FR2893185A1 - Procede d'alimentation ameliore en hydrogene du compartiment anodique d'une pile a combustible et dispositif de mise en oeuvre d'un tel procede - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne principalement un procédé d'alimentation en hydrogène du compartiment anodique (3) d'une pile à combustible comprenant au moins les étapes successives suivantes :(a) l'introduction de l'hydrogène dans le compartiment anodique (3) par une première zone d'extrémité (7) de ce compartiment (3), et(b) l'introduction de l'hydrogène dans le compartiment anodique (3) par une deuxième zone d'extrémité (5) de ce compartiment (3),dans lequel les étapes (a) et (b) peuvent être réitérées pendant la durée de fonctionnement de la pile à combustible.L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre un tel procédé.

Description

La présente invention concerne principalement un procédé d'alimentation en
hydrogène du compartiment anodique d'une pile à combustible. L'invention concerne également un dispositif permettant de mettre en œuvre un tel procédé. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique permettant de produire de l'électricité à partir de la réaction de synthèse de l'eau : H2 + O2- H2O .
Pour ce faire, la cathode doit être alimentée en oxygène ou en air atmosphérique, comme c'est le cas notamment pour les applications dans le domaine de l'automobile, et l'anode doit être alimentée en hydrogène ou en un gaz riche en hydrogène tel qu'un gaz issu d'un procédé de reformage, ces réactifs étant hydratés pour assurer le bon fonctionnement de la pile. L'anode et la cathode sont séparées par un électrolyte qui peut être dans certaines applications une membrane échangeuse de protons.
Les deux demi-réactions conduisant à la réaction de synthèse de l'eau précitée sont : A l'anode : H2- 21-1+ + 2e A la cathode : 02 + 2H+ + 2e -H2O. Un système classique d'alimentation en hydrogène de l'anode d'une pile à combustible est décrit en référence à la figure 1, sur laquelle est représentée une pile à combustible 0 comprenant un compartiment cathodique 1, un assemblage membrane-électrode 2 et un compartiment anodique 3 défini par des première et deuxième zones d'extrémités 7,5, ainsi qu'un système d'alimentation en hydrogène 4 permettant l'introduction d'hydrogène pur ou d'un gaz riche en hydrogène dans le compartiment anodique 3 par la deuxième zone d'extrémité 5 et une vanne de purge 6 reliée à la première zone d'extrémité opposée 7 du compartiment anodique 3 et maintenue en position fermée pendant l'introduction de l'hydrogène dans le compartiment anodique 3.
Au cours du fonctionnement d'une telle pile à combustible, il se produit une accumulation d'eau et d'azote au niveau de la première extrémité 7 représentée par des points, cette accumulation d'eau et d'azote provenant d'une diffusion à travers la membrane 2 et d'une condensation de l'eau d'hydratation du carburant. Le compartiment anodique présente alors une forte concentration en hydrogène, représentée par des hachures, au niveau de la deuxième zone d'extrémité 5 et une forte concentration d'eau et d'azote au niveau de la première zone d'extrémité 7. Ce phénomène de stratification conduit à une baisse significative des performances électriques de la pile provenant d'une baisse de pression partielle de H2 dans le compartiment anodique 3 et à l'utilisation d'une partie seulement de la surface utile du compartiment anodique 3. Pour limiter cette perte de performance, il est nécessaire de purger périodiquement le compartiment anodique 3, c'est-à-dire d'évacuer l'eau et l'azote présents au niveau de la première zone d'extrémité 7, afin de rétablir une pression partielle de H2 homogène dans le compartiment anodique et d'utiliser la totalité de la surface du compartiment anodique 3. Pour ce faire, la vanne de purge 6 est mise en position ouverte, ce qui permet aux gaz présents dans le compartiment anodique 3 de circuler à travers cette vanne 6 en raison de la différence de pression entre la pression du circuit et la pression en aval de cette vanne.
L'eau et l'azote sont alors évacués de la première zone d'extrémité 7 et remplacés par de l'hydrogène provenant de l'alimentation 4. Un inconvénient majeur de ce système est la perte significative d'hydrogène au moment de l'étape de purge.
