FR2872960A1 - Cooling system for fuel cell, has deionization reservoir disposed in heat transfer fluid circulation path and having anode and cathode electrodes that are immersed in circulating heat transfer fluid to traverse reservoir to de-ionize fluid - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un système de refroidissement pour pile àThe present invention relates to a cooling system for a battery
combustible.combustible.
Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène tel que l'air. A fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy into electrical energy from a fuel, usually hydrogen, and an oxidant, oxygen, or an oxygen-containing gas such as the air.
Une cellule de pile à combustible, comprend deux électrodes poreuses anodique et cathodique comprenant chacune une couche active qui sont le siège des réactions respectivement anodique et cathodique suivantes: Réaction anodique: H2 -* 2e- + 2H+ Réaction cathodique: 02 + 2H+ + 2e- -* H2O Ces réactions anodiques et cathodiques induisent une réaction globale conduisant à la seule formation d'eau accompagné d'un dégagement de chaleur et de production d'électricité. A fuel cell comprises two anodic and cathodic porous electrodes each comprising an active layer which are the seat of the respectively anodic and cathodic reactions: Anodic reaction: H2 - * 2e- + 2H + Cathode reaction: 02 + 2H + + 2e- - * H2O These anodic and cathodic reactions induce a global reaction leading to the only formation of water accompanied by a release of heat and production of electricity.
Une pile à combustible, constituée d'un empilement en série de cellules, permet de générer voltages et puissance requis et peut ainsi être utilisée pour fournir l'énergie électrique à tout dispositif tel que par exemple un ordinateur, un téléphone portable mais elle peut être également utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans un véhicule. A fuel cell, consisting of a stack of cells in series, can generate voltages and power required and can be used to provide electrical power to any device such as for example a computer, a mobile phone but it can be also used to provide traction for a motor vehicle and / or supply electrical devices contained in a vehicle.
Structurellement, une cellule de pile à combustible comporte principalement un électrolyte qui est pris en sandwich entre les électrodes poreuses respectivement anodique et cathodique et qui assure le transfert protonique entre ces électrodes. Structurally, a fuel cell cell mainly comprises an electrolyte which is sandwiched between the respectively anodic and cathodic porous electrodes and which provides the proton transfer between these electrodes.
A cet effet, l'électrolyte peut être par exemple un électrolyte solide polymère, la pile résultante étant du type PCESP (pile à combustible à électrolyte solide polymérique) ou plus particulièrement une membrane échangeuse de protons, la pile résultante étant une pile de type PCMEP (pile à combustible à membrane échangeuse de protons), ce dernier type de pile à combustible étant particulièrement intéressant pour la traction automobile à condition que l'on garantisse à la membrane une certaine humidité. For this purpose, the electrolyte may for example be a solid polymer electrolyte, the resulting cell being of the PCESP type (polymeric solid electrolyte fuel cell) or more particularly a proton exchange membrane, the resulting cell being a PCMEP type cell. (proton exchange membrane fuel cell), the latter type of fuel cell being particularly interesting for automotive traction provided that it ensures the membrane a certain humidity.
L'électrolyte peut être une membrane polymère d'épaisseur de 15 à 200 m. The electrolyte may be a polymer membrane with a thickness of 15 to 200 m.
L'assemblage électrode-électrolyte-électrode est lui-même intercalé entre deux plaques bipolaires assurant principalement la collecte du courant et également généralement la distribution des gaz réactifs. The electrode-electrolyte-electrode assembly is itself interposed between two bipolar plates mainly ensuring the collection of the current and also generally the distribution of the reactive gases.
La réaction globale de la pile à combustible étant exothermique, les plaques bipolaires assurent également la distribution d'un fluide caloporteur destiné à refroidir la pile et à maintenir le c ur de la pile à une température inférieure à 90 C puisqu'au delà de cette température les performances des piles actuelles en sont diminuées. Since the overall reaction of the fuel cell is exothermic, the bipolar plates also provide for the distribution of a coolant intended to cool the cell and to maintain the core of the cell at a temperature of less than 90 ° C since beyond this temperature the performance of current batteries are reduced.
