FR2872348A1

FR2872348A1 - Fuel cell securing system for fuel cell installation, has ventilator placed in upstream of ventilation direction for diluting air and water vapor coming out of fuel cell and for ventilating hydrogen leakages

Info

Publication number: FR2872348A1
Application number: FR0451357A
Authority: FR
Inventors: Pierre Charlat
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2005-12-30
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: CA2510667A1; FR2872348B1; CA2510667C

Abstract

Apparatus has a flow meter (50) to measure hydrogen flow (D) in a supply circuit (111), and a comparator (51) to compare the flow (D) provided to an anodic compartment (11) of a fuel cell with hydrogen flow (D0) equivalent to a current (I) produced by the cell. A ventilator (20) is placed in upstream of ventilation direction. The ventilator dilutes air and water vapor coming out of the fuel cell and ventilates the hydrogen leakages.

Description

La présente invention concerne un système de sécurisation d'une pile àThe present invention relates to a system for securing a battery to

combustible fonctionnant dans un local fermé. fuel operating in a closed room.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la sécurité des installations pour piles à combustible. The invention finds a particularly advantageous application in the field of safety of installations for fuel cells.

En fonctionnement, une pile à combustible rejette dans l'atmosphère ambiante de l'air appauvri en oxygène provenant du compartiment cathodique de la pile, ainsi que de la vapeur d'eau. D'autre part, de l'hydrogène peut également être émis accidentellement dans l'air environnant, soit à la suite de fuites localisées à l'intérieur du système à pile à combustible, soit parce qu'il io est rejeté dans l'air appauvri en oxygène en sortie de pile. In operation, a fuel cell releases oxygen-depleted air from the cathode compartment of the cell as well as water vapor into the ambient atmosphere. On the other hand, hydrogen can also be accidentally released into the surrounding air, either as a result of localized leaks inside the fuel cell system, or because it is released into the air. depleted oxygen at the stack outlet.

En cas d'utilisation dans un local fermé, il y a donc des risques d'accumulation des rejets émis par la pile à combustible. Ce risque est particulièrement sensible dans le cas où la ventilation, naturelle ou forcée, du local où se trouve la pile est inférieure au minimum requis, ou dans le cas où ce local ne présente pas un volume suffisant. If used in a closed room, there is therefore risk of accumulation of releases from the fuel cell. This risk is particularly sensitive in the case where the ventilation, natural or forced, of the room where the battery is located is lower than the required minimum, or in the case where this room does not have a sufficient volume.

Les risques liés à une accumulation excessive des produits rejetés par la pile à combustible en fonctionnement sont d'ordre divers. The risks associated with an excessive accumulation of the products rejected by the fuel cell in operation are of various kinds.

II y a d'abord le risque d'asphyxie. En effet, l'accumulation de l'air appauvri provoque un manque d'oxygène qui peut être gênant, voire fatal, ceci avant que les performances du système de pile lui-même n'en soient suffisamment affectées. First there is the risk of asphyxiation. Indeed, the accumulation of depleted air causes a lack of oxygen that can be annoying, even fatal, before the performance of the battery system itself is sufficiently affected.

Par ailleurs, une accumulation d'hydrogène fait peser un risque d'explosion ou d'incendie du local dans lequel est située la pile à combustible. Moreover, an accumulation of hydrogen poses a risk of explosion or fire of the room in which the fuel cell is located.

Enfin, la présence de buée en sortie de pile, sans constituer un risque réel pour la vie des personnes, peut présenter un caractère gênant par les condensations qui pourraient en résulter à proximité de la sortie du système de pile. Finally, the presence of fog at the battery outlet, without constituting a real risk to people's lives, can present a disturbing character by the condensations that could result near the output of the battery system.

Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un système de sécurisation d'une pile à combustible fonctionnant dans un local fermé, qui permettrait de limiter, et même d'éliminer, les risques précités dus à une trop grande concentration dans ledit local des produits gazeux émis par le système de pile. Also, the technical problem to be solved by the object of the present invention is to propose a system for securing a fuel cell operating in a closed room, which would make it possible to limit, and even eliminate, the aforementioned risks due to too much concentration in said room of the gaseous products emitted by the battery system.

