés indirectement, lors de cette première phase d’alimentation, au niveau de leurs sorties respectives, par le fluide d’alimentation issu de la sortie du premier groupe, ii. Une deuxième phase d’alimentation dans laquelle un deuxième groupe différent du premier groupe est alimenté directement en fluide d’alimentation, au niveau de son entrée, l’organe de commutation dudit deuxième groupe étant passant tandis que les organes de commutation des autres groupes de la pluralité de groupes sont bloqués, lesdits autres groupes étant alimentés indirectement, lors de cette deuxième phase d’alimentation, au niveau de leurs sorties respectives, par le fluide d’alimentation issu de la sortie du deuxième groupe, ^ Une phase de purge succédant au cycle d’alimentations alternées, ladite phase de purge comprenant une ouverture de l’organe de purge de façon à évacuer des fluides non réactifs issus au moins en partie du fluide d’alimentation. Avantageusement, la phase de purge est déclenchée de façon synchronisée avec un déplacement des fluides non réactifs accumulés sous forme d’un agrégat dit bouchon, lorsque ledit bouchon se situe en partie au moins dans les lignes d’évacuation. Ainsi synchronisée, la phase de purge d’une pile à combustible à architecture ping-pong est déclenchée au moment optimal vis-à-vis du cycle d’alimentations alternées. Un principe du procédé selon la présente invention consiste à déclencher l’ouverture de l’organe de purge de façon contrôlée, en déterminant le moment optimal pour déclencher cette ouverture, et de préférence la durée de cette ouverture. En particulier, le déclenchement de la phase de purge se fait pendant une phase d’alimentation ^ du cycle d’alimentations alternées et avant la fin de la phase d’alimentation ^. Cette approche est fondamentalement différente de l’approche enseignée dans le document brevet FR2975227, qui se contente de purger les groupes de la pile au bout de quelques cycles d’alimentation, au cours d’une phase de « dead end » où les deux groupes sont d’abord alimentés simultanément afin de repousser les espèces non- réactives à proximité de la sortie des deux groupes respectifs, avant ouverture de l’organe de purge. Cette phase de dead end est effectuée immédiatement à la fin d’une phase d’alimentation de durée standard d’un des groupes. Cela provoque une chute de la tension délivrée par la pile et une baisse des performances lors de la phase de purge. Cela conduit à augmenter la fréquence de purge, dans le but de limiter la chute de tension. De ce fait, la perte d’hydrogène dans les purges, et donc la consommation d’hydrogène par le système, sont augmentées. Au contraire, le procédé selon la présente invention est basé sur une meilleure compréhension des mécanismes réactionnels et fluidiques se produisant au sein de la pile. Dans le cadre du développement de la présente invention, il a été identifié que les produits et gaz non réactifs s’accumulent de façon localisée dans le circuit fluidique, sous forme d’un agrégat appelé bouchon. Ce bouchon se déplace en fonction des injections de fluide d’alimentation alternativement dans chacun des groupes de la pile. Ce déplacement provoque un brassage limité du mélange gazeux, induisant seulement un étalement du bouchon, sans parvenir à une véritable dilution des espèces non-réactives dans le flux d’espèce réactive. Dans le cadre du développement de la présente invention, il a été observé que la phase de dead-end succédant à la fin d’une phase d’alimentation d’un groupe, comme divulgué par le document FR2975227, ne permet pas de déplacer le bouchon en dehors du groupe de cellule. Selon ce procédé connu, le bouchon ne peut pas se situer dans les lignes d’évacuation. En effet, il a été identifié que le bouchon est poussé par l’alimentation et tiré par la consommation de réactifs. Cette dernière n’existant pas dans les lignes d’évacuation, la phase de dead end stabilise la position du bouchon là où il se trouve à la fin de la phase d’alimentation, sans pour autant le déplacer dans les lignes d’évacuation. Or il a été déterminé que le bouchon ne se trouve pas dans les lignes d’évacuation à la fin de la phase d’alimentation. Il est donc nécessaire de synchroniser le déclenchement de la phase de purge avec le déplacement du bouchon, lorsque celui-ci se trouve dans les lignes d’évacuation. Selon l’invention, le déclenchement de la phase de purge est effectué avant la fin de la phase d’alimentation qui précède la phase de purge. Par comparaison, la mise en œuvre du procédé de fonctionnement selon la présente invention permet de diminuer significativement la fréquence de purge. Cela peut permettre de réduire jusqu’à environ 60% la quantité d’hydrogène rejetée lors de la phase de purge, tout en obtenant une tension délivrée par la pile sensiblement constante. Il a également été observé que le bouchon a tendance à osciller autour d’une position d’équilibre dans le circuit fluidique. A titre d’exemple, lorsque la pile comporte deux groupes identiques reliés par des lignes d’évacuation symétriques, cette position d’équilibre se trouve typiquement au point milieu entre les sorties des groupes, à égale distance des sorties. Selon une possibilité préférée, l’organe de purge se trouve au niveau de cette position d’équilibre. A cette position d’équilibre, le bouchon présente une vitesse de déplacement sensiblement constante quelle que soit son sens de déplacement. Le déclenchement de l’ouverture de l’organe de purge est alors facilité, quel que soit le cycle d’alimentation qui précède ce déclenchement. Du fait de l’inertie de déplacement du bouchon, le bouchon passe par sa position d’équilibre avec un délai après avoir ouvert l’un des organes de commutation. Un objet de l’invention consiste notamment à déterminer ce délai de façon à ouvrir l’organe de purge au moment où le bouchon passe par sa position d’équilibre, au plus près de l’organe de purge. Cela permet de minimiser la perte en combustible non consommé. Cela permet de réduire le temps d’ouverture de l’organe de purge. La stabilité des performances de la pile à combustible est améliorée. Par ailleurs, en déclenchant l’ouverture de l’organe de purge au moment où le bouchon passe à proximité immédiate, il a été observé que la tension délivrée par la pile, à courant constant et à pression d’hydrogène constante, ne variait pratiquement pas. Une bonne synchronisation de l’ouverture de l’organe de purge avec le déplacement du bouchon permet ainsi avantageusement d’éviter une chute de la tension délivrée par la pile. Avec une tension globale de la pile à combustible plus élevée pendant cette phase de purge et un taux d’hydrogène rejeté plus faible, le rendement global de la pile à combustible et sa stabilité sont améliorés. Par conséquent et de façon avantageuse, le procédé de fonctionnement d’une pile à combustible présentant une architecture ping-pong selon la présente invention permet notamment, en optimisant le moment de purge, de réduire la consommation de fluide combustible et d’améliorer les performances électriques de cette pile à combustible. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La figure 1 représente une pile à combustible présentant une architecture ping-pong selon l’art antérieur. La figure 2 représente un schéma simplifié d’une pile à combustible présentant une architecture ping-pong, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 3 représente des cycles d’alimentations alternées en entrées des groupes de la pile, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 4A représente le déplacement du bouchon de produits et gaz non réactifs lors d’une première phase d’alimentation de la pile à combustible, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 4B représente le déplacement du bouchon de produits et gaz non réactifs lors d’une deuxième phase d’alimentation de la pile à combustible, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 5 représente une phase de purge lorsque le bouchon est à une position d’équilibre à proximité de l’organe de purge, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 6 représente des cycles d’alimentations alternées en entrées des groupes de la pile, avec différents moments de purge, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 7A représente la tension délivrée par la pile à combustible lors de son fonctionnement, en réalisant des purges périodiques selon un premier moment de purge, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 7B représente la tension délivrée par la pile à combustible lors de son fonctionnement, en réalisant des purges périodiques selon un deuxième moment de purge, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 7C représente la tension délivrée par la pile à combustible lors de son fonctionnement, en réalisant des purges périodiques selon un troisième moment de purge, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 7D représente la tension délivrée par la pile à combustible lors de son fonctionnement, en réalisant des purges périodiques selon un quatrième moment de purge, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 8 représente une simulation de la concentration d’azote au niveau de l’organe de purge vis-à-vis des phases d’alimentations alternées, selon un mode de réalisation de la présente invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les différents organes et les différentes parties du circuit fluidique sont illustrés par des schémas qui ne sont pas représentatifs de la réalité. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement : Selon un exemple, le cycle d’alimentations alternées présente une période T et la phase de purge est déclenchée pendant une phase d’alimentation ^ et avant la fin de la phase d’alimentation ^, au bout d’un délai ^ ^ ^ après le début de la phase d’alimentation ^ tel que : 1 1 + exp(^^) ^ ^ ^ ≥ 0,8. ln ^ 2 avec ^ = ^/2 la demi-période, et Avec ^ la surface active de la pile, ^ la densité de courant et ℱ la constante de Faraday, ^ la constante des gaz parfaits, ^ la température de la pile, ^ le volume traversé par le fluide dans la pile, ^ la pression du fluide dans la pile et ^^^^ la pression de vapeur saturante à la température de la pile. Le bouchon comprend typiquement de l’azote et de la vapeur d’eau en plus de l’hydrogène qui se trouve en concentration réduite. Selon un exemple, le cycle d’alimentations alternées présente une période T et la phase de purge est déclenchée pendant une phase d’alimentation ^ et avant la fin de la phase d’alimentation ^, au bout d’un délai ^ ^ compris e ^ ^ ntre 0,2. T/2 ≤ ^^ ≤ 0,7. T/2. Selon un exemple, le cycle d’alimentations alternées présente une période T et la phase de purge est déclenchée pendant une phase d’alimentation ^ et avant la fin de la phase d’alimentation ^ , au bout d’un délai ^ ^ ^ = T/4. En pratique, de l’eau liquide se trouve également dans le circuit fluidique. Cette eau liquide peut affecter la dynamique de déplacement du bouchon. Un délai sensiblement égal à T/4 permet de prendre en compte un retard dans le déplacement du bouchon dû à l’eau liquide, et/ou d’évacuer cette eau liquide. Selon un exemple, la phase de purge comprend un délai de « dead end » et l’ouverture de l’organe de purge est effectuée après le délai de dead end. Selon un exemple alternatif, la phase de purge ne comprend pas de délai de « dead end » et l’ouverture de l’organe de purge est effectuée au déclenchement de la phase de purge. Selon un exemple, la pile comprend seulement deux groupes, les sorties de ces deux groupes sont situées à égale distance de l’organe de purge, et les première et deuxième phases d’alimentation du cycle d’alimentations alternées présentent une même durée T/2. Cette construction « symétrique » de la pile et du cycle d’alimentations alternées permet de mieux contrôler les oscillations du bouchon dans le circuit fluidique. Cela facilite la détermination du moment optimal pour le déclenchement de l’ouverture de l’organe de purge. Selon un exemple, la phase de purge comprend, avant ou lors de l’ouverture de l’organe de purge, une alimentation en entrée de tous les groupes, chaque organe de commutation étant passant. Selon un exemple, l’ouverture de l’organe de purge est effectuée après l’alimentation en entrée de tous les groupes, après un délai dit « dead-end ». Cela permet de stabiliser le bouchon à sa position d’équilibre. Si le déclenchement de la phase de purge est effectué au bon moment, tel que déterminé par l’invention, la phase de dead-end fige le déplacement du bouchon entre les groupes, dans les lignes d’évacuation. Selon un exemple, l’alimentation en entrée de tous les groupes est effectuée simultanément à l’ouverture de l’organe de purge. Selon un exemple, la phase de purge ne comprend pas d’alimentation en entrée de tous les groupes avant l’ouverture de l’organe de purge. L’ouverture de l’organe de purge succède ainsi directement à une phase d’alimentation partielle d’un groupe. Cela permet de raccourcir la phase de purge. Les performances de la pile sont améliorées ou plus constantes. Selon un exemple, un courant électrique constant est imposé à la pile à combustible. Selon un exemple, le fluide d’alimentation injecté lors du cycle d’alimentations alternées présente une pression constante. Selon un exemple, l’ouverture de l’organe de purge est déclenchée lorsque au moins 70%, et de préférence au moins 80%, de la longueur LB du bouchon se situe dans les lignes d’évacuation, la longueur LB du bouchon étant mesurée selon la direction dans laquelle s’étend la ligne d’évacuation au point considéré. Selon un exemple, l’ouverture de l’organe de purge est déclenchée lorsque le bouchon est entièrement situé dans les lignes d’évacuation. L’évacuation du bouchon est optimisée. La quantité rejetée de fluide d’alimentation non consommé est diminuée. Selon un exemple, l’ouverture de l’organe de purge est déclenchée lorsque le bouchon occupe entièrement les lignes d’évacuation. Le bouchon peut éventuellement déborder dans les zones actives de la pile. Selon un exemple, l’ouverture de l’organe de purge est maintenue de sorte qu’une partie au moins du bouchon soit évacuée hors du circuit fluidique en passant par l’organe de purge, de préférence au moins 70%, de préférence entièrement. La durée d’ouverture de l’organe de purge est typiquement déterminée en fonction du volume du bouchon ou de la quantité de produits et de gaz non réactifs à évacuer. La durée d’ouverture de l’organe de purge est minimisée lorsque le bouchon se trouve au niveau de l’organe de purge ou au plus près de l’organe de purge. La quantité rejetée de fluide d’alimentation non consommé est diminuée. La chute de tension est limitée ou supprimée. Les performances de la pile sont optimisées. Selon un exemple, la pile à combustible comprend : ^ un premier groupe de cellules électrochimiques présentant une première entrée et une première sortie, ^ un deuxième groupe de cellules électrochimiques présentant une deuxième entrée et une deuxième sortie, ^ un circuit fluidique destiné à alimenter par un fluide lesdits premier et deuxième groupes, et à évacuer ledit fluide desdits premier et deuxième groupes. Le circuit fluidique comprend typiquement une partie dite amont comprenant : ^ un conduit d’alimentation principal configuré pour être relié à un réservoir stockant