Alimentation en gaz d'une pile à combustible L'invention concerneGas supply of a fuel cell The invention relates to
l'alimentation en gaz d'une pile à combustible. Une pile à combustible permet la production d'électricité grâce à deux réactions chimiques couplées : l'oxydation d'un combustible réducteur sur une première électrode ou anode et la réduction d'un oxydant sur une seconde électrode ou cathode. L'électricité produite circule dans un circuit alimenté par les deux électrodes. A ce jour, on utilise couramment l'hydrogène comme combustible et l'oxygène contenu dans l'air comme oxydant. 1 o La pile à combustible trouve une utilité particulière dans le domaine du transport qui à ce jour utilise essentiellement de l'énergie fossile issue principalement du pétrole. L'utilisation de cette énergie produit une quantité importante de dioxyde de carbone contribuant à l'augmentation de l'effet de serre au niveau planétaire. D'autres polluants tels que des 15 particules ou des oxydes d'azotes sont également produits par l'utilisation de carburants issus du pétrole. Le principal avantage de l'utilisation d'une pile à combustible utilisant comme gaz d'alimentation de l'hydrogène et de l'oxygène, est que le seul produit des réactions chimiques d'oxydation et de réduction est de l'eau 20 n'entraînant aucune pollution ni aucune contribution à l'effet de serre. Concrètement, dans une pile à combustible à membrane, l'hydrogène est introduit sous forme gazeuse au niveau de l'anode. En présence d'un catalyseur, comme par exemple du platine contenu dans l'anode, l'hydrogène libère des électrons dans l'anode selon la réaction 25 suivante : H2 - 2H+ +2e-. Les électrons e- libérés à l'anode vont rejoindre la cathode au travers d'un circuit électrique utilisant l'énergie produite par la pile à combustible et les protons H+, libérés lors de cette première réaction, vont 30 migrer vers la cathode en traversant une membrane. Au niveau de la cathode, les protons H+ vont se combiner à l'oxygène 02 et aux électrons e-toujours en présence d'un catalyseur selon une seconde réaction : 2H+ +2e- + 1/2 02 -H20. the supply of gas to a fuel cell. A fuel cell allows the generation of electricity through two coupled chemical reactions: the oxidation of a reducing fuel on a first electrode or anode and the reduction of an oxidant on a second electrode or cathode. The electricity produced flows in a circuit powered by the two electrodes. To date, hydrogen is commonly used as fuel and oxygen in the air as an oxidant. 1 o The fuel cell finds a particular utility in the field of transport that currently uses mainly fossil fuel derived mainly from petroleum. The use of this energy produces a significant amount of carbon dioxide contributing to the increase of the global greenhouse effect. Other pollutants such as particles or oxides of nitrogen are also produced by the use of petroleum fuels. The main advantage of using a fuel cell using hydrogen and oxygen feed gas is that the only product of the oxidation and reduction chemical reactions is water. causing no pollution or any contribution to the greenhouse effect. Concretely, in a membrane fuel cell, hydrogen is introduced in gaseous form at the level of the anode. In the presence of a catalyst, such as platinum contained in the anode, the hydrogen releases electrons into the anode according to the following reaction: H2 - 2H + + 2e-. The electrons released at the anode will join the cathode through an electric circuit using the energy produced by the fuel cell and the H + protons, released during this first reaction, will migrate towards the cathode while crossing. a membrane. At the cathode, the protons H + will combine with oxygen O2 and electrons e-always in the presence of a catalyst according to a second reaction: 2H + + 2e- + 1/2 02 -H20.
Les deux réactions chimiques sont exothermiques. L'alimentation en hydrogène H2 peut se faire soit par intermittence soit de manière continue. Dans ce dernier cas, lors de la réaction chimique au niveau de l'anode, la totalité de l'hydrogène H2 circulant sous forme gazeuse n'est pas utilisée et l'excédent d'hydrogène H2 est renvoyé en amont de l'anode au moyen d'un auxiliaire de recirculation, appelé éjecteur, qui peut être consommateur d'énergie électrique ou mécanique. Jusqu'à présent l'éjecteur à été placé à l'extérieur de la pile à combustible. Un tel éjecteur peut également être mis en oeuvre pour l'oxygène 02. On note néanmoins que la recirculation d'oxygène 02 présente