Un autre système d'alimentation en hydrogène connu permettant de résoudre le problème de stratification précité est décrit en référence à la figure 2 sur laquelle est représentée une pile à combustible 0 comportant un compartiment cathodique 1, un assemblage membrane-électrode 2 et un compartiment anodique 3 ainsi qu'un système d'alimentation en hydrogène 8 et une boucle de recirculation 11 qui permet de faire recirculer en continu le gaz issu de la première zone d'extrémité 7 via un circulateur 10 et de le mélanger à de l'hydrogène pur avant d'être introduit dans le compartiment anodique 3 au niveau de la deuxième zone d'extrémité 5.
Le circulateur 10, qui peut être une pompe ou un éjecteur, est soumis à des conditions de fonctionnement délicates, et notamment, toute présence d'eau liquide dans ce circulateur 10 doit être évitée. C'est pourquoi un séparateur 9 permet de collecter et de séparer l'eau présente sous forme liquide dans le gaz issu de la première zone d'extrémité 7 des espèces gazeuses, tels que l'hydrogène, l'azote et la vapeur d'eau, ces dernières étant introduites dans la boucle de recirculation 11 décrite précédemment.
Ce système d'alimentation en hydrogène permet d'assurer un meilleur brassage des différentes espèces gazeuses présentes au sein du compartiment anodique 3, mais est soumis à l'utilisation de pièces encombrantes, fragiles et complexes à piloter, tels que le circulateur 10 et le séparateur 9. Le procédé de la présente invention permet de pallier les inconvénients précités et est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes successives suivantes . (a) l'introduction de l'hydrogène dans le compartiment anodique 3 depuis une première zone d'extrémité 7 de ce compartiment formant entrée de l'hydrogène dans cette étape, et (b) l'introduction de l'hydrogène dans le compartiment anodique 3 par une deuxième zone d'extrémité 5 formant entrée de l'hydrogène dans cette étape, dans lequel les étapes a et b peuvent être réitérées pendant la durée de fonctionnement de la pile à combustible. Un tel procédé permet d'éviter les phénomènes de stratification par un brassage des différentes espèces interne au compartiment anodique qui permet en outre d'assurer l'hydratation du carburant, ces deux phénomènes permettant ainsi d'améliorer le rendement de la pile à combustible.
Avantageusement, le passage de l'étape a à b et/ou de l'étape b à a comprend une phase de transition e pendant laquelle, soit l'hydrogène ne circule plus dans le compartiment anodique 3, soit l'hydrogène est introduit à la fois par la première zone d'extrémité 7 et par la deuxième zone d'extrémité 5. De préférence, dans ce dernier cas, pendant la phase de transition e de l'étape a à l'étape b, le débit d'introduction de l'hydrogène par la première zone d'extrémité 7 diminue tandis que le débit d'introduction de l'hydrogène par la deuxième zone d'extrémité 5 augmente, et/ou pendant la phase de transition e de l'étape b à l'étape a, le débit d'introduction de l'hydrogène par la première zone d'extrémité 7 vers la deuxième zone d'extrémité 5 augmente tandis que le débit d'introduction de l'hydrogène par la deuxième zone d'extrémité 5 vers la première zone d'extrémité 7 diminue. Avantageusement, la présence ou non de la phase de transition e, le profil et la durée de cette phase de cette phase de transition e et/ou la durée des étapes a et b sont prédéfinies ou variables au cours du fonctionnement de la pile à combustible. De préférence, la présence ou non de la phase de transition e, le profil et la durée de cette phase de transition e ainsi que la durée des étapes a et b varient au cours du fonctionnement de la pile à combustible selon la tension de la pile.