le fluide à une pression P1, dite haute pression, ^ une première ligne d’alimentation reliée au conduit d’alimentation principal et reliée à la première entrée du premier groupe, ^ une deuxième ligne d’alimentation reliée au conduit d’alimentation principal et reliée à la deuxième entrée du deuxième groupe. Le circuit fluidique comprend typiquement une partie dite avale comprenant : ^ une première ligne d’évacuation reliée à la première sortie du premier groupe, ^ une deuxième ligne d’évacuation reliée à la deuxième sortie du deuxième groupe, ^ lesdites première et deuxième lignes d’évacuation étant reliées entre elles, de manière à permettre une alimentation en fluide du premier groupe via la première sortie, par le fluide ayant traversé le deuxième groupe, et inversement de manière à permettre une alimentation en fluide du deuxième groupe via la deuxième sortie, par le fluide ayant traversé le premier groupe, ^ un conduit d’évacuation principal relié aux première et deuxième lignes d’évacuation, et configuré pour être relié à un échappement. La pile comprend typiquement en outre : ^ au moins un organe de détente situé dans la partie amont du circuit fluidique, configuré pour diminuer la pression du fluide issu du réservoir, depuis la haute pression vers une basse pression, ^ un premier organe de commutation sur la première ligne d’alimentation, configuré pour autoriser ou bloquer un écoulement du fluide vers la première entrée, ^ un deuxième organe de commutation sur la deuxième ligne d’alimentation, configuré pour autoriser ou bloquer un écoulement du fluide vers la deuxième entrée, ^ un organe de purge sur le conduit d’évacuation principal, configuré pour autoriser ou bloquer un écoulement du fluide vers l’échappement. Selon un exemple, l’au moins un organe de détente comprend un premier organe de détente configuré pour diminuer la pression du fluide issu du réservoir, depuis la haute pression vers une moyenne pression, et un deuxième organe de détente configuré pour diminuer la pression du fluide depuis la moyenne pression vers une basse pression. Sauf incompatibilité, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d’autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif. En particulier, des éléments décrits ou illustrés pour certains modes de réalisation de la pile et de son procédé de fonctionnement peuvent être combinés de manière à former un autre mode de réalisation qui n’est pas nécessairement illustré ou décrit. Un tel mode de réalisation n’est évidemment pas exclu de l’invention. Une pile à combustible selon la présente invention comprend au moins deux groupes de cellules électrochimiques. L’homme du métier n’aura aucune difficulté à mettre en œuvre un mode de réalisation comprenant plus de deux groupes de cellules électrochimiques. Dans le cadre de la présente invention, on entend par « système de pile à combustible à architecture ping-pong » un système comprenant au moins deux groupes de cellules électrochimiques réparties dans un ou plusieurs empilements. Chaque groupe est ainsi constitué d’une série de cellules électrochimiques interconnectées électriquement et fluidiquement. Les cellules se présentent typiquement sous forme d’un assemblage membrane-électrode couramment désigné AME. La pile comprend ici au moins deux cellules empilées, et de préférence au moins dix. Le système de pile à architecture ping-pong présente typiquement différentes phases de fonctionnement, en particulier, une première phase pendant laquelle un premier groupe est alimenté directement en entrée du premier groupe, le deuxième groupe étant alimenté uniquement en sortie du deuxième groupe par le gaz sortant du premier groupe, une deuxième phase pendant laquelle le deuxième groupe est alimenté directement en entrée du deuxième groupe, le premier groupe étant alimenté uniquement en sortie du premier groupe par le gaz sortant du deuxième groupe, et une phase de purge. La phase de purge comprend éventuellement une troisième phase d’alimentation simultanée des premier et deuxième groupes en entrée des premier et deuxième groupes, et une ouverture de l’organe de purge. Les première et deuxième phases sont effectuées en alternance et sont typiquement de durées égales, aux changements de régimes près de la pile. La phase de purge succède aux première et deuxième phases. Un principe de l’invention consiste à déclencher la phase de purge après une phase d’alimentation partielle, c’est-à-dire une phase d’alimentation raccourcie, de façon à ce que le bouchon soit situé au bon endroit pour ouvrir l’organe de purge. Ainsi la phase d’alimentation qui précède la phase de purge présente une durée inférieure à la durée de chaque première et deuxième phase d’un cycle d’alimentation alternée. La détermination de cette durée inférieure est un objet de la présente invention. Les termes « haute pression », « moyenne pression » et « basse pression » sont parfaitement clairs pour l’homme du métier. Une haute pression est strictement supérieure à une moyenne pression. Une moyenne pression est strictement supérieure à une basse pression. Une haute pression est généralement supérieure à 50 bars, voire supérieure à 100 bars. Une haute pression peut atteindre jusqu’à 700 bars, voire plus en fonction des conditions. Une pression moyenne est généralement comprise entre 5 et 40 bars, typiquement entre 5 et 20 bars. Une basse pression est généralement inférieure à 4 bars. Dans le cadre de la présente invention, une entrée ou une sortie d’un groupe de la pile, présentent typiquement chacune un aspect structurel et un aspect fonctionnel. Ainsi structurellement, l’entrée et la sortie correspondent à des premier et deuxième orifices de passage pour le fluide combustible. Fonctionnellement, l’entrée et la sortie désignent respectivement l’admission et l’évacuation du fluide combustible. Dans la mesure où le sens de circulation du fluide au sein du groupe est inversé alternativement, l’entrée et la sortie peuvent être fonctionnellement interverties. Ainsi, le premier orifice de passage peut former l’entrée ou la sortie fonctionnellement, et inversement, le deuxième orifice de passage peut former la sortie ou l’entrée fonctionnellement. Pour faciliter la compréhension vis-à-vis de la circulation du fluide dans les cellules de la pile, nous conservons uniquement les termes entrée/sortie et leurs références correspondantes sur les dessins d’accompagnement, respectivement X1 (X= 1…2) pour l’entrée et X2 (X= 1…2) pour la sortie, indépendamment de leur affectation fonctionnelle. Dans le cadre de la présente invention, les sorties des groupes sont en communication fluidique entre elles, via les lignes d’évacuation propres à chacun des groupes. Chaque ligne d’évacuation s’étend entre la sortie du groupe considéré et un conduit d’évacuation principal commun. Chaque ligne d’évacuation peut emprunter des sections d’autres lignes, par exemple d’autres lignes d’évacuation. Ainsi, des sections d’une ligne d’évacuation donnée peuvent être communes avec des sections d’autres lignes d’évacuation. Des points de piquage ou des embranchements peuvent être physiquement présents le long de la ou des lignes d’évacuation. Des organes peuvent également être présents le long de ces lignes d’évacuation, par exemple des organes de régulation. L’ensemble des lignes d’évacuation peut former un collecteur de sortie de la pile relié au conduit d’évacuation principal de la pile. L’organe de purge se trouve typiquement sur le conduit d’évacuation principal de la pile, de préférence à proximité d’une intersection des lignes d’évacuation. Le fonctionnement de la pile selon l’invention est basé sur une