surtout un intérêt lorsque ce gaz est fourni pur à la pile à combustible. Dans le cas où on utilise l'oxygène 02 de l'air on peut se passer de recirculation. La pile à combustible peut être construite selon plusieurs configurations. Dans une première configuration, la pile à combustible comporte une partie active comprenant un ou plusieurs couples d'électrodes ainsi que des membranes associées à chaque couple. Cette partie active est située entre deux plaques terminales, l'une distribuant l'hydrogène H2 et l'autre l'oxygène 02 vers la partie active. Dans une autre configuration, deux parties actives, semblables à celles de la première configuration, sont situées de part et d'autre d'une culasse assurant la distribution à la fois de l'hydrogène H2 et de l'oxygène 02. Par la suite les plaques terminales seront également appelées culasse et l'invention pourra être mise en oeuvre dans les deux configurations. Par ailleurs, on s'est rendu compte que, pour améliorer le rendement de la pile à combustible, on pouvait réchauffer les gaz, hydrogène H2 et oxygène 02 avant de les faire circuler le long des électrodes. Il est connu de réchauffer ces gaz en brûlant une partie des gaz en excédent et en utilisant la chaleur dégagée par cette combustion pour le réchauffage de gaz circulant vers la partie active. Ce mode réalisation du réchauffage des gaz est pénalisant en terme de rendement puisqu'une partie des gaz ne participent pas aux réactions chimiques de la partie active. L'invention à pour but de pallier ce problème en utilisant la totalité des gaz, ou tout au moins de la totalité de l'un des gaz, pour les réactions chimiques tout en réchauffant ce ou ces gaz sans apport énergétique extérieur. Both chemical reactions are exothermic. The hydrogen supply H2 can be done either intermittently or continuously. In the latter case, during the chemical reaction at the anode, all hydrogen H2 circulating in gaseous form is not used and the hydrogen surplus H2 is returned upstream of the anode to the anode. means of a recirculating auxiliary, called ejector, which can be electrical or mechanical energy consumer. So far the ejector has been placed outside the fuel cell. Such an ejector may also be implemented for oxygen O 2. It should nevertheless be noted that O 2 recirculation is of particular interest when this gas is supplied pure to the fuel cell. In the case where oxygen O 2 is used in the air, recirculation can be dispensed with. The fuel cell can be constructed in several configurations. In a first configuration, the fuel cell comprises an active part comprising one or more pairs of electrodes and membranes associated with each pair. This active part is located between two end plates, one distributing H2 hydrogen and the other 02 oxygen to the active part. In another configuration, two active parts, similar to those of the first configuration, are located on either side of a cylinder head for the distribution of both H2 hydrogen and oxygen 02. Thereafter the end plates will also be called cylinder head and the invention can be implemented in both configurations. On the other hand, it was realized that, to improve the efficiency of the fuel cell, the gases, hydrogen H 2 and oxygen O 2 could be heated before being circulated along the electrodes. It is known to heat these gases by burning a portion of the excess gas and using the heat generated by this combustion for the heating of gas flowing to the active part. This embodiment of the reheating of the gases is penalizing in terms of efficiency since some of the gases do not participate in the chemical reactions of the active part. The invention aims to overcome this problem by using all the gases, or at least all of one of the gases for the chemical reactions while heating the gas or these without external energy supply.
Un autre but de l'invention est de réchauffer au moins l'un des gaz en utilisant la chaleur dégagée par les réactions chimiques. A cet effet, l'invention a pour objet une pile à combustible alimentée par au moins un gaz et comportant une partie active dans laquelle le gaz participe à une réaction d'oxydoréduction permettant de générer un courant électrique entre deux électrodes de la partie active, une culasse comprenant une canalisation d'amenée du gaz au contact d'une première des électrodes et une canalisation d'extraction d'un excédent de gaz après son passage au contact de la première électrode, et un éjecteur permettant à l'excédent de gaz de retourner dans la