Une solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit système de sécurisation comprend un détecteur de fuites d'hydrogène sur le circuit d'alimentation du compartiment anodique de ladite pile à combustible. A solution to the technical problem posed, according to the present invention, is that said security system comprises a hydrogen leak detector on the supply circuit of the anode compartment of said fuel cell.

Plus spécialement, ledit détecteur de fuites comprend un comparateur du débit d'hydrogène fourni au compartiment anodique au débit d'hydrogène équivalent au courant produit par la pile à combustible. More specifically, said leak detector comprises a hydrogen flow rate comparator provided to the anode compartment at the hydrogen flow rate equivalent to the current produced by the fuel cell.

Concernant maintenant l'ensemble des gaz rejetés dans le local, il est également prévu par l'invention que, ladite pile présentant une sortie d'air io appauvri, ledit système de sécurisation comprend un ventilateur placé dans ledit local en amont de la direction de ventilation par rapport à ladite sortie d'air appauvri. Referring now to all the gases discharged into the room, it is also provided by the invention that, said stack having a depleted air outlet, said security system comprises a fan placed in said room upstream of the direction of the room. ventilation with respect to said depleted air outlet.

Ainsi, le ventilateur dilue l'air en sortie de la pile à combustible de même que la vapeur d'eau. II permet également de ventiler la fuite maximum de l'hydrogène compte tenu des dimensionnements du système. Thus, the fan dilutes the air leaving the fuel cell as well as the water vapor. It also makes it possible to ventilate the maximum leak of hydrogen taking into account the sizing of the system.

Ledit ventilateur a également pour rôle de provoquer un brassage de l'air à l'endroit où se situe la pile à combustible et d'éviter la formation de poches où des gaz dangereux pourraient s'accumuler. Said fan also has the role of causing a mixing of the air at the location where the fuel cell is located and to avoid the formation of pockets where dangerous gases could accumulate.

L'efficacité du ventilateur est elle-même contrôlée du fait que le système de sécurisation selon l'invention comprend un détecteur de fonctionnement minimal dudit ventilateur. The effectiveness of the fan is itself controlled by the fact that the security system according to the invention comprises a minimum operating detector of said fan.

Dans un premier mode de réalisation, ledit fonctionnement minimal concerne le débit d'air fourni par le ventilateur. H faut alors munir le système d'un capteur de débit et comparer le débit mesuré à un seuil minimum donné. In a first embodiment, said minimal operation relates to the air flow supplied by the fan. It is then necessary to provide the system with a flow sensor and to compare the measured flow rate with a given minimum threshold.

Dans un second mode de réalisation, ledit fonctionnement minimal concerne la vitesse de rotation du ventilateur. Là encore, il faut équiper le ventilateur d'un capteur de vitesse et comparer la vitesse de rotation mesurée à un seuil minimum donné. In a second embodiment, said minimal operation relates to the speed of rotation of the fan. Again, it is necessary to equip the fan with a speed sensor and to compare the rotational speed measured with a given minimum threshold.

De plus, on sait qu'une autre source de production d'hydrogène dans l'air de sortie à la cathode de la pile peut provenir de l'inversion de polarité dans certaines cellules de la pile. Le passage forcé de courant dans des cellules sous-alimentées en oxygène provoque par phénomène de demi-électrolyse la formation d'hydrogène dans le compartiment air. In addition, it is known that another source of hydrogen production in the outlet air at the cathode of the cell may come from the polarity inversion in some cells of the cell. Forced passage of current in oxygen-deficient cells causes the formation of hydrogen in the air compartment by a half-electrolysis phenomenon.

Afin d'obtenir une protection contre le risque lié à ce phénomène, le système de sécurisation selon l'invention comprend un détecteur de l'hydrogène produit dans le compartiment cathodique de ladite pile à combustible. In order to obtain protection against the risk associated with this phenomenon, the security system according to the invention comprises a detector of the hydrogen produced in the cathode compartment of said fuel cell.