succession de phases d’alimentation et d’évacuation différentes entre elles. Sauf mention explicite, les termes « succession » ou « successif » n’implique pas nécessairement, même si cela est généralement préféré, que les phases se suivent immédiatement, des phases ou des étapes intermédiaires pouvant les séparer. Sur les figures annexées, un sens de circulation du fluide dans le circuit fluidique est indiqué par une flèche. Sur les figures annexées, par souci de clarté, une seule pile comprenant deux groupes est illustrée. Il est entendu que la description de cette pile s’étend à toutes les variantes en nombre de piles, de groupes etc. Dans les exemples qui suivent, la pile à combustible est décrite et illustrée pour une architecture ping-pong comprenant deux groupes de cellules sensiblement identiques. Il est néanmoins parfaitement envisageable de mettre en œuvre plus de deux groupes et/ou des groupes dimensionnés différemment, sans se départir du principe général de purge synchronisée explicité ci-après. Les groupes peuvent également être répartis dans différentes piles reliées fluidiquement entre elles. L’idée originale mise en œuvre dans le cadre du développement de la présente invention consiste notamment à déclencher l’ouverture de l’organe de purge au moment optimal, lorsque le bouchon formé par les produits et gaz non réactifs passe à proximité immédiate de l’organe de purge. L’existence et le déplacement d’un bouchon ont en effet été observés par le biais de simulations numériques dans le contexte de l’alimentation ping- pong, alors que ce fonctionnement pouvait laisser supposer une homogénéisation liée au brassage. Le déclenchement de la phase de purge au moment optimal permet de limiter le rejet de gaz combustible. Cela permet de réduire le temps d’ouverture de l’organe de purge. Cela permet de stabiliser la tension délivrée par pile. Les performances de la pile sont ainsi globalement améliorées, notamment en termes de consommation et de puissance fournie. On entend par « bouchon » un volume de gaz comprenant une fraction importante d’espèces non réactives et/ou de produits de réaction accumulés et localisés ou localisables dans le circuit fluidique. Un tel bouchon ne signifie pas que le circuit fluidique est complètement obstrué. Le bouchon peut, sans que cela soit obligatoire, former une obstruction partielle du circuit fluidique. Le bouchon s’apparente typiquement à une poche de gaz ne participant pas à la réaction. Elle est principalement constituée d’azote et d’eau vapeur, elle peut contenir également d’autres espèces non réactives présentes dans l’air ou issues de réactions parasites telles que l’Argon ou le dioxyde de carbone. Cette poche de gaz devient gênante pour la réaction et constitue le bouchon lorsque la proportion de dihydrogène du mélange gazeux descend en dessous de 70% (hors humidité).La formation du bouchon et ses déplacements peuvent être mis en évidence par simulation numérique. Dans la suite, le procédé de fonctionnement est mis en œuvre et décrit pour le compartiment anodique d’une pile à hydrogène, c’est-à-dire pour le circuit fluidique alimentant les cellules du côté de l'anode par de l'hydrogène (combustible). Le procédé peut également être mis en œuvre dans le compartiment cathodique alimenté en comburant, c’est-à-dire pour le circuit fluidique alimentant les cellules du côté de la cathode, typiquement lorsque le comburant est constitué en majeure partie d'oxygène (teneur en oxygène par exemple supérieure à 50% dans le gaz sec). Comme mentionnée plus haut, la figure 1 illustre une pile à combustible 1 présentant une architecture ping-pong typique. Elle est reliée à un réservoir d’hydrogène haute pression 2 et comprend un circuit fluidique composé d’une partie 3 en amont des groupes 10, 20 de cellules électrochimiques, et d’une partie 4 en aval des groupes 10, 20 de cellules électrochimiques. Les groupes 10, 20 peuvent être imbriqués dans un seul et même empilement, avec une alternance de cellules du premier groupe et du deuxième groupe, comme décrit dans le document brevet FR2975227. La partie 3 amont comprend typiquement une vanne d’arrêt 30 en sortie du réservoir 2, un conduit d’alimentation principal 300 sur lequel sont montés successivement un premier détendeur 31 et un deuxième détendeur 32. Le premier détendeur 31 permet de diminuer la pression du fluide issu du réservoir 2 depuis une pression dite haute de l’ordre de quelques centaines de bars vers une pression dite moyenne de l’ordre de quelques dizaines de bars. Le deuxième détendeur 32 permet de diminuer la pression du fluide issu du premier détendeur 31 depuis la moyenne pression vers une pression dite basse de l’ordre de quelques bars. La partie 3 amont du circuit fluidique comprend également une première ligne d’alimentation 100 reliant le conduit d’alimentation principal 300 à l’entrée 11 du premier groupe 10 de cellules électrochimiques, et une deuxième ligne d’alimentation 200 reliant le conduit d’alimentation principal 300 à l’entrée 21 du deuxième groupe 20 de cellules électrochimiques. Les première et deuxième lignes d’alimentation 100, 200 comprennent respectivement chacune au moins un organe de commutation, typiquement une première vanne de commutation 101v et une deuxième vanne de commutation 201v assurant soit le passage, soit le blocage du fluide vers chacun des groupes 10, 20. D’autres configurations d’alimentation, par exemple avec des injecteurs, sont également possibles. Le procédé de fonctionnement décrit ici s’attache plus particulièrement à la phase de purge de la pile, quelle que soit la configuration d’alimentation permettant une alimentation alternée des différents groupes de la pile. La partie 4 avale du circuit fluidique comprend typiquement une première ligne d’évacuation 120 reliant la sortie 12 du premier groupe 10 de cellules électrochimiques au conduit d’évacuation principal 400, et une deuxième ligne d’évacuation 220 reliant la sortie 22 du deuxième groupe 20 de cellules électrochimiques au conduit d’évacuation principal 400. Les première et deuxième lignes d’évacuation 120, 220 forment typiquement un collecteur de sortie de la pile 1. Le conduit d’évacuation principal 400 est relié à un échappement 41, et est pourvu d’une vanne de purge 40. La figure 2 illustre de façon simplifiée certains éléments de la pile à combustible illustrée à la figure 1. En particulier, les groupes 10, 20 de cellules électrochimiques et les lignes d’évacuation 120, 220 du circuit fluidique sont schématiquement alignés ici selon un seul axe x. Cela permet de visualiser plus facilement une position des produits et des gaz non réactifs accumulés le long de l’axe x, en fonction des phases d’alimentation alternée. Le point M correspond ici à l’intersection des lignes d’évacuation 120, 220 et du conduit d’évacuation principal 400. Le point M est ici situé à égale distance des sorties 12, 22. La pile présente ici une symétrie de construction qui facilite la compréhension des mécanismes de déplacement du « bouchon » de produits et gaz non réactifs dans les groupes 10, 20 et dans les lignes d’évacuation 120, 220. Même si cette symétrie de construction est préférée en pratique, d’autres dimensionnements de pile sont possibles, par exemple avec des lignes d’évacuation de longueurs différentes reliées à des groupes de tailles différentes. L’homme du métier saura ajuster ce dimensionnement en fonction de ses besoins. La figure 3 illustre des cycles d’alimentation alternée des deux groupes 10, 20. Un cycle d’alimentation présente ici une période T et comprend une première phase où l’un des groupes uniquement est alimenté pendant une durée