canalisation d'amenée, caractérisé en ce que l'éjecteur est intégré complètement à la culasse. Cette intégration permet de rendre la pile à combustible plus compacte. En effet, la ou les culasses ainsi que la ou les parties actives sont généralement contenues dans un volume parallélépipédique. L'intégration de l'éjecteur à la culasse permet de limiter la présence de composants à l'extérieur de ce volume. De plus, l'intégration de l'éjecteur permet d'intégrer complètement la canalisation de gaz destinée à la recirculation dans la culasse et plus généralement de limiter la présence de canalisations de gaz à l'extérieur de la culasse. On limite ainsi les risques d'endommagement des canalisations par d'éventuelles actions mécaniques extérieures inopinées. On limite aussi les problèmes potentiels d'étanchéité des canalisations de gaz en limitant le nombre de raccords entre canalisations et culasse. Limiter le risque de défauts d'étanchéité permet de réduire le risque de création d'atmosphère explosive avec l'oxygène de l'air lorsque le gaz utilisé est par exemple de l'hydrogène. L'intégration de l'éjecteur dans la culasse permet aussi d'améliorer les caractéristiques hydrauliques de la pile à combustible par minimisation des pertes de charge dans les différentes canalisations où circule le gaz, du fait de la réduction des longueurs de canalisations et du nombre de raccords nécessaires. Avantageusement, la pile à combustible est alimentée en gaz sous pression. L'énergie de la pression du gaz est convertie en énergie cinétique dans l'éjecteur pour aspirer l'excédent de gaz vers la canalisation d'amenée par effet venturi. La vitesse du gaz provoque une dépression qui permet d'aspirer l'excédent de gaz après son passage le long d'une des électrodes de la pile à combustible. La recirculation du gaz est assurée sans apport énergétique extérieur autre que la pression du gaz, ce qui contribue à améliorer le rendement de la pile à combustible. Avantageusement, l'éjecteur comporte une buse, une canalisation convergente, une chambre d'aspiration et une canalisation divergente. La culasse, est réalisée de façon massive et la canalisation convergente, la chambre d'aspiration et la canalisation divergente sont directement réalisées par façonnage de la culasse. La buse peut former une pièce rapportée dans la culasse. 1 o Avantageusement, la culasse contribue au refroidissement de la partie active et la culasse comporte des moyens d'échange thermique entre un flux thermique prélevé de la partie active et le gaz circulant dans les canalisations d'amenée et d'extraction ainsi que dans l'éjecteur. Le réchauffage du gaz se fait très simplement à l'intérieur de la culasse en 15 utilisant le caractère exothermique des réactions chimiques se produisant dans la partie active de la pile à combustible. Ceci contribue à augmenter le rendement de la pile à combustible. Another object of the invention is to heat at least one of the gases using the heat released by the chemical reactions. For this purpose, the subject of the invention is a fuel cell fed by at least one gas and comprising an active part in which the gas participates in an oxidation-reduction reaction making it possible to generate an electric current between two electrodes of the active part, a cylinder head comprising a gas supply pipe in contact with a first of the electrodes and a pipe for extracting excess gas after passing it in contact with the first electrode, and an ejector allowing excess gas to return in the supply line, characterized in that the ejector is completely integrated to the cylinder head. This integration makes the fuel cell more compact. Indeed, the yoke or heads and the active part or parts are generally contained in a parallelepiped volume. The integration of the ejector to the cylinder head limits the presence of components outside this volume. In addition, the integration of the ejector completely integrates the gas pipe for recirculation in the cylinder head and more generally to limit the presence of gas pipes outside the cylinder head. This limits the risk of damaging the pipes by unexpected external mechanical actions. Potential sealing problems of the gas pipes are also limited by limiting the number of connections between the pipes and the cylinder head. Limiting the risk of sealing defects makes it possible to reduce the risk of creating an explosive atmosphere with oxygen in the air when the gas used is, for example, hydrogen. The integration of the ejector in