Parmi les fluides caloporteurs utilisés, l'eau déionisée présente un grand nombre des propriétés requises pour des fluides caloporteurs, à savoir une résistivité électrique élevée de l'ordre de 18 MS2.cm, une chaleur spécifique, une conductivité thermique, ainsi qu'une faible viscosité et une température d'inflammation supérieure à 90 C. Among the heat transfer fluids used, deionized water has many of the properties required for heat transfer fluids, namely a high electrical resistivity of the order of 18 MS2.cm, a specific heat, a thermal conductivity, as well as a low viscosity and an ignition temperature above 90 C.
Cependant, la forte corrosivité de l'eau déionisée conduit à la présence, avec le temps, d'ions organiques et minéraux provenant de l'arrachement de particules métalliques et/ou de polymères des matériaux en contact avec le fluide dans le circuit de refroidissement. However, the strong corrosivity of the deionized water leads to the presence, over time, of organic and inorganic ions from the tearing of metal particles and / or polymers of the materials in contact with the fluid in the cooling circuit. .
Or, il est préférable qu'un fluide caloporteur présente une conductivité faible, de préférence inférieure à 5 S. cm-1, pour éviter les fuites de courant et les court-circuits. However, it is preferable that a coolant has a low conductivity, preferably less than 5 cm.sup.-1, to avoid current leakage and short circuits.
Un autre inconvénient de l'eau déionisée concerne le fait que l'eau gèle à 0 C ce qui empêche son utilisation dans des environnements froids. Another disadvantage of deionized water is that the water freezes at 0 C which prevents its use in cold environments.
Cet inconvénient est cependant aisément résolu par l'addition ou l'utilisation de fluides caloporteurs connus dans le domaine de l'automobile qui restent sous forme liquide à des températures inférieures à 0 C. This disadvantage, however, is easily solved by the addition or use of heat transfer fluids known in the automotive field which remain in liquid form at temperatures below 0 C.
Par exemple, il est connu d'ajouter à l'eau déionisée un ou plusieurs antigels connus tels que de l'éthylène glycol et/ou du propylène glycol. For example, it is known to add to the deionized water one or more known antifreezes such as ethylene glycol and / or propylene glycol.
Cependant, ce type d'addition conduit à l'augmentation de la conductivité du fluide caloporteur dus à la présence de stabilisateurs de pH et d'inhibiteurs de corrosion à base de sels normalement employés dans de tels additifs. However, this type of addition leads to the increase in the conductivity of the coolant due to the presence of pH stabilizers and salt-based corrosion inhibitors normally used in such additives.
De plus, les glycols se décomposent pour former des acides glycolique, glyoxylique et formique qui, d'une part accélèrent les processus de corrosion de composants du système de refroidissement, et d'autre part participent à l'augmentation de la conductivité du fluide caloporteur. In addition, the glycols decompose to form glycolic, glyoxylic and formic acids which, on the one hand, accelerate the corrosion processes of components of the cooling system, and on the other hand contribute to the increase of the conductivity of the heat transfer fluid. .
Il existe des filtres à base de résine échangeuses d'ions qui sont utilisé pour maintenir une faible conductivité électrique en retenant les ions produits et relargués. There are ion-exchange resin-based filters that are used to maintain low electrical conductivity by retaining the ions produced and released.
L'inconvénient majeur de l'utilisation de ces filtres est la nécessité de remplacer régulièrement les résines pour garantir une faible conductivité. The major disadvantage of the use of these filters is the need to regularly replace the resins to ensure low conductivity.
Pour accroître la durée de vie des résines, leurs 25 dimensions peuvent être augmentées avec pour conséquence un encombrement accru du système de filtration. To increase the life of the resins, their dimensions can be increased with consequent increased bulk of the filtration system.