comprise entre t0 et t1, par exemple le premier groupe 10, suivie d’une deuxième phase où l’autre des groupes uniquement est alimenté pendant une durée comprise entre t1 et t2, par exemple le deuxième groupe 20. Selon une possibilité, en particulier lorsque les groupes 10, 20 sont dimensionnés de la même manière, la durée de la première phase est égale à la durée de la deuxième phase t1 – t0 = t2 – t1 = T/2. Cela simplifie la dynamique de déplacement du bouchon au sein des groupes. Le déplacement du bouchon présente typiquement dans ce cas des oscillations périodiques ou pseudopériodiques. D’autres cycles d’alimentation alternée sont néanmoins possibles. Les figures 4A, 4B illustrent schématiquement un cycle d’alimentation alternée de période T avec une première phase d’alimentation de durée T/2 et une deuxième phase d’alimentation de durée T/2. La période T est typiquement comprise entre 0,1 s et 10 s. Selon un exemple, la période T, c’est-à-dire la durée d’un cycle d’alimentation alternée, est de l’ordre de 1 s. Selon un exemple, la demi-période T/2, c’est-à-dire la durée d’une phase d’alimentation, est comprise entre 0,3 s et 0,5 s environ. La figure 4A illustre schématiquement la première phase d’alimentation du cycle d’alimentation alternée, à l’instant t1, c’est-à-dire à la fin de la première phase d’alimentation, juste avant le basculement vers la seconde phase. La vanne de commutation 101v est ouverte, la vanne de commutation 201v est fermée et la vanne de purge 40 est fermée. Le fluide d’alimentation, typiquement l’hydrogène dans le compartiment anodique, est injecté en entrée 11 du groupe 10. Il est en partie consommé en traversant le groupe 10, puis circule le long des conduits d’évacuation 120, 220 pour entrer dans le groupe 20 par la sortie 22 du groupe 20. Il est en partie ou totalement consommé au sein du groupe 20. Lors de la réaction de l’hydrogène du compartiment anodique avec l’oxygène du compartiment cathodique, des produits de réaction, typiquement de l’eau, éventuellement du dioxyde de carbone, sont générés au sein des groupes 10, 20. La majorité des réactions a lieu dans le compartiment cathodique, mais les produits de réaction sont typiquement transportés par diffusion ou perméation vers le compartiment anodique au travers de la membrane échangeuse de protons. D’autres espèces non réactives, typiquement l’azote, peuvent également passer depuis le compartiment cathodique jusqu’au compartiment anodique par perméation au travers de la membrane échangeuse de protons. Ces produits de réaction et ces espèces non réactives forment typiquement un bouchon B, dans lequel la teneur en hydrogène est réduite, qui se déplace ici « le long de l’axe x » du fait de l’injection d’hydrogène et de la consommation d’hydrogène. Le bouchon B est en effet à la fois poussé par l’injection d’hydrogène dans le groupe 10 vers l’extrémité du groupe 20 qui n’est pas alimenté, et tiré ou aspiré vers cette extrémité par dépression, du fait de la disparition des gaz réactifs présent dans cette zone. Ce phénomène d’aspiration du bouchon vers le second groupe, lié à la consommation de réactifs non-compensée par une injection de réactif dans le second groupe, intervient de façon significative dans son déplacement. A contrario, l’alimentation en réactif du premier groupe compense cette consommation de réactif du côté du bouchon correspondant à l’injection. La cinétique de déplacement du bouchon B est donc liée à l’apport de gaz réactifs neufs à l’entrée du groupe alimenté et à la disparition des gaz réactifs dans les zones où ont lieu les réactions. Cette cinétique de déplacement est donc directement proportionnelle au courant imposé à la pile à combustible, qui contrôle la cinétique de réaction. A l’instant t1, à la fin de la première phase d’alimentation, le bouchon B se trouve du côté de l’entrée 21 du groupe 20 qui n’est pas alimenté, à une position P2 comme illustré à la figure 4A. La figure 4B illustre schématiquement la deuxième phase d’alimentation du cycle d’alimentation alternée, à l’instant t2, c’est-à-dire à la fin de la deuxième phase d’alimentation et juste avant un nouveau basculement. La vanne de commutation 201v est ouverte, la vanne de commutation 101v est fermée et la vanne de purge 40 est fermée. L’hydrogène est injecté en entrée 21 du groupe 20. Il est en partie consommé en traversant le groupe 20, puis circule le long des conduits d’évacuation 220, 120 pour entrer dans le groupe 10 par la sortie 12 du groupe 10. Il est en partie ou totalement consommé au sein du groupe 10. Comme précédemment, le bouchon B se déplace sous l’influence de l’injection et de la consommation d’hydrogène. A l’instant t2, à la fin de la deuxième phase d’alimentation, le bouchon B se trouve du côté de l’entrée 11 du groupe 10 qui n’est pas alimenté, à une position P1 comme illustré à la figure 4B. Lors des cycles d’alimentation alternée, le bouchon oscille donc entre deux positions P1, P2 situées du côté des entrées 11, 21 des groupes 10, 20. Cette oscillation se produit autour d’une position d’équilibre correspondant ici sensiblement à la position médiane M du point milieu. C’est cette dynamique d’oscillation particulière qui favorise le regroupement des produits et espèces non réactives en un agglomérat en mouvement qui est appelé ici le bouchon. En effet, une particule de gaz non-réactive sera aspirée/déplacée vers le côté opposé à l’injection d’autant plus vite qu’elle est éloignée de celui-ci du fait qu’il existe une surface réactive importante entre la particule et cette extrémité. De façon similaire, une particule non-réactive se trouvant proche de l’extrémité sans injection subira une aspiration/déplacement faible vers celui-ci, tendant vers une vitesse nulle au niveau de l’entrée qui n’est pas alimentée. Ce gradient cinétique favorise la concentration des espèces non-réactives pour former le bouchon, et le déplacement homogène de celui-ci autour du point M, plutôt qu’un mélange lié au brassage de ces espèces avec des espèces réactives. La vitesse de déplacement du bouchon B diminue de manière sensiblement linéaire entre l’entrée du groupe alimenté en hydrogène et l’entrée du groupe qui n’est pas alimenté. La vitesse maximale de déplacement du bouchon B est obtenue lorsque celui-ci se trouve au plus proche de la vanne d’alimentation ouverte, au début d’une phase d’alimentation, par exemple à t0, t1, t2 etc. Plus le bouchon B s’approche de l’extrémité non alimentée (vanne d’alimentation fermée), plus sa vitesse de déplacement se réduit puisque le débit d’hydrogène qui entraîne les gaz non réactifs par aspiration se réduit. Au point milieu M, la vitesse du bouchon B est de l’ordre de la moyenne arithmétique entre la vitesse maximale et la vitesse minimale du bouchon. La fréquence d’oscillation du bouchon B suit la fréquence 1/T des cycles d’alimentation alternée. Plus la fréquence 1/T des cycles d’alimentation alternée augmente, plus l’amplitude A des oscillations du bouchon B diminue, et inversement. Le volume du bouchon B et/ou la longueur LB du bouchon B augmentent à chaque phase d’alimentation alternée. Il est ainsi nécessaire d’évacuer le bouchon B après quelques cycles d’alimentation alternée, avant que le volume du bouchon B n’atteigne 20% ou 30% du volume total du compartiment anodique, par exemple après une dizaine de cycles d’alimentation alternée. La figure 5 illustre schématiquement une phase de purge selon un mode de réalisation du procédé de fonctionnement. La vanne de purge 40 est ouverte. Les vannes de commutation 101v, 201v sont ici ouvertes. Cela favorise l’évacuation du bouchon B en poussant symétriquement de chaque côté au niveau