De façon avantageuse, le procédé de l'invention comprend en outre au moins une étape de purge pour évacuer les espèces parasites présentes dans le compartiment anodique, soit les espèces autres que l'hydrogène et la vapeur d'eau. Dans ce cas, l'étape de purge peut être mise en œuvre périodiquement ou selon les performances de la pile. L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé défini précédemment comprenant au moins un système d'alimentation en hydrogène 12a relié à un premier moyen de distribution en hydrogène dans le compartiment anodique 12 par la première zone d'extrémité 7 et à un deuxième moyen de distribution en hydrogène dans le compartiment anodique 13 par la deuxième zone d'extrémité 5, les dits premier 12 et deuxième moyens 13 de distribution pouvant être sélectivement en position d'ouverture ou de fermeture. Avantageusement, le dispositif comprend en outre un système de purge du compartiment anodique 16,14,15 permettant d'effectuer la purge par au moins la première 5 ou la deuxième 7 zone d'extrémité du compartiment anodique 3. De préférence, les premier 12 et deuxième 13 moyens 25 d'alimentation en hydrogène sont des électrovannes pilotées. Très avantageusement, le système de purge 16 comprend des première 14 et deuxième 15 vannes de purge respectivement reliées à la première zone d'extrémité 7 30 du compartiment anodique 3 et à la deuxième zone d'extrémité 5 du compartiment anodique 3 de façon à effectuer la purge sélectivement par la première 7 ou deuxième 5 zone d'extrémité du compartiment anodique 3. En outre, les première 14 et deuxième 15 vannes de 35 purge peuvent être des électrovannes. Selon une première variante de l'invention, les premier 12 et deuxième 13 moyens d'alimentation en hydrogène sont constitués par un premier distributeur hydraulique à deux voies 22 et les premières 14 et deuxième 15 vannes de purge sont constituées par un deuxième distributeur hydraulique à deux voies 23 en aval duquel est monté une vanne de purge 24 pouvant être sélectivement ouverte ou fermée. Selon une deuxième variante de l'invention, les premier 12 et deuxième 13 moyens d'alimentation en hydrogène et les première 14 et deuxième 15 vannes de purge sont constituées par un distributeur hydraulique à quatre voies 26 en aval duquel est monté une vanne de purge 27 pouvant être sélectivement ouverte ou fermée. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre et qui est faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant des modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier dispositif de l'art antérieur de distribution de l'hydrogène dans le compartiment anodique ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième dispositif de l'art antérieur de distribution d'hydrogène dans le compartiment anodique ; - la figure 3 est une représentation schématique du dispositif de l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique du 30 dispositif de l'invention en fonctionnement à l'instant to de l'étape (a) ; - la figure 5 est une représentation schématique du dispositif de l'invention en fonctionnement au temps tl de l'étape (b) ; 35 - la figure 6 est une représentation schématique du dispositif de l'invention en fonctionnement à l'instant t2 de l'étape (b) ; - la figure 7 est une représentation schématique du dispositif de l'invention en fonctionnement à l'instant t3 de l'étape (b) - la figure 8 est une représentation schématique du 5 dispositif de l'invention en fonctionnement à l'instant t4 de l'étape (a) - la figure 9 est une représentation schématique du dispositif de l'invention en fonctionnement à l'instant t5 de l'étape (a) 10 - la figure 10 est une représentation schématique du dispositif de l'invention en fonctionnement à l'instant t6 de l'étape (a) ; - la figure 11 est un diagramme représentant les profils d'ouverture et de fermeture respectifs des 15 première et deuxième vannes de distribution d'hydrogène du dispositif de l'invention en fonction du temps selon un premier mode de réalisation ; - la figure 12 est un diagramme représentant les profils d'ouverture et de fermeture respectifs des 20 première et deuxième vannes de distribution d'hydrogène du dispositif de l'invention en fonction du temps selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 13 est un diagramme représentant les profils d'ouverture et de fermeture respectifs des 25 première et deuxième vannes de distribution d'hydrogène du dispositif de l'invention en fonction du temps selon un troisième mode de réalisation ; - la figure 14 est un diagramme représentant les profils d'ouverture et de fermeture respectifs des 30 première et deuxième vannes de distribution d'hydrogène du dispositif de l'invention en fonction du temps de fonctionnement selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 15 est une représentation schématique 35 du dispositif de l'invention à l'instant to de l'étape (a) lorsque la purge est mise en oeuvre ; - la figure 16 est une représentation schématique du dispositif de l'invention ne comportant qu'une seule vanne de purge ; - la figure 17 est une représentation schématique 5 d'une première variante du dispositif de l'invention en fonctionnement pendant l'étape (a) ; - la figure 18 est une représentation schématique de la première variante du dispositif de l'invention en fonctionnement pendant l'étape (b) ; 10 - la figure 19 est une représentation schématique d'une deuxième variante du dispositif de l'invention en fonctionnement pendant l'étape (a) ; et - la figure 20 est une représentation schématique de la deuxième variante du dispositif de l'invention en 15 fonctionnement pendant l'étape (b). En référence à la figure 3, le dispositif de l'invention comprend un système d'alimentation en hydrogène 12a relié à des premières 12 et deuxième 13 vannes de distribution en hydrogène disposées en 20 parallèle, ces premières 12 et deuxième 13 vannes de distribution 12, 13 étant respectivement reliées aux deuxième 5 et première 7 zones d'extrémité du compartiment anodique. Le dispositif de l'invention comporte également un 25 système de purge 16 comprenant des première 14 et deuxième 15 vannes de purge qui sont également respectivement reliées aux première 7 et deuxième 5 zones d'extrémité du compartiment anodique 3. Il est possible de prévoir que le système de purge 30 16 ne comprenne que l'une des première 14 ou deuxième 15 vannes de purge. Ces première 12 et deuxième 13 vannes de distribution d'hydrogène ainsi que ces premières 14 et deuxième 15 vannes de purge, peuvent êtres des 35 électrovannes pilotées, telles que des vannes dites "proportionnelles" ou dites "tout ou rien" ou bien toute autre technologie de vanne.