Les autres solutions actuellement développées consistent en l'utilisation de fluides caloporteurs hydrocarbonés, siliconés ou perfluorés. The other solutions currently developed consist of the use of hydrocarbon, silicone or perfluorinated heat transfer fluids.
Cependant, les fluides hydrocarbonées et siliconés sont souvent inflammables et/ou incompatibles avec les matériaux utilisés communément pour les joints, tuyaux et tubes tels que le silicone, l'EPDM. However, hydrocarbon and silicone fluids are often flammable and / or incompatible with the materials commonly used for joints, pipes and tubes such as silicone, EPDM.
Aussi, les coûts élevés des fluides fluorés les réservent plutôt pour des applications militaires et spatiales et les contraintes environnementales restreignent l'utilisation de nombreux produits fluorés. Also, the high costs of fluoridated fluids reserve them rather for military and space applications and environmental constraints restrict the use of many fluorinated products.
2872960 4 Dans ce contexte, l'invention vise un système de refroidissement répondant aux besoins exposés précédemment et permettant de pallier les inconvénients précités. In this context, the invention aims a cooling system meeting the needs described above and to overcome the aforementioned drawbacks.
A cet effet, le système de refroidissement pour pile à combustible comportant des moyens de circulation et de refroidissement d'un fluide caloporteur aqueux permettant d'assurer le refroidissement en continu de la dite pile est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réservoir de déionisation 5 disposé dans la ligne de circulation 1 du fluide caloporteur et comprenant au moins deux électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 auxquelles est appliqué un potentiel et qui sont plongées dans le fluide caloporteur 8 circulant à travers le réservoir de déionisation 5 de façon à assurer la déionisation du fluide caloporteur 8. For this purpose, the cooling system for a fuel cell comprising means for circulating and cooling an aqueous heat-transfer fluid making it possible to ensure continuous cooling of said stack is essentially characterized in that it further comprises a deionization tank 5 disposed in the circulation line 1 of the coolant and comprising at least two respectively anodic electrode 6 and cathode 7 to which a potential is applied and which are immersed in the coolant 8 flowing through the deionization tank 5 so to ensure the deionization of the coolant 8.
Avantageusement, le système de l'invention comporte également des moyens de récupération 13, 14 de l'hydrogène et de l'oxygène formés au niveau des électrodes respectivement cathodique 7 et anodique 6 et des moyens de circulation 11, 12, 15, 16 de l'hydrogène et de l'oxygène depuis le réservoir de déionisation 5 jusqu'aux circuits d'alimentation respectifs en carburant 18 et en comburant 17 de la pile à combustible 2. Advantageously, the system of the invention also comprises recovery means 13, 14 of the hydrogen and oxygen formed at the respectively cathodic electrode 7 and anode 6 and circulation means 11, 12, 15, 16 of hydrogen and oxygen from the deionization tank 5 to the respective fuel supply circuits 18 and oxidant 17 of the fuel cell 2.
A cet effet, le système peut prévoir que deux conduits appropriés 11, 12 recouvrent en leurs extrémités respectives 13, 14 au moins partiellement les électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 et que chacun des conduits 11, 12 comporte au minimum une simple vanne anti-retour 15, 16 ou une pompe 15, 16 selon la pression des fluides dans les lignes pour acheminer l'hydrogène et l'oxygène jusqu'aux circuits d'alimentation respectifs en carburant 18 et en comburant 17 de la pile à combustible 2. For this purpose, the system can provide that two suitable conduits 11, 12 cover at their respective ends 13, 14 at least partially the respectively anodic electrode 6 and cathodic electrode 7 and that each of the conduits 11, 12 comprises at least a simple anti-condensation valve. 15, 16 or a pump 15, 16 according to the pressure of the fluids in the lines for conveying hydrogen and oxygen to the respective fuel supply circuits 18 and oxidant 17 of the fuel cell 2.