the cylinder head also improves the hydraulic characteristics of the fuel cell by minimizing the pressure losses in the various pipes where the gas circulates, because of the reduction in the lengths of pipes and the number necessary fittings. Advantageously, the fuel cell is fed with gas under pressure. The energy of the gas pressure is converted into kinetic energy in the ejector to suck the excess gas to the venturi supply line. The velocity of the gas causes a vacuum to suck the excess gas after passing along one of the electrodes of the fuel cell. The recirculation of the gas is ensured without external energy input other than the pressure of the gas, which contributes to improving the efficiency of the fuel cell. Advantageously, the ejector comprises a nozzle, a convergent pipe, a suction chamber and a divergent pipe. The cylinder head is made in a massive way and the convergent pipe, the suction chamber and the diverging pipe are directly made by shaping the cylinder head. The nozzle may form an insert in the cylinder head. Advantageously, the cylinder head contributes to the cooling of the active part and the cylinder head comprises heat exchange means between a heat flux taken from the active part and the gas flowing in the supply and extraction lines as well as in the 'ejector. The heating of the gas is very simply inside the cylinder head using the exothermic nature of the chemical reactions occurring in the active part of the fuel cell. This helps to increase the efficiency of the fuel cell.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : La figure 1 représente schématiquement l'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible ; la figure 2 représente des surfaces fonctionnelles d'un éjecteur 25 permettant la recirculation de l'hydrogène ; la figure 3 représente en coupe une partie d'une culasse d'une pile à combustible dans laquelle l'éjecteur est complètement intégré. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. 30 L'invention est décrite en rapport à une pile à combustible de type à membrane, utilisant de l'hydrogène comme gaz réducteur et l'oxygène de l'air comme gaz oxydant. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à ce type de pile à combustible. L'invention peut être mise en oeuvre dans 35 tout type de pile à combustible utilisant au moins un gaz pour lequel on met en oeuvre une recirculation d'un excédent du gaz lors d'une réaction chimique interne à la pile à combustible. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une partie active 1 d'une pile à combustible 2. la partie active 1 comporte une anode 3 et une cathode 4 séparées par une membrane 5. Un réservoir 6 sous pression permet d'alimenter la pile à combustible en hydrogène. Un détendeur 7 recevant l'hydrogène sous pression en sortie du réservoir 6 abaisse la pression de l'hydrogène qui est ensuite délivré à une première entrée 8 d'un éjecteur 9. La pression en sortie du détendeur 7 demeure 1 o suffisante pour être convertie en énergie cinétique générant une dépression au niveau d'une seconde entrée 10 de l'éjecteur 9. L'éjecteur 9 comporte une canalisation divergente 11 formant une sortie de l'éjecteur 9. la canalisation divergente 11 alimente en hydrogène, par une canalisation d'amenée 12, la partie active 1 et plus précisément l'anode 3. L'hydrogène circule le long de 15 l'anode 3 et une partie de l'hydrogène en excédent ressort de la partie active 1 par une canalisation d'extraction 13 conduisant cet excédent vers la seconde entrée 10 de l'éjecteur 9 pour y être aspiré par l'hydrogène provenant de la première entrée 8. La figure 2 représente en coupe des surfaces fonctionnelles d'un 20 éjecteur 9 permettant la recirculation de l'hydrogène. On retrouve sur cette figure les deux entrées 8 et 10 ainsi que la canalisation divergente 11 formant la sortie de l'éjecteur 9. l'entrée 8 se prolonge dans l'éjecteur 9 par une buse 15 permettant d'accélérer l'hydrogène provenant du réservoir 6. A cet effet, la buse 15 comporte une partie terminale convergente 16 25 débouchant dans une chambre d'aspiration 17 de l'éjecteur 9. En amont de la chambre d'aspiration 17, l'éjecteur comporte une canalisation convergente 18 disposé autour de la buse 15 dans lequel débouche la canalisation d'extraction 13. L'accélération de l'hydrogène dans la buse 15 génère une 30 dépression dans la chambre d'aspiration 17 permettant l'aspiration de l'hydrogène présent dans la canalisation d'extraction 13. En aval de la chambre d'aspiration 