des entrées 11, 21. L’ouverture de la vanne de purge 40 est déclenchée lorsque le bouchon B se trouve sensiblement à la position médiane M, au plus proche de la vanne de purge 40. Un tel déclenchement ainsi optimisé permet avantageusement de minimiser la durée d’ouverture, puisque le bouchon se trouve directement au bon endroit, c’est-à-dire au niveau de l’évacuation. Le bouchon B traverse alors la plus petite section de surface active avant de rejoindre l’échappement. Cela permet également de minimiser la perte en hydrogène n’ayant pas réagi, puisque ce dernier se trouve essentiellement dans les groupes 10, 20 et n’est pas piégé entre le bouchon B et la vanne de purge 40. La durée d’ouverture de la vanne de purge 40 est typiquement comprise entre 0,1 s et 10 s. Le déplacement du bouchon jusqu’à une position sensiblement médiane est effectué en appliquant une phase d’alimentation partielle, c’est-à-dire en faisant succéder à une phase d’alimentation d’un groupe une phase d’alimentation de l’autre groupe de durée sensiblement plus courte. On peut déterminer le délai de déclenchement optimal – pour lequel le bouchon B se trouve à la position médiane M – vis-à-vis de la dernière phase d’alimentation à partir d’un modèle de déplacement du bouchon tel que celui décrit ci- dessus. En particulier, il apparaît que le bouchon B passe par la position médiane M au milieu de chaque phase d’alimentation, à environ T/4 après le début d’une phase d’alimentation. La précision sur le délai de déclenchement est de préférence de l’ordre de 10 ms. La figure 6 illustre quatre délais d1, d25, d50, d75 correspondant respectivement à un déclenchement à 1%, 25%, 50%, 75% de la durée d’une phase d’alimentation, c’est-à- dire aux instants t = 0,01.T/2, t = 0,25.T/2, t = 0,50.T/2, t = 0,75.T/2. Les figures 7A à 7D illustrent la tension de cellule V en fonction des phases de fonctionnement C1, D1, E1, C2, E2, C3 de la pile, pour les différents délais de déclenchement d1, d25, d50, d75. Les phases C1, C2, C3 correspondent chacune à un fonctionnement de la pile pendant plusieurs cycles d’alimentation alternée, typiquement environ une dizaine de cycles enchaînés. La phase D1 correspond à une phase optionnelle dite de « dead-end » pendant laquelle tous les groupes de la pile sont alimentés simultanément et la vanne de purge est fermée. Le bouchon lors de cette phase est contraint à se stabiliser au niveau de sa position dans le circuit fluidique. Dans le cas où le bouchon ne se situerait pas déjà dans les conduits d’évacuation, on pourra noter que la phase de dead-end ne permet pas d’amener le bouchon en dehors du groupe de cellule, et donc en particulier dans les lignes d’évacuation. En effet, le bouchon est poussé par l’alimentation et tiré par la consommation. Or cette dernière n’existe pas dans la ligne d’évacuation. Cette phase optionnelle est donc de préférence effectuée au bout du délai de déclenchement. Dans ce cas, la vanne de purge reste fermée et toutes les vannes de commutation sont ouvertes. Ainsi, lorsque le délai de déclenchement correspond à la position optimale du bouchon dans le circuit fluidique, près de la vanne de purge, la phase de dead-end peut produire un effet synergique avec le déclenchement synchronisé pour améliorer et stabiliser le positionnement du bouchon au plus près de la vanne de purge. La phase D1 peut donc être associée à la phase de purge E1, typiquement en étant intercalée entre le délai de déclenchement et l’ouverture effective de la vanne de purge. Les phases E1, E2 correspondent à des phases de purge pendant lesquelles la vanne de purge est ouverte. Lors de l’ouverture de la vanne de purge, les vannes de commutation peuvent être ouvertes, simultanément ou préalablement. La phase E2 correspond à une phase de purge sans dead-end préalable. La phase de purge est ainsi avantageusement raccourcie. Les performances de la pile sont plus constantes. La tension moyenne délivrée est plus élevée que dans le cas d’une phase de purge avec dead-end. Selon une possibilité, le procédé de fonctionnement selon l’invention prévoit uniquement des phases de purge sans dead-end. Plusieurs délais de déclenchement des phases de purge sont présentés aux figures 7A à 7D pour illustrer l’importance de choisir un délai correct de démarrage de l’étape de purge, objet de l’invention. La figure 7A illustre un déclenchement de D1 + E1 (phase de purge avec dead end) et de E2 (phase de purge sans dead end) à 1% d’une phase d’alimentation. Dans ce cas, la tension V chute au début de la phase de purge, typiquement lorsque le bouchon n’est pas encore amené à proximité de l’évacuation. L’alimentation en hydrogène du groupe de cellules contenant le bouchon est défavorisée par rapport à l’autre groupe où la perte de charge est moindre, ce qui induit cette chute de la tension V délivrée par les cellules. La figure 7B illustre un déclenchement de D1 + E1 (phase de purge avec dead end) et de E2 (phase de purge sans dead end) à 25% d’une phase d’alimentation. Dans ce cas, la chute de la tension V, toujours au début de la phase de purge, est plus modérée que dans le cas précédent, le bouchon n’étant toujours pas majoritairement positionné dans les conduits d’évacuation. La figure 7C illustre un déclenchement de D1 + E1 (phase de purge avec dead end) et de E2 (phase de purge sans dead end) à 50% d’une phase d’alimentation. Dans ce cas, la chute de la tension V est minimisée voire supprimée, en particulier lorsque le déclenchement n’est pas précédé de dead-end. Le bouchon est en position idéale au plus près de la vanne de purge et l’hydrogène participant à la réaction n’est pas évacué lors de la purge. Il continue à participer à la réaction. Cela contribue au maintien de la tension V délivrée par les cellules. La figure 7D illustre un déclenchement de D1 + E1 (phase de purge avec dead end) à 75% d’une phase d’alimentation. Dans ce cas, la chute de la tension V reste plus modérée que dans le cas des déclenchements à 1% et à 25%. Cela peut être la conséquence d’un léger retard dans la dynamique de déplacement du bouchon, par exemple du fait d’espèces présentant une plus grande inertie de déplacement, telle que l’eau liquide par exemple. Par ailleurs, cette dernière étant retenue dans la ligne d’évacuation au moment du passage du bouchon, la gêne occasionnée par ce dernier pour la circulation du réactif dans le groupe qui le contient est réduite. Typiquement, lors d’une purge avant T/4, le bouchon est associé à de l’eau liquide. Cela provoque une perte de charge plus importante. L’alimentation des deux groupes est déséquilibrée. L’effet du bouchon sur la tension est accentué. Lors d’une purge après T/4, l’eau liquide est moins présente avec le bouchon, le déséquilibre d’alimentation est moins fort et l’effet du bouchon sur la tension est réduit. Selon une possibilité préférée en pratique, pour un ensemble à deux groupes, l’ouverture de la vanne de purge est déclenchée directement au milieu d’une phase d’alimentation, sans dead-end, au bout d’un délai correspondant à environ 50% de la durée de la phase d’alimentation, soit à environ T/4. Une certaine tolérance vis-à-vis de T/4 reste acceptable pour le déclenchement de l’ouverture de la vanne de purge. Ce déclenchement peut par exemple être effectué au bout d’un délai compris entre 30% et 70% de la durée de la phase d’alimentation. D’autres modèles peuvent être mis en œuvre pour déterminer le délai de déclenchement de la phase de purge, avec ou sans dead end, après le début d’un cycle d’alimentation, notamment pour tenir compte d’autres paramètres et/ou de conditions variables, par exemple en ce qui concerne le dimensionnement