Préférentiellement, le système de l'invention comporte un filtre de rétention des particules et des ions résiduels 10, 24 qui est disposé dans la ligne de circulation 1 du fluide caloporteur à un endroit où le fluide caloporteur 8 qui le traverse a déjà subi l'opération de déionisation dans le réservoir de déionisation 5. Preferably, the system of the invention comprises a residual particles and ions retention filter 10, 24 which is arranged in the circulation line 1 of the coolant at a place where the heat transfer fluid 8 which passes through it has already undergone the deionization operation in the deionization tank 5.
On peut ainsi prévoir qu'un filtre 24 soit disposé dans le réservoir de déionisation 5 au niveau de la sortie du fluide caloporteur. It can thus be provided that a filter 24 is placed in the deionization tank 5 at the outlet of the heat transfer fluid.
On peut alternativement prévoir qu'un filtre 10 soit disposé dans la ligne de circulation du fluide 1 en 10 aval du réservoir de déionisation (5). Alternatively, a filter 10 may be provided in the fluid circulation line 1 downstream of the deionization tank (5).
Très avantageusement, le système de l'invention comporte également des moyens 19,20,22 pour acheminer l'eau produite au sein de la pile à combustible 2 jusqu'au réservoir de déionisation 5 afin de compenser le déficit en eau, dans le réservoir de déionisation 5, provenant de la production d'hydrogène et d'oxygène au niveau des électrodes respectivement cathodique 7 et anodique 6. Very advantageously, the system of the invention also comprises means 19,20,22 for conveying the water produced in the fuel cell 2 to the deionization tank 5 in order to compensate for the water deficit in the reservoir deionization 5, from the production of hydrogen and oxygen at the respectively cathodic electrode 7 and anodic 6.
Dans ce sens, un séparateur eau/gaz 20 peut être disposé en sortie de la pile à combustible 2 et ainsi l'eau, produite par la pile 2 peut circuler jusqu'au réservoir de déionisation 5. In this sense, a water / gas separator 20 can be arranged at the outlet of the fuel cell 2 and thus the water produced by the cell 2 can flow to the deionization tank 5.
Selon l'invention, on peut prévoir que le potentiel appliqué aux électrodes 6, 7 est au moins issu d'un convertisseur 9a alimenté par la pile à combustible 2. According to the invention, it can be provided that the potential applied to the electrodes 6, 7 is at least derived from a converter 9a supplied by the fuel cell 2.
Il est également possible de prévoir qu'une partie du potentiel appliqué aux électrodes 6, 7 soit issu d'une batterie 23. It is also possible to provide that a portion of the potential applied to the electrodes 6, 7 comes from a battery 23.
Aussi, le fluide caloporteur 8 utilisé peut être de 30 l'eau déionisée ou un mélange d'eau déionisée et d'antigel couramment utilisé. Also, the coolant 8 used may be deionized water or a mixture of deionized water and antifreeze commonly used.
On peut enfin prévoir que le moyen de refroidissement 3 du fluide caloporteur soit un échangeur thermique 3 qui est disposé en aval du réservoir de déionisation 5. Finally, it can be provided that the cooling means 3 of the coolant is a heat exchanger 3 which is disposed downstream of the deionization tank 5.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés qui représentent des exemples non limitatifs de réalisation du procédé et du dispositif de l'invention et sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique fonctionnel du système de l'invention selon un premier mode de réalisation; la figure 2 est un schéma synoptique fonctionnel du système de l'invention selon un deuxième mode de réalisation; et la figure 3 est un schéma synoptique fonctionnel d'une partie du système de l'invention selon un troisième mode de réalisation. The invention will be better understood and other objects, advantages and characteristics thereof will appear more clearly on reading the description which follows and which is made with reference to the accompanying drawings which show non-limiting examples of embodiment of the method and of the device of the invention and in which: - Figure 1 is a block diagram functional system of the invention according to a first embodiment; FIG. 2 is a functional block diagram of the system of the invention according to a second embodiment; and FIG. 3 is a functional block diagram of a portion of the system of the invention according to a third embodiment.