Le fonctionnement des vannes de purge 14,15 sera décrit plus loin en référence à la figure 15, ces deux vannes 14,15 étant maintenues en position fermée pendant le cycle de fonctionnement du procédé de l'invention décrit en référence aux figures 4 à 10. En référence aux figures 4 à 10, les hachures identifient la présence d'un gaz riche en hydrogène ou d'un gaz constitué d'hydrogène pur, et les points identifient la présence d'un gaz riche en sous-produits des réactions anodiques, tels que de l'azote et de l'eau à l'état gazeux et liquide. En référence à la figure 4, à l'instant t0, le procédé de l'invention se trouve dans une étape (a) dans laquelle le système d'alimentation en hydrogène 12a fourni en continu un débit d'hydrogène, la deuxième vanne de distribution 13 est en position ouverte alors que la première vanne de distribution 12 est en position fermée, l'alimentation en hydrogène dans le compartiment anodique 3 s'effectuant ainsi depuis la première zone d'extrémité 7. Comme décrit précédemment en référence à l'art antérieur, un phénomène de stratification s'établit au sein du compartiment anodique sous la forme d'une concentration des produits des réactions anodiques au niveau de la première moitié 17 du compartiment anodique 3 proche de la deuxième zone d'extrémité 5 et d'une concentration en hydrogène au niveau de la deuxième moitié 18 du compartiment anodique 3 proche de la première zone d'extrémité 7.
En référence à la figure 5, à l'instant t1, le procédé passe dans une étape b, dans laquelle la première vanne de distribution 12 bascule en position ouverte, tandis que la deuxième vanne de distribution 13 bascule en position fermée, ce qui conduit à la circulation d'hydrogène pur depuis le système d'alimentation 12a vers la deuxième zone d'extrémité 5.
A cet instant t1, subséquent au basculement des première 12 et deuxième 13 vannes d'alimentation, la stratification dans le compartiment anodique reste inchangée.