De manière pratique, ledit détecteur d'hydrogène comprend un comparateur de la tension fournie par la pile à combustible à un seuil donné. Conveniently, said hydrogen sensor includes a voltage comparator provided by the fuel cell at a given threshold.

Enfin, d'autres dispositions avantageuses sont prévues par l'invention concernant la sécurisation du système de pile à combustible vis-à-vis de la production d'oxygène ou d'hydrogène rejeté dans l'atmosphère ambiante du io local. Finally, other advantageous arrangements are provided by the invention concerning the securing of the fuel cell system with respect to the production of oxygen or hydrogen discharged into the local ambient atmosphere.

En effet, l'invention prévoit que le système de sécurisation comprend un détecteur de teneur minimale en oxygène disposé en amont du ventilateur. Indeed, the invention provides that the security system comprises a minimum oxygen content detector disposed upstream of the fan.

De même, s'agissant de l'hydrogène, il y a avantage à ce que le système de sécurisation conforme à l'invention comprend un détecteur de teneur maximale en hydrogène disposé en amont du ventilateur. Similarly, with respect to hydrogen, it is advantageous for the security system according to the invention to include a maximum hydrogen content detector arranged upstream of the fan.

Ce positionnement desdits détecteurs en amont du ventilateur est préférable à un positionnement en aval, notamment après la sortie d'air appauvri. En effet, dans cette dernière disposition, les gaz ne seraient pas encore complètement homogénéisés dans le volume du système et un positionnement correct ne serait pas assuré. This positioning of said detectors upstream of the fan is preferable to a positioning downstream, especially after the depleted air outlet. In fact, in this last provision, the gases would not yet be completely homogenized in the volume of the system and correct positioning would not be ensured.

L'invention propose donc un ensemble de mesures de sécurisation qui provoquent l'arrêt immédiat du système de pile à combustible dès lors qu'au moins l'une d'entre elles n'est pas satisfaite. The invention therefore proposes a set of security measures that cause the immediate shutdown of the fuel cell system as soon as at least one of them is not satisfied.

La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. The following description with reference to the accompanying drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear what the invention is and how it can be achieved.

La figure 1 est un schéma d'un système de sécurisation d'une pile à combustible, conforme à l'invention. Figure 1 is a diagram of a security system of a fuel cell, according to the invention.

Sur la figure 1 est représentée de manière schématique une cellule 10 d'un système de pile à combustible comprenant un compartiment anodique 11 dans lequel est injecté de l'hydrogène, constituant le combustible de la pile. En sortie du compartiment anodique 11, sont rejetés de l'hydrogène ainsi que de la vapeur d'eau. FIG. 1 schematically shows a cell 10 of a fuel cell system comprising an anode compartment 11 in which hydrogen is injected, constituting the fuel of the cell. At the outlet of the anode compartment 11, hydrogen and water vapor are discharged.

Au compartiment cathodique 12 de l'air est introduit afin de fournir l'oxygène constituant le comburant de la pile. Les produits sortant du compartiment cathodique 12 sont de l'air appauvri en oxygène et de la vapeur d'eau. The cathode compartment 12 of the air is introduced in order to supply the oxygen constituting the oxidant of the cell. The products leaving the cathode compartment 12 are depleted oxygen air and water vapor.

Au cours du fonctionnement de la pile 10 à combustible, sont rejetés dans le local contenant la pile de l'air appauvri en oxygène, de la vapeur d'eau et de l'hydrogène provenant des fuites pouvant exister à l'intérieur du système de pile à combustible. De plus, de l'hydrogène peut être mêlé à l'air appauvri en sortie du compartiment cathodique, la présence de cet hydrogène étant dû au phénomène de demi-électrolyse mentionné plus haut. During operation of the fuel cell 10, water vapor and hydrogen from the leaks which may exist within the fuel cell system are released into the room containing the oxygen-depleted air stack. Fuel cell. In addition, hydrogen can be mixed with the depleted air at the outlet of the cathode compartment, the presence of this hydrogen being due to the half-electrolysis phenomenon mentioned above.