17, le mélange de l'hydrogène provenant du réservoir et de la canalisation d'extraction 13 est ralenti dans la canalisation divergente 11. The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the detailed description of an embodiment given by way of example, a description illustrated by the attached drawing in which: FIG. 1 schematically represents the power supply hydrogen of a fuel cell; Figure 2 shows functional surfaces of an ejector 25 for recirculating hydrogen; Figure 3 shows in section a part of a cylinder head of a fuel cell in which the ejector is completely integrated. For the sake of clarity, the same elements will bear the same references in the different figures. The invention is described in relation to a membrane type fuel cell using hydrogen as the reducing gas and oxygen in the air as an oxidizing gas. It is understood that the invention is not limited to this type of fuel cell. The invention can be implemented in any type of fuel cell using at least one gas for which recirculation of excess gas is used during a chemical reaction internal to the fuel cell. FIG. 1 diagrammatically shows an active part 1 of a fuel cell 2. the active part 1 comprises an anode 3 and a cathode 4 separated by a membrane 5. A pressurized tank 6 is used to feed the battery hydrogen fuel. An expander 7 receiving the pressurized hydrogen at the outlet of the reservoir 6 lowers the pressure of the hydrogen, which is then delivered to a first inlet 8 of an ejector 9. The pressure at the outlet of the expander 7 remains 1 o sufficient to be converted in kinetic energy generating a depression at a second inlet 10 of the ejector 9. The ejector 9 comprises a diverging pipe 11 forming an outlet of the ejector 9. the diverging pipe 11 supplies hydrogen, via a pipe d 12, the active part 1 and more precisely the anode 3. The hydrogen flows along the anode 3 and part of the excess hydrogen leaves the active part 1 by an extraction pipe 13 leading this excess to the second inlet 10 of the ejector 9 to be drawn in by hydrogen from the first inlet 8. FIG. 2 is a cross-section of the functional surfaces of an ejector 9 for recieving rectification of hydrogen. This figure shows the two inlets 8 and 10 as well as the diverging pipe 11 forming the outlet of the ejector 9. the inlet 8 is extended in the ejector 9 by a nozzle 15 making it possible to accelerate the hydrogen coming from the reservoir 6. For this purpose, the nozzle 15 has a convergent end portion 16 opening into a suction chamber 17 of the ejector 9. Upstream of the suction chamber 17, the ejector comprises a convergent duct 18 disposed around the nozzle 15 into which the extraction pipe 13 opens. The acceleration of the hydrogen in the nozzle 15 generates a depression in the suction chamber 17 allowing the suction of the hydrogen present in the pipe. 13. Downstream of the suction chamber 17, the mixture of hydrogen from the reservoir and the extraction pipe 13 is slowed in the diverging pipe 11.
La figure 3 représente en coupe une partie d'une culasse 20 d'une pile à combustible dans laquelle l'éjecteur 9 est complètement intégré. La buse 15, la canalisation convergente 18, la chambre d'aspiration 17 et la canalisation divergente 11 sont de révolution et s'étendent selon un même axe 21. La canalisation divergente 11 communique avec la canalisation d'amenée 12. La canalisation d'extraction 13 est tubulaire et s'étend selon un axe 22 perpendiculaire à l'axe 21. Afin de permettre la fabrication de la partie terminale convergente 16 et de la canalisation convergente 18, la buse 15 forme une pièce rapportée dans la culasse 20. Cela facilite également l'entretien et permet le remplacement éventuel de la buse 15. Un raccord 23 peut être disposé en amont de la buse 15 pour raccorder l'éjecteur au détendeur 7 non représenté sur la figure 3. Le raccordement de la canalisation d'extraction 13 à l'anode 3 peut être réalisé au moyen d'un raccord 24 de révolution inséré dans un canal 25 débouchant dans la canalisation d'extraction 13 perpendiculairement à celle-ci. La culasse 20 est réalisée de façon massive. La chambre d'aspiration 17, la canalisation divergente 11 et la canalisation d'extraction 13 sont directement réalisés par façonnage de la culasse 20 comme par exemple par moulage ou par usinage. La culasse 20 peut être monobloc ou réalisée en deux parties assemblées selon un plan de joint, le plan de la figure 3. Dans le cas d'une réalisation monobloc, les différents canaux internes sont