Les figures 6 et 7 représentent l'évolution dans le temps, aux instants t2 et t3, de la stratification dans le compartiment anodique 3 lorsque les première 12 et deuxième 13 vannes de distribution sont maintenues respectivement en position ouverte et fermée pendant l'étape b. Il se produit une inversion de la stratification dans le compartiment anodique 3 passant par l'état représenté sur la figure 6, dans lequel l'hydrogène est présent dans une partie dite supérieure 19 au regard de la figure 6 du compartiment anodique 3 proche de la deuxième zone d'extrémité 5 et dans une partie dite inférieure 20 au regard de la figure 6 proche de la première zone d'extrémité 7, la partie centrale 21 du compartiment anodique comportant majoritairement des produits de réaction anodique, étant bien entendu que les parties supérieure 19 et inférieure 20 peuvent s'inverser en parties inférieure 19 et supérieure 20 selon l'orientation du dispositif. Puis, en référence à la figure 7, la stratification s'inverse totalement et l'hydrogène se trouve au niveau de la première moitié 17 proche de la deuxième zone d'extrémité 5 et les produits de réaction anodique sont identifiés au niveau de la deuxième moitié 18 du compartiment anodique 3 proche de la première zone d'extrémité 7. En référence à la figure 8, le passage à l'étape a est marqué par le basculement des première 12 et deuxième 13 vannes de distribution, afin que l'hydrogène soit de nouveau introduit dans le compartiment anodique 3 depuis la première zone d'extrémité 7. A cet instant t4 subséquent au basculement des vannes 12 et 13, la répartition de l'hydrogène et des produits de réaction anodique dans le compartiment anodique 3 reste inchangée. La figure 9 et la figure 10 représentent l'évolution de la stratification au sein du compartiment 5 anodique 3 au cours de cette étape a. Comme pendant l'étape b, l'inversion de la stratification passe par une étape dans laquelle, en référence à la figure 9 correspondant au temps t5, l'hydrogène est présent au niveau de la partie dite 10 supérieure 19 du compartiment anodique 3 proche de la deuxième zone d'extrémité 5 ainsi qu'au niveau de la partie dite inférieure du compartiment anodique 3 proche de la première zone d'extrémité 7, alors que les produits de réaction anodique se trouvent dans la zone centrale 15 21. Puis, à l'instant t6 représenté sur la figure 10, le système se retrouve dans le même état que celui de l'instant to représenté sur la figure 4, à savoir que l'hydrogène est identifié en forte concentration au 20 niveau de la deuxième moitié 18 dans le compartiment anodique disposée proche de la première zone d'extrémité 7, alors que les autres espèces se trouvent principalement dans la première moitié 17 proche de la deuxième zone d'extrémité 5. 25 De nouvelles étapes successives b et a peuvent être encore mises en œuvre pendant la durée de fonctionnement de la pile à combustible. Ce processus d'alternance de l'introduction d'hydrogène dans le compartiment anodique 3 par les 30 première 7 et deuxième 5 zones d'extrémité au cours du fonctionnement de la pile à combustible permet de limiter la stratification et induit par voie de conséquence une homogénéisation de l'humidification provenant d'une meilleure répartition de l'eau dans le compartiment 35 anodique 3, ainsi que l'utilisation de la totalité de la surface utile du compartiment anodique 3 et donc une augmentation des performances de la pile à combustible.
Les figures 11 à 14 présentent différents profils de basculement des première 12 et deuxième 13 vannes de distribution d'hydrogène induisant différentes étapes intermédiaires e entre les étapes a et b et entre les étapes b et a. Les profils d'ouverture et de fermeture des deux vannes de distribution 12, 13 lors des étapes a, b et e sont représentés sur ces figures par les courbes respectives notées c et d.
En référence à la figure 11, les positions H1 et H2 représentent les positions respectives d'ouverture des première 12 et deuxième 13 vannes et les positions Il et I2 illustrent les positions respectives de fermeture des première 12 et deuxième 13 vannes.
Les profils des positions des deux vannes 12, 13 sont représentés en fonction des temps to à t6. L'effet du basculement des première 12 et deuxième 13 vannes de distribution est immédiat dans le sens où ces deux vannes 12 et 13 basculent simultanément et passent immédiatement d'un état ouvert à l'état fermé, et inversement, et, par conséquent l'étape e de transition est inexistante dans ce mode de réalisation. Ce basculement simultané et immédiat s'effectue de la même façon pour passer de l'étape b à une nouvelle 25 étape a. Les figures 12 à 14 représentent des profils alternatifs de basculement des deux vannes de distribution 12, 13. Sur ces figures, la position H représente la 30 position d'ouverture de la vanne concernée et la position I illustre la position de fermeture de la vanne concernée. Il est à noter que cette position ouverte H signifie `ouverte' pour une vanne tout ou rien et 35 `ouverte à son angle d'ouverture de consigne' pour une vanne proportionnelle selon le type de vanne utilisée.
Le profil de basculement des deux vannes 12,13 représenté en figure 12 présente une étape intermédiaire au cours de laquelle les deux vannes 12 et 13 sont maintenues en position fermée pendant un temps f.