Afin de limiter les risques liés à ces rejets gazeux dans un local fermé, le système de sécurisation illustré à la figure 1 prévoit un certain de dispositions pratiques visant soit à contrôler la teneur des gaz rejetés ou formés dans la pile, soit à en éviter les effets néfastes. In order to limit the risks associated with these gaseous discharges in a closed room, the security system illustrated in FIG. 1 provides a certain number of practical arrangements aimed either at controlling the content of the gases discharged or formed in the stack, or at avoiding the negative effects.

Tout d'abord, on peut voir sur la figure 1, la présence d'un ventilateur 20 placé en amont de la direction de ventilation par rapport à la sortie 121 de l'air appauvri. L'action du ventilateur 20 est de diluer l'air et la vapeur d'eau sortant de la pile à combustible, ainsi que de ventiler les fuites d'hydrogène. De même, sont évitées les formations de poches et les accumulations des gaz dangereux. First, it can be seen in Figure 1, the presence of a fan 20 placed upstream of the ventilation direction relative to the outlet 121 of the depleted air. The action of the fan 20 is to dilute the air and water vapor leaving the fuel cell, as well as to ventilate the hydrogen leaks. Likewise, pocket formations and accumulations of dangerous gases are avoided.

Pour augmenter la sécurisation conférée par le ventilateur 20, le système de la figure 1 comprend un détecteur du fonctionnement minimal dudit ventilateur, de manière à ce que si certains paramètres de fonctionnement du ventilateur 20 deviennent inférieurs à un seuil donné, le système de pile à combustible est automatiquement arrêté. To increase the security provided by the fan 20, the system of FIG. 1 comprises a detector of the minimal operation of said fan, so that if certain operating parameters of the fan 20 fall below a given threshold, the battery system fuel is automatically stopped.

La détection du fonctionnement minimal du ventilateur 20 peut se faire sur la rotation elle-même ou sur le débit d'air fourni. Dans les deux cas, la valeur de vitesse de rotation ou le débit mesuré est comparé à un seuil SI. Si la comparaison est négative, le comparateur 21 délivre un signal d'arrêt au système. The detection of the minimum operation of the fan 20 can be done on the rotation itself or on the air flow supplied. In both cases, the rotational speed value or the measured flow rate is compared with a threshold S1. If the comparison is negative, the comparator 21 delivers a stop signal to the system.

Comme on peut le voir sur la figure 1, deux détecteurs 30, 40 sont disposés en amont du ventilateur 20. II s'agit d'un détecteur 30 de teneur maximale en hydrogène et d'un détecteur 40 de teneur minimale en oxygène. As can be seen in Figure 1, two detectors 30, 40 are arranged upstream of the fan 20. It is a detector 30 of maximum hydrogen content and a detector 40 of minimum oxygen content.

Ces détecteurs ont pour rôle de contrôler que le quantité d'hydrogène et la quantité d'oxygène présentes dans l'atmosphère ambiante du local n'est pas trop importante, respectivement suffisante. These detectors have the role of controlling that the amount of hydrogen and the amount of oxygen present in the ambient atmosphere of the room is not too large, respectively sufficient.

Chacun des détecteurs 30, 40 est relié à un comparateur 31, 41 de la concentration mesurée en hydrogène à un seuil haut S2 et de la concentration en oxygène à un seuil bas S3. Là encore, la comparaison négative à un de ces seuils provoque l'arrêt de la pile. Each of the detectors 30, 40 is connected to a comparator 31, 41 of the measured hydrogen concentration at a high threshold S2 and of the oxygen concentration at a low threshold S3. Again, the negative comparison to one of these thresholds causes the battery to stop.

Le système de sécurisation de la figure 1 comprend également un détecteur de fuites d'hydrogène sur le circuit 111 d'alimentation du io compartiment anodique 11 de la pile. The securing system of FIG. 1 also includes a hydrogen leak detector on the feed circuit 111 of the anode compartment 11 of the battery.