des groupes, les durées des différentes phases d’alimentation, une variation de l’intensité électrique et/ou de la pression d’hydrogène, l’augmentation de la taille du bouchon etc. Des simulations peuvent être mises en œuvre sur la base de ces modèles pour affiner le cas échéant la détermination du délai de déclenchement. Des abaques peuvent être établis pour une exploitation plus large de différentes piles à architecture ping-pong. Un exemple de modèle est décrit ci- après. Quel que soit le nombre de groupes de cellules, lors d’une phase d’alimentation donnée, il existe toujours deux ensembles de groupes : ^ L’ensemble ^^ dans lequel ^^ groupe(s) reçoivent le fluide d’alimentation directement en entrée, ^ L’ensemble ^^ dans lequel ^^ groupe(s) reçoivent le fluide d’alimentation ayant transité par l’ensemble ^^, indirectement. Conformément au principe de l’architecture « ping-pong », un collecteur connecté à l’organe de purge est en connexion fluidique avec tous les groupes de cellules, donc avec les deux ensembles, quelle que soit leur nombre de groupes. Le procédé ping-pong est divisé en phases d’alimentations successives de ces deux ensembles placés en série fluidiquement. L’écoulement dans la pile est ici modélisé par un écoulement unidirectionnel le long d’une échelle adimensionnelle graduée entre -1 et +1, la position 0 correspondant à la position optimale vis-à-vis de l’organe de purge. L’entrée du fluide se fait alternativement en ^^ = −1 et en ^^ = +1. Le premier ensemble ^^ de groupes de cellules est parcouru dans l’intervalle [-10[, et le deuxième ensemble ^^ est parcouru dans l’intervalle ]01]. On définit ^, ^^ et ^ comme étant respectivement un flux molaire, le débit volumique total et la vitesse du mélange gazeux quelle que soit sa nature le long de sa position x comprise entre -1 et 1. Leur signe est positif si ^^ = −1, et négatif si ^^ = +1. Pour chaque élément ^^ de l’écoulement, le bilan matière sur l’hydrogène peut s’écrire : ^^^ (^ + ^^) = ^^^ ( ^ ) + ^^^(^) Où ^^^ est un terme source correspondant à la consommation d’hydrogène. En intégrant [Math 3], on obtient le débit molaire à l’abscisse ^ : Avec Le terme source vaut : Avec ^(^) la surface active de la pile où a lieu la réaction, ^(^) la densité de courant et ℱ la constante de Faraday. Si les deux ensembles ^^ et ^^ comportent un nombre de cellules différent, ^(^) prendra une valeur différente selon que ^ est positif ou négatif. Cette formulation permet donc de généraliser le problème à un nombre quelconque de groupes de cellules. Ainsi, pour ^^ = 1 avec ^ et ^ constants on obtient : Pour ^^ = −1 avec ^ et ^ constants on obtient : Le flux total de gaz ^^^^ (^) contient de la vapeur d’eau : Le débit volumique total est donné par : La pile a un volume accessible au gaz ^(^) , avec une distinction possible entre les abscisses négatives et positives, comme pour ^(^). La longueur d’écoulement dans un ensemble de groupe ^^ ou ^^ valant 1, la section de passage perpendiculaire à l’écoulement vaut ^(^). On en déduit la vitesse en fonction de l’abscisse : Afin de déterminer le meilleur instant pour la purge, à partir de l’équation de la vitesse, on peut calculer la position d’une molécule dans le flux grâce à l’équation : Cette équation différentielle peut être résolue numériquement dans le cas général grâce à des outils standards de simulation (par exemple via le logiciel Matlab Simulink). La simulation permet de prédire l’instant ^ pour lequel ^(^) = 0, correspond à un passage de la molécule entre les deux ensembles ^^ et ^^ de groupes de cellules. Si la molécule est néfaste au fonctionnement de la pile, c’est à ce moment qu’il convient d’ouvrir la purge. Pour le pilotage de la pile, on pourra donc implémenter un algorithme de gestion de la purge intégrant soit directement ce modèle, soit un tableau de résultats de simulation dans les conditions opératoires atteignables par la pile. Des modèles plus complets peuvent être développés, en prenant en compte également le passage du gaz dans des zones non actives (notamment le collecteur de purge), ou encore l’écoulement de l’eau liquide. Ce dernier cas est plus complexe, mais aussi plus précis, car la purge sert à évacuer non seulement des gaz inertes, mais aussi de l’eau liquide, dont la présence nuit à la distribution du fluide d’alimentation également appelé réactif (combustible ou comburant). Sans aller vers une complexification du modèle, il est possible d’adapter la version présentée ici pour qu’elle prenne en compte d’une part des volumes additionnels en augmentant par exemple la valeur de ^(^), et d’autre part un écoulement d’eau liquide en considérant que celle-ci circule avec le gaz à une vitesse inférieure à ce dernier, la faisant apparaître plus tard dans le collecteur. Selon un exemple de mise en œuvre du modèle, on considère que les deux ensembles ^^ et ^^ comprennent chacun un groupe de cellules. Ils sont identiques, et sont traversés par le même courant électrique. On effectue également les approximations suivantes : ^(^) = ^ ^(^) = ^ ^^^^ (^) = ^^^^(^) ^(^) = ^ ^(^) = ^ ^(^) = ^ = ^^, avec ^ l’épaisseur du volume d’écoulement de surface frontale ^. Il vient : ^^(^) est une fonction constante par morceaux, qui vaut alternativement -1 et +1. La position en fonction du temps ^(^) doit être d’abord définie pour une molécule partant de ^^. On désigne par ^^ l’instant d’injection d’hydrogène au début d’une phase d’alimentation d’indice ^. On peut écrire pour ^ supérieur à ^^ et hors changement de point d’entrée d’hydrogène la relation suivante : Avec Il s’agit d’une équation différentielle linéaire du premier ordre dont la solution est de la forme : A étant négatif, on a pour ^ tendant vers l’infini : Par ailleurs, à ^ = ^^ : Soit ^ = 2^^(^^) Au final, il vient : Lors d’une alternance entre les deux entrées d’hydrogène, la molécule n’a pas le temps de parcourir la totalité des deux groupes de cellules (elle converge vers ce point à l’infini). Le point de départ pour la phase ^ + 1 est noté ^^^ ^ ∗ ^^^ − ^^^^ ^ , avec ^ ^ ^^^ l’instant d’ouverture de l’entrée d’hydrogène pour la phase cette vanne aurait dû s’ouvrir pour que la molécule arrive à cet emplacement en partant de l’entrée. On peut alors écrire que le point de démarrage pour la phase ^ + 1 est le même que le point d’arrêt pour la phase ^ : ^^^ ^ ^^^ − ^^ ∗ ^^ ^ = ^^^ ^ ^^^ − ^^ ∗^ ^ 2^^^^^ ^ ^^ ^ ^^^ ^^^^ ^ ^^^ − ^^ ∗ ^^ ^^ − ^^^^^ ^ ^^ ^ = 2^^^^^ ^^ ^^^ ^^^^ ^ ^^^ − ^^ ∗^^ − ^^^^^ ^^ On note que ^^^^^ ^ ^ = −^^^^ ^ ^^^ ^, d’où : L’instant théorique de purge est obtenu pour ^ = 0. L’instant de purge de la phase d’alimentation ^ est noté ^ ^ ^ . Il vérifie : Par ailleurs, en régime permanent, la différence entre ^^ ∗ ^ et ^^ est constante et égale à ^. On a également la relation ^ ∗ ∗ ^^^ = ^^ + ^, avec ^ = ^/2 la demi-période d’alternance entre les phases d’alimentation. On peut écrire : ^ ^ ∗ 1 ^^^ − ^^^^ = ln ^1 − exp ^A^^ ^ ^^^ − ^ ∗ ^^^ + ^^^^ ^ ∗ ^ ∗ ^ En posant ^ = ^^^^ − ^^^^ = ^^ − ^^, on obtient : exp(^^) = 1 − exp^^(^ + ^)^ = 1 − exp(^^) exp(^^) 1 1 ^ − = 1 exp(^^) exp(^^) 1 1 ^ ^ = ln ^ 1 + exp(^^) Finalement, le délai de déclenchement de la purge ^ ^ ^ ^ ^ = ^^ − ^^ s’écrit : Application numérique : ^ = 210^ Pa ^ = 353 K ^^^^ = 510^ Pa ^ = 1 A/cm² ^ = 350 cm² ^ = 0,3 mm (cette valeur tient typiquement compte des volumes non actifs dans l’écoulement) ^ = 0,4 s (période T = 0,8 s) ^ = −3,38 s-1 Le délai de déclenchement obtenu pour ces valeurs numériques est : ^ ^ ^ = 0,14 s, ce qui correspond à 34,3 % de la demi-période ^. La figure 8 illustre l’évolution simulée de la concentration d’azote dans le collecteur au niveau de l’organe de