Plus précisément, depuis l'étape a, la première vanne de distribution 12 est fermée progressivement, tandis que la deuxième vanne de distribution 13 reste dans une position fermée pendant une durée gl de l'étape de transition e jusqu'à ce que ces deux vannes 12 et 13 soient simultanément maintenues en position fermée pendant cette phase f, puis la deuxième vanne de distribution 13 est ouverte progressivement, tandis que la première vanne de distribution 12 reste fermée pendant une durée g2 jusqu'à l'ouverture totale de la deuxième vanne de distribution 13 marquant le début de l'étape b. Le profil de basculement des deux vannes 12,13 représenté en figure 13 présente une étape intermédiaire e au cours de laquelle les deux vannes 12 et 13 sont maintenues en position ouverte pendant un temps f.
Plus précisément, depuis l'étape a, la deuxième vanne 13 est ouverte progressivement, tandis que la première vanne 12 reste dans sa position ouverte pendant une durée g1, jusqu'à ce que les deux vannes 12 et 13 soient simultanément maintenues en position ouverte pendant un temps f, puis la première vanne 12 est fermée progressivement, tandis que la deuxième vanne 13 reste en position ouverte pendant une durée g2, jusqu'à l'obtention de la position des vannes 12, 13 telles que définies à l'étape b, c'est-à-dire la première vanne 12 en position fermée et la deuxième vanne 13 en position ouverte. La figure 14 présente un autre profil de l'étape de transition e dans lequel, la première vanne 12 se ferme progressivement, tandis que, simultanément, la deuxième vanne 13 s'ouvre progressivement, jusqu'à obtention de la position des vannes 12, 13 de l'étape b.
La phase de transition e peut être modulable au cours de la durée de fonctionnement de la pile à combustible. Il est en outre possible qu'une, plusieurs ou toutes les phases de transition e pendant le fonctionnement de la pile à combustible, présente(nt) des caractéristiques hybrides entre les phases de transition e décrites en référence aux figures 11 à 14 selon les besoins du système.
De plus, les profils d'ouverture et de fermeture des deux vannes de distribution 12, 13 ne sont pas forcément linéaires comme représentés sur les figures 12 à 14 mais peuvent dépendrent, par exemple, des vannes utilisées.
En ce qui concerne la phase de transition e représentée sur la figure 13 sur laquelle les première 12 et deuxième 13 vannes de distribution sont simultanément maintenues ouvertes pendant une durée f, cette phase e peut être ajustée et pilotée afin d'optimiser les performances de la pile. On peut également prévoir que le basculement des deux vannes 12, 13 s'effectue avant que la stratification soit complètement inversée dans le compartiment anodique 3, et ce, contrairement à ce qui a été décrit en référence aux figures 4 à 10. Avantageusement, ce système est modulable, tant au niveau de la durée de la phase de transition e, du profil et de la fréquence de cette phase de transition e, et ceci en fonction des besoins du système.
En effet, il est possible de prévoir que la fréquence et la durée de la phase de transition e soient prédéterminées à partir de la caractérisation du système et soient donc identiques au cours de toute la durée de fonctionnement de la pile à combustible.
Mais il est également possible de prévoir que la fréquence et la durée de la phase de transition e soient ajustables en fonctionnement, selon l'état du système, par exemple en fonction de la tension développée par la pile à combustible, étant entendu que pour un courant donné cette tension diminue lors du phénomène de stratification dans le compartiment anodique 3 et qu'il est avantageux à ce moment d'inverser la stratification. Lorsque l'accumulation d'eau et d'azote dans le compartiment anodique 3 est telle que l'hydrogène devient trop rare pour assurer un fonctionnement correct de la pile, la purge de l'anode est effectuée de la façon suivante. En référence à la figure 15, lorsque la purge est effectuée au cours de l'étape (a) de fonctionnement décrite précédemment, la première vanne de purge 14 est ouverte, permettant ainsi l'évacuation des fluides par la deuxième zone d'extrémité 5. Bien entendu, à l'inverse, lorsque la purge est effectuée au cours de l'étape (b), c'est la deuxième vanne de purge 15 qui est ouverte permettant l'écoulement des fluides contenus dans l'anode depuis la première zone d'extrémité 7. De façon générale, lors d'une étape de purge, l'évacuation de l'eau et de l'azote étant effectuée simultanément à l'introduction de l'hydrogène dans le compartiment anodique 3, il est nécessaire que la vanne