En référence à la figure 1, le système de refroidissement de l'invention comporte une ligne de circulation 1 du fluide caloporteur aqueux traversant notamment la pile à combustible 2 et plus particulièrement les plaques bipolaires de la pile à combustible qui ne sont pas représentés. Referring to Figure 1, the cooling system of the invention comprises a circulation line 1 of the aqueous heat transfer fluid including the fuel cell 2 and more particularly the bipolar plates of the fuel cell which are not shown.
Cette ligne de circulation 1 comporte une pompe 4 et un échangeur de chaleur 3 adapté permettant de refroidir le fluide caloporteur aqueux avant sa circulation au sein de la pile 2. This circulation line 1 comprises a pump 4 and a heat exchanger 3 adapted to cool the aqueous heat transfer fluid before its circulation within the stack 2.
Selon l'invention, le système de refroidissement comprend un réservoir de déionisation 5 qui est disposé également dans la ligne de circulation 1 en amont de l'échangeur de chaleur 3 et qui comporte deux électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 plongées dans le fluide caloporteur 8 traversant le réservoir de déionisation. According to the invention, the cooling system comprises a deionization tank 5 which is also arranged in the circulation line 1 upstream of the heat exchanger 3 and which comprises two respectively anodic electrode 6 and cathode electrode 7 immersed in the heat transfer fluid 8 through the deionization tank.
Dans le cas d'une application à la traction d'un véhicule automobile, la pile à combustible 2 alimente le moteur 9 du véhicule et les deux électrodes sont également alimentées électriquement par la pile en combustible 2 via un convertisseur 9a. In the case of a traction application of a motor vehicle, the fuel cell 2 supplies the motor 9 of the vehicle and the two electrodes are also electrically powered by the fuel cell 2 via a converter 9a.
Ainsi, lorsque le fluide caloporteur 8 traverse le réservoir de déionisation 5 contenant les deux électrodes 6, 7 en fonctionnement, les anions et cations contenus dans le fluide s'accumulent autour des électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 par attraction électrique. Thus, when the heat transfer fluid 8 passes through the deionization tank 5 containing the two electrodes 6, 7 in operation, the anions and cations contained in the fluid accumulate around the respectively anodic electrode 6 and cathodic electrode 7 by electrical attraction.
Le fluide en sortie du réservoir de déionisation 5 est ainsi appauvri en ions, sa conductivité électrique reste donc suffisamment faible pour éviter les fuites de 10 courant et/ou les court-circuits. The fluid at the outlet of the deionization tank 5 is thus depleted of ions, its electrical conductivity therefore remains low enough to prevent current leakage and / or short circuits.
Selon le mode de réalisation présenté sur cette figure, on prévoit un filtre l'ajout du filtre est optimal de rétention des particules et ions résiduels 10 disposé dans la ligne de circulation 1 en aval du réservoir de déionisation 5 et en amont de l'échangeur 3. According to the embodiment presented in this figure, there is provided a filter the addition of the filter is optimal retention of particles and residual ions 10 disposed in the circulation line 1 downstream of the deionization tank 5 and upstream of the exchanger 3.
Ce filtre permet de récupérer les ions et les particules neutres subsistant dans le fluide 8 après son passage à travers le réservoir de déionisation 5. This filter makes it possible to recover the ions and the neutral particles remaining in the fluid 8 after passing through the deionization tank 5.
Selon l'invention, le système de refroidissement comporte également deux conduits 11, 12 dont les extrémités respectives 13, 14 recouvrent au moins en partie les électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 et sur chacun desquels est disposée une pompe au minimum une simple vanne anti-retour 15, 16 ou une pompe 15, 16 selon la pression des fluides dans les lignes, permettant la circulation, à travers les conduits 11, 12, des gaz émis respectivement par les électrodes anodique 6 et cathodique 7, à savoir de l'oxygène et de l'hydrogène. According to the invention, the cooling system also comprises two ducts 11, 12 whose respective ends 13, 14 cover at least partly the respectively anodic electrode 6 and cathodic electrode 7 and each of which is arranged a pump at least a single valve anti -return 15, 16 or a pump 15, 16 according to the pressure of the fluids in the lines, allowing the circulation, through the conduits 11, 12, of the gases emitted respectively by the anodic electrode 6 and the cathode electrode 7, namely the oxygen and hydrogen.