purge (courbe N) en fonction des changements de phase d’alimentation. Ce modèle sous Matlab Simulink permet de visualiser l’étalement du bouchon, majoritairement formé d’azote. Dans ce cas particulier, l’instant où la concentration en azote est maximale devant l’organe de purge (maximum local) intervient bien avant la moitié de la demi-période, comme dans le calcul analytique précédent. L’optimum de déclenchement synchronisé de l’ouverture autour de 50 % de la demi- période observé en pratique est probablement imputable à l’eau liquide. On s’assurera donc que : Cette équation représente un intervalle de déclenchement de la purge selon le calcul analytique précédent. Dans la pratique, il existe une marge d’incertitude sur les concentrations locales des espèces, leurs comportements dans la configuration considérée, et l’étalement du bouchon que l’on cherche à évacuer. L’inégalité précédente caractérisant l’instant de déclenchement de la purge doit donc s’entendre dans un contexte de +/- 20% d’incertitude, et l’instant de déclenchement de la purge devenant en conséquence contraint par : ^ ^ ^^^^^(^^ ^ ^ ^^^^^ ^^ ^ ≥ (1 − 20%) ln ) ( ) ^ ^ ^ soit ^^ ≥ 0,8. ^ ln ^ Au travers des exemples précédemment décrits, il apparaît clairement que le procédé de fonctionnement selon l’invention permet d’améliorer la consommation et les performances d’une pile à combustible à architecture ping-pong. Ce procédé peut être avantageusement mis en œuvre pour des applications automobiles ou de transports lourds (terrestres, maritimes, aériens…). L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits. Plusieurs piles, avec des groupes de cellules imbriquées, peuvent également être envisagées dans le cadre de la présente invention, en mettant en œuvre le principe de déclenchement synchronisé de la phase de purge.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de fonctionnement d’une pile à combustible (1), ladite pile à combustible (1) comprenant une pluralité de groupes (10, 20) de cellules électrochimiques reliés entre eux par un circuit fluidique (3, 4), ledit circuit fluidique (3, 4) comprenant, pour chaque groupe, une ligne d’alimentation (100, 200) en entrée dudit groupe, et un organe de commutation (101v, 201v) sur ladite ligne d’alimentation, et, une ligne d’évacuation (120, 220) en sortie dudit groupe, ledit circuit fluidique étant configuré de sorte que les lignes d’évacuation (120, 220) communiquent fluidiquement entre elles et sont reliées à un organe de purge (40) commun, Ledit procédé comprenant au moins : ^ Un cycle (C1, C2) d’alimentations alternées comprenant au moins : o Une première phase d’alimentation dans laquelle un premier groupe (10) parmi la pluralité de groupes est alimenté directement en fluide d’alimentation, au niveau de son entrée (11), l’organe de commutation (101v) dudit premier groupe (10) étant passant tandis que les organes de commutation (201v) des autres groupes (20) de la pluralité de groupes sont bloqués, lesdits autres groupes (20) étant alimentés indirectement, lors de cette première phase d’alimentation, au niveau de leurs sorties (22) respectives, par le fluide d’alimentation issu de la sortie (12) du premier groupe (10), o Une deuxième phase d’alimentation dans laquelle un deuxième groupe (20) différent du premier groupe (10) est alimenté directement en fluide d’alimentation, au niveau de son entrée (21), l’organe de commutation (201v) dudit deuxième groupe (20) étant passant tandis que les organes de commutation (101v) des autres groupes (10) de la pluralité de groupes sont bloqués, lesdits autres groupes (10) étant alimentés indirectement, lors de cette deuxième phase d’alimentation, au niveau de leurs sorties (12) respectives, par le fluide d’alimentation issu de la sortie (22) du deuxième groupe (20), ^ Une phase de purge (E1, E2) succédant au cycle d’alimentations alternées, ladite phase de purge comprenant une ouverture de l’organe de purge (40) de façon à évacuer des fluides non réactifs issus au moins en partie du fluide d’alimentation, Ledit procédé étant caractérisé en ce que la phase de purge est déclenchée de façon synchronisée avec un déplacement des fluides non réactifs accumulés sous forme d’un agrégat dit bouchon (B), lorsque ledit bouchon (B) se situe en partie au moins dans les lignes d’évacuation (120, 220), le cycle d’alimentations alternées présentant une période T et la phase de purge étant déclenchée pendant une phase d’alimentation ^ et avant la fin de la phase d’alimentation ^, au bout d’un délai ^ ^ ^ tel que : ^ ^ ^ ≥ 0,8. avec ^ = ^/2 la demi-période, et ^^^^ ^ = − 2ℱ^(^ − ^^^^ ) Avec ^ la surface active de la pile, ^ la densité de courant et ℱ la constante de Faraday, ^ la constante des gaz parfaits, ^ la température de la pile, ^ le volume traversé par le fluide dans la pile, ^ la pression du fluide dans la pile et ^^^^ la pression de vapeur saturante à la température de pile. 2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le cycle d’alimentations alternées présente une période T et la phase de purge est déclenchée pendant une phase d’alimentation ^ et avant la fin de la phase d’alimentation ^, au bout d’un délai ^ ^ compris ^ ^ entre 0,2. T/2 ≤ ^^ ≤ 0,7. T/2. 3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le cycle d’alimentations alternées présente une période T et la phase de purge est déclenchée pendant une phase d’alimentation ^ et avant la fin de la phase d’alimentation ^, au bout d’un délai ^ ^ ^ = T/4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la pile comprend seulement deux groupes (10, 20), les sorties (12, 22) de ces deux groupes (10, 20) sont situées à égale distance de l’organe de purge (40), et les première et deuxième phases d’alimentation du cycle d’alimentations alternées présentent une même durée T/2. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la phase de purge comprend, avant ou lors de l’ouverture de l’organe de purge (40), une alimentation en entrée (11, 21) de tous les groupes (10, 20), chaque organe de commutation (101v, 201v) étant passant. 6. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l’alimentation en entrée de tous les groupes est effectuée simultanément à l’ouverture de l’organe de purge (40). 7. Procédé selon la revendication 5 dans lequel l’ouverture de l’organe de purge (40) est effectuée après l’alimentation en entrée de tous les groupes, après un délai dit « dead-end ». 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la phase de purge ne comprend pas d’alimentation en entrée de tous les groupes avant l’ouverture de l’organe de purge (40). 9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel un courant électrique constant est imposé la pile à combustible. 10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le fluide d’alimentation injecté lors du cycle d’alimentations alternées présente une pression constante. 11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’ouverture de l’organe de purge (40) est déclenchée lorsque au moins 70%, et de préférence au moins 80%, de la longueur LB du bouchon (B) se situe dans les lignes d’évacuation (120, 220), la longueur LB du bouchon (B) étant mesurée selon la direction dans laquelle s’étend la ligne d’évacuation au point considéré. 12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’ouverture de l’organe de purge (40) est déclenchée lorsque le bouchon (B) est entièrement situé dans les lignes d’évacuation (120, 220). 13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’ouverture de l’organe de purge (40) est déclenchée lorsque le bouchon (B) occupe entièrement les lignes d’évacuation (120, 220).
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