de purge 14, 15 qui est ouverte pour mettre en oeuvre la purge soit celle qui permet d'effectuer cette purge depuis la zone d'extrémité 5,7 du compartiment anodique qui est opposée à la zone d'extrémité 5,7 par laquelle l'hydrogène est introduit dans ce compartiment 3 et ce, afin d'éviter que l'hydrogène s'écoulant à travers la vanne de distribution 12, 13 vers le compartiment anodique 3 ne soit évacué du circuit sans même avoir atteint l'anode. En référence à la figure 16 et selon le principe expliqué ci-dessus, lorsque le système ne comporte qu'une seule vanne de purge 14 relié à la deuxième zone d'extrémité 5, la purge n'est mise en oeuvre qu'au cours de l'étape (a) du procédé lorsque l'hydrogène est introduit par la première zone d'extrémité 7. Par le procédé de l'invention, les purges sont couplées à l'introduction d'hydrogène par l'une ou l'autre des première 12 ou deuxième 13 vannes de distribution ce qui permet de faire augmenter la concentration en hydrogène dans le compartiment anodique 3. Il est possible de prévoir que les purges soient effectuées périodiquement, par exemple au bout d'un nombre défini d'étapes (a) et (b) ou selon des durées de fonctionnement prédéterminées, ou bien que la purge se déclenche lorsque les performances du système baissent, par exemple, lorsque, pour un courant donné, la tension de la pile diminue ou est anormalement basse.En référence aux figures 17 et 18, il est possible, selon une variante de l'invention, de prévoir un premier distributeur hydraulique à deux voies 22 remplaçant les première 12 et deuxième 13 vannes de distribution décrites précédemment et un système de purge 25 pourvu d'une vanne de purge 24 montée en aval d'un deuxième distributeur hydraulique à deux voies 23. Ce système de purge 25 remplace les première 14 et deuxième 15 vannes de purges, la purge étant mise en oeuvre par l'ouverture de la vanne de purge 24 et l'écoulement des fluides depuis l'anode au travers du deuxième distributeur hydraulique 23. Par ailleurs, le premier distributeur hydraulique deux voies 22 est tel qu'il permet, sur commande, d'introduire l'hydrogène dans l'anode par la première zone d'extrémité 7 au cours de l'étape (a) (figure 17) et d'introduire l'hydrogène dans l'anode par la deuxième zone d'extrémité 5 au cours de l'étape b (figure 18). De la même façon, le deuxième distributeur hydraulique 23 est tel que lorsque la purge est mise en oeuvre pendant que le dispositif fonctionne selon l'étape (a), les fluides s'écoulent depuis la deuxième zone d'extrémité 5 et lorsque la purge est mise en oeuvre pendant que le dispositif fonctionne selon l'étape (b), les fluides s'écoulent depuis la première zone d'extrémité 7.
En référence aux figures 19 et 20, il est possible selon une autre variante de l'invention, de prévoir un unique distributeur hydraulique à quatre voies 26 en aval duquel est monté une vanne de purge 27 dont l'ouverture autorise la purge du compartiment anodique.
Cet unique distributeur hydraulique à quatre voies 26 est tel qu'il permet, sur commande, d'introduire l'hydrogène dans l'anode par la première zone d'extrémité 7 au cours de l'étape (a) (figure 19) et d'introduire l'hydrogène dans l'anode par la deuxième zone d'extrémité 5 au cours de l'étape b (figure 20). Ce distributeur unique 26 est également tel que lorsque la purge est mise en oeuvre par l'ouverture de la vanne de purge 27 pendant que le dispositif fonctionne selon l'étape (a), les fluides s'écoulent depuis la deuxième zone d'extrémité 5 et lorsque la purge est mise en oeuvre pendant que le dispositif fonctionne selon l'étape (b), les fluides s'écoulent depuis la première zone d'extrémité 7. L'homme du métier saura mettre en oeuvre et choisir les distributeurs hydrauliques adaptés à deux voies et à quatre voies fonctionnant comme décrit en référence aux figures 17 à 20. Le procédé et le dispositif de l'invention permettent ainsi de réduire la fréquence des purges ce qui limite les pertes d'hydrogène et augmente ainsi le rendement de la pile. Un tel procédé et dispositif permettent en outre d'optimiser le fonctionnement de la pile par l'utilisation et l'hydratation de toute la zone active de l'anode . Enfin, le dispositif de l'invention n'utilise que des vannes qui sont des composants classiques, peu encombrants, peu consommateurs d'énergie et simples d'utilisation. Le dispositif de l'invention étant ainsi moins coûteux du fait de l'utilisation de ce type de composants, mais également moins volumineux et plus léger, il permet l'adaptation facilitée d'une pile à combustible utilisée dans le domaine de l'automobile.