Selon l'invention, l'oxygène et l'hydrogène récupérés au niveau des électrodes respectivement anodique 6 et cathodique 7 sont véhiculés, dans les conduit respectif 11, 12 jusqu'aux conduits d'alimentation en comburant 17 et en carburant 18 de la pile à combustible. According to the invention, the oxygen and the hydrogen recovered at the respectively anodic electrode 6 and cathode 7 are conveyed in the respective ducts 11, 12 to the fuel supply lines 17 and fuel 18 of the battery fuel.
Par ce système, les phénomènes de surpression dans le réservoir 5 sont évités et les alimentations en carburant et en comburant de la pile à combustible sont enrichies respectivement en hydrogène et en oxygène. By this system, the phenomena of overpressure in the tank 5 are avoided and the fuel and fuel supply of the fuel cell are enriched respectively in hydrogen and oxygen.
La production d'hydrogène et d'oxygène au niveau des électrodes respectivement cathodique et anodique entraîne une consommation de l'eau contenue dans le fluide caloporteur. The production of hydrogen and oxygen at the respectively cathodic and anodic electrodes causes consumption of the water contained in the coolant.
Pour compenser cette consommation d'eau, le système de l'invention prévoit qu'une partie de l'eau produite par la pile soit récupérée puis ajoutée dans le réservoir de déionisation. To compensate for this consumption of water, the system of the invention provides that part of the water produced by the cell is recovered and then added to the deionization tank.
Pour cela, un mélange d'eau et de gaz est récupéré en sortie de la pile à combustible 2 et transporté via un conduit 19 jusqu'à un séparateur eau/gaz 20 duquel est extrait le gaz 21 et l'eau qui est amenée par l'intermédiaire d'un conduit 22 jusqu'au réservoir de déionisation 5. For this, a mixture of water and gas is recovered at the outlet of the fuel cell 2 and transported via a conduit 19 to a water / gas separator 20 from which the gas 21 and the water which is supplied by via a conduit 22 to the deionization tank 5.
En référence à la figure 2, le système de refroidissement de l'invention selon un second mode de réalisation prévoit que les électrodes respectivement anodique 6 et cathodiques 7 soient alimentées par une batterie secondaire 23. With reference to FIG. 2, the cooling system of the invention according to a second embodiment provides that the respectively anodic electrode 6 and cathode electrode 7 are powered by a secondary battery 23.
En référence à la figure 3, dans le système de refroidissement de l'invention selon un troisième mode de réalisation, le filtre de rétention des particules et ions résiduels 10 est disposé dans le réservoir de déionisation 5 ce qui permet de diminuer l'encombrement du système de refroidissement. With reference to FIG. 3, in the cooling system of the invention according to a third embodiment, the retention filter for the residual particles and ions 10 is disposed in the deionization tank 5, which makes it possible to reduce the bulk of the Cooling system.
Le système de l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits précédemment. The system of the invention is not limited to the embodiments described above.
Par exemple, il est possible de prévoir, dans le système de l'invention, un réservoir de déionisation contenant plus de deux électrodes. For example, it is possible to provide, in the system of the invention, a deionization tank containing more than two electrodes.
Bien entendu, bien que les systèmes de refroidissement représentés en figures 1 à 3 concernent des systèmes pour piles à combustible utilisées dans le domaine de l'automobile, on peut prévoir une utilisation du système de refroidissement pour des piles à combustible appliquées à un autre domaine. Of course, although the cooling systems represented in FIGS. 1 to 3 relate to fuel cell systems used in the automotive field, it is possible to provide for the use of the cooling system for fuel cells applied to another domain. .
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2004
- 2004-07-08 FR FR0407630A patent/FR2872960A1/en not_active Withdrawn
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