débouchant pour permettre l'accès d'outils d'usinage ou de noyau de moulage. Les extrémités débouchantes non utilisées pour la circulation du gaz sont obstruées par des bouchons. Dans le mode de réalisation représenté, deux bouchons 26 et 27 sont nécessaires. Le bouchon 26 obstrue une extrémité avale 28 de la canalisation divergente 11 et le bouchon 27 obstrue un bras mort 29 de la canalisation d'extraction 13. Dans le cas d'une réalisation en deux parties de la culasse 20, les canaux internes ne sont pas obligatoirement débouchants et on peut se dispenser de bouchons. Par contre, la réalisation en deux parties nécessite l'assemblage au moyen d'un joint de culasse, par exemple réalisé selon le plan de la figure 3 et assurant l'étanchéité des deux parties entre elles. On a vu précédemment que les réactions chimiques se produisant dans la partie active 1 de la pile à combustible 2 sont exothermiques. La culasse 20 contribue au refroidissement de la partie active 1 en évacuant vers l'extérieur une partie du flux thermique issu de la partie active 1. La culasse 20 comporte des moyens d'échange thermique entre la partie active 1 et le gaz circulant dans les canalisations d'amenée 12 et d'extraction 13 ainsi que dans l'éjecteur 9. Par exemple, le flux thermique de la partie active 1 peut être évacué au moyen d'un fluide de refroidissement circulant dans les canalisations disposées au voisinage ou dans les électrodes 3 et 4. Ces canalisations peuvent se prolonger dans la culasse 20 au voisinage des canaux internes dans lesquels circule l'hydrogène qui est alors réchauffé par conduction thermique au travers des parties massive de la culasse 20.10 Figure 3 shows in section a part of a cylinder head 20 of a fuel cell in which the ejector 9 is completely integrated. The nozzle 15, the convergent duct 18, the suction chamber 17 and the divergent duct 11 are of revolution and extend along the same axis 21. The diverging duct 11 communicates with the supply duct 12. The duct extraction 13 is tubular and extends along an axis 22 perpendicular to the axis 21. In order to allow the manufacture of the convergent end portion 16 and the convergent duct 18, the nozzle 15 forms an insert in the cylinder head 20. This also facilitates the maintenance and allows the possible replacement of the nozzle 15. A connector 23 may be arranged upstream of the nozzle 15 to connect the ejector to the expander 7 not shown in Figure 3. The connection of the extraction pipe 13 to the anode 3 can be achieved by means of a connection 24 of revolution inserted into a channel 25 opening into the extraction pipe 13 perpendicularly thereto. The yoke 20 is made in a massive way. The suction chamber 17, the diverging pipe 11 and the extraction pipe 13 are directly formed by forming the cylinder head 20, for example by molding or by machining. The cylinder head 20 may be one-piece or made in two parts assembled along a joint plane, the plane of FIG. 3. In the case of a monoblock embodiment, the various internal channels are opening to allow access to tools of machining or casting core. The open ends that are not used for gas flow are blocked by plugs. In the embodiment shown, two plugs 26 and 27 are required. The plug 26 obstructs a downstream end 28 of the diverging pipe 11 and the plug 27 obstructs a dead arm 29 of the extraction pipe 13. In the case of a two-part embodiment of the cylinder head 20, the internal channels are not not necessarily open and we can dispense with traffic jams. By against the embodiment in two parts requires assembly by means of a cylinder head gasket, for example made according to the plane of Figure 3 and ensuring the sealing of the two parts together. It has been seen previously that the chemical reactions occurring in the active part 1 of the fuel cell 2 are exothermic. The yoke 20 contributes to the cooling of the active part 1 by discharging to the outside part of the heat flow from the active part 1. The yoke 20 comprises heat exchange means between the active part 1 and the gas flowing in the supply lines 12 and extraction 13 as well as in the ejector 9. For example, the heat flow of the active part 1 can be discharged by means of a cooling fluid circulating in the pipes arranged in the vicinity or in the electrodes 3 and 4. These pipes can extend into the cylinder head 20 in the vicinity of the internal channels in which the hydrogen circulates, which is then heated by thermal conduction through the solid parts of the cylinder head 20.10.