Claims (14)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'alimentation en hydrogène du compartiment anodique (3) d'une pile à combustible comprenant au moins les étapes successives suivantes : (a) l'introduction de l'hydrogène dans le compartiment anodique (3) par une première zone d'extrémité (7) de ce compartiment (3) formant entrée de l'hydrogène dans cette étape, et (b) l'introduction de l'hydrogène dans le compartiment anodique (3) par une deuxième zone d'extrémité (5) de ce compartiment (3) formant entrée de l'hydrogène dans cette étape, dans lequel les étapes (a) et (b) peuvent être réitérées pendant la durée de fonctionnement de la pile à combustible.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le passage de l'étape (a) à (b) et/ou de l'étape (b) à (a) comprend une phase de transition (e) pendant laquelle, soit l'hydrogène ne circule plus dans le compartiment anodique (3), soit l'hydrogène est introduit à la fois par la première zone d'extrémité (7) et par la deuxième zone d'extrémité (5).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel 30 pendant la phase de transition (e) de l'étape (a) à l'étape (b), le débit d'introduction de l'hydrogène par la première zone d'extrémité (7) diminue tandis que le débit d'introduction de l'hydrogène par la deuxième 35 zone d'extrémité (5) augmente, et/oupendant la phase de transition (e) de l'étape (b) à l'étape (a), le débit d'introduction de l'hydrogène par la première zone d'extrémité (7) augmente tandis que le débit d'introduction de l'hydrogène par la deuxième zone d'extrémité (5) diminue.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel, la présence ou non de la phase de transition (e), le profil et la durée de cette phase de transition (e) et/ou la durée des étapes (a) et (b) sont prédéfinies ou variables afin d'optimiser le fonctionnement de la pile à combustible.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la présence ou non de la phase de transition (e), le profil et la durée de cette phase de transition (e) ainsi que la durée des étapes (a) et (b) varient au cours du fonctionnement de la pile à combustible selon la tension de la pile.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre au moins une étape de purge pour évacuer les espèces parasites présentes dans le compartiment anodique (13).
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l'étape de purge est mise en œuvre périodiquement ou selon les performances de la pile. 30
8. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant au moins un système d'alimentation en hydrogène (12a) relié à un premier moyen de distribution en hydrogène dans le compartiment anodique (12) par la 35 première zone d'extrémité (7) et à un deuxième moyen de distribution en hydrogène dans le compartiment anodique (13) par la deuxième zone d'extrémité (5), les dits25premier (12) et deuxième moyens (13) de distribution pouvant être sélectivement en position d'ouverture ou de fermeture.
9. Dispositif selon la revendication 8 comprenant en outre un système de purge du compartiment anodique (16,14,15) permettant d'effectuer la purge par la première (7) ou la deuxième (5) zone d'extrémité du compartiment anodique (3).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel les premier (12) et deuxième (13) moyens d'alimentation en hydrogène sont des électrovannes pilotées.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, dans lequel le système de purge comprend des première (14) et deuxième (15) vannes de purge respectivement reliées à la première zone d'extrémité (7) du compartiment anodique (3) et à la deuxième zone d'extrémité (5) du compartiment anodique (3) de façon à effectuer la purge sélectivement par la première (7) ou deuxième (5) zone d'extrémité du compartiment anodique (3).
12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel les première (14) et deuxième (15) vannes de purges sont des électrovannes.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel les premier (12) et deuxième (13) moyens d'alimentation en hydrogène sont constitués par un premier distributeur hydraulique à deux voies (22) et dans lequel les premières (14) et deuxième (15) vannes de purge sont constituées par un deuxième distributeur hydraulique à deux voies (23) en aval duquelest monté une vanne de purge (24) pouvant être sélectivement ouverte ou fermée.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel les premier (12) et deuxième (13) moyens d'alimentation en hydrogène et les première (14) et deuxième (15) vannes de purge sont constituées par un distributeur hydraulique à quatre voies (26) en aval duquel est monté une vanne de purge (27) pouvant être sélectivement ouverte ou fermée.
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