Ainsi que l'illustre la figure 1, ce détecteur de fuites d'hydrogène comporte un débit-mètre 50 destiné à mesurer le débit D d'hydrogène dans le circuit 111 d'alimentation. Par ailleurs, il est possible de connaître le débit massique DO d'hydrogène effectivement consommé équivalent au courant I produit par la pile et mesuré par un ampèremètre 52 en utilisant la relation de proportionnalité fournie par la loi de Faraday: DO=a.I où a = Nbcellules / (2.constante Faraday).(22,4 I/mol) Les valeurs des débits D et DO ainsi obtenus sont appliquées à un comparateur 51. Un écart de plus ou moins 5% par exemple permet de détecter une fuite d'hydrogène ou la défaillance de l'un des capteurs et d'arrêter le fonctionnement de la pile. As illustrated in FIG. 1, this hydrogen leak detector comprises a flow meter 50 for measuring the flow rate D of hydrogen in the feed circuit 111. Furthermore, it is possible to know the mass flow rate DO of hydrogen actually consumed equivalent to the current I produced by the cell and measured by an ammeter 52 using the proportionality relation provided by Faraday's law: OD = aI where a = Nbcellules / (2.constant Faraday). (22.4 I / mol) The values of the flow rates D and OD thus obtained are applied to a comparator 51. A difference of plus or minus 5% for example makes it possible to detect a leak of hydrogen or the failure of one of the sensors and stop the operation of the battery.

Enfin, l'hydrogène produit dans l'air en sortie au compartiment cathodique 12 à la suite du phénomène de demi-électrolyse lié à l'inversion de polarité dans la pile peut être détecté en mesurant au moyen du voltmètre 60 la tension V produite par la pile à combustible et en la comparant par un comparateur 61 à un seuil R.l dont la valeur dépend, avantageusement, du courant I, R étant la pente de la caractéristique nominale courant-tension de la pile à combustible. Si la tension V est inférieure à ce seuil, le comparateur 61 délivre alors un signal d'arrêt du système de pile à combustible. Finally, the hydrogen produced in the air at the outlet of the cathode compartment 12 as a result of the phenomenon of half-electrolysis linked to the inversion of polarity in the cell can be detected by measuring by means of the voltmeter 60 the voltage V produced by the fuel cell and comparing it with a comparator 61 at a threshold R1 whose value depends, advantageously, on the current I, R being the slope of the nominal current-voltage characteristic of the fuel cell. If the voltage V is below this threshold, the comparator 61 then delivers a stop signal of the fuel cell system.

Claims

1. System for securing a fuel cell operating in a closed room, characterized in that said security system comprises a detector (50, 51) of hydrogen leaks on the circuit (111) supplying the anode compartment (II) of said fuel cell.

2. Securing system according to claim 1, characterized in that said leak detector comprises a comparator (51) of the flow (D) of hydrogen supplied to the anode compartment (11) at the flow (DO) of hydrogen equivalent to the current (I) produced by the fuel cell.

3. Security system according to one of claims 1 or 2, characterized in that, said battery having an outlet (121) depleted air, said security system comprises a fan (20) placed in said room upstream of the ventilation direction with respect to said depleted air outlet (121).

4. Securing system according to claim 3, characterized in that it comprises a minimum operating detector of said fan (20).

5. Securing system according to claim 4, characterized in that said minimum operation relates to the air flow supplied by the fan (20).

6. Securing system according to claim 4, characterized in that said minimum operation relates to the speed of rotation of the fan (20).

7. security system according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises a detector (60, 61) of hydrogen produced in the cathode compartment (12) of said fuel cell.

8. Securing system according to claim 7, characterized in that said hydrogen detector comprises a comparator (61) of the voltage (V) supplied by the fuel cell at a given threshold (R.I).

9. Securing system according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises a detector (40) of minimum oxygen content disposed upstream of the fan (20).

10. Securing system according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises a detector (30) of maximum hydrogen content disposed upstream of the fan (20).