FR2917901A1 - Procede et dispositif de securisation passive d'un groupe electrogene embarque a pile a combustible. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et dispositif de sécurisation passive d'un groupe électrogène embarqué à pile à combustible.Selon l'invention, le dispositif est caractérisé en ce que la ligne d'échappement (F) du flux de sortie d'anode comprend une réserve tampon (3), un moyen de régulation (10) étant prévu à la sortie de la réserve tampon (3) pour une évacuation régulée de ce flux de sortie d'anode hors de la réserve tampon (3).Utilisation pour la sécurisation passive de groupe électrogène embarqué à pile à combustible, notamment sur véhicule.

Description

Procédé et dispositif de sécurisation passive d'un groupe électrogène

embarqué à pile à combustible

La présente invention concerne le domaine des piles à combustible. Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine des groupes électrogènes embarqués à pile à combustible. L'utilisation de tels groupes électrogènes embarqués s'est considérablement développée récemment, notamment dans le domaine des véhicules automobiles. Il est connu qu'une pile à combustible produit de l'électricité, par exemple une pile à combustible à membranes échangeuses de protons dite PEMFC à partir de la réaction de synthèse de l'eau par combinaison d'oxygène et d'hydrogène. Comme le montre la figure 1, illustrant le schéma simplifié d'une pile à combustible, l'oxygène, le plus souvent provenant d'une source A, par exemple de l'air atmosphérique est acheminé, le cas échéant après humidification au poste C, vers la cathode Ha tandis que l'hydrogène, provenant d'une source B de stockage pure ou de la transformation d'un carburant hydrogéné est acheminé à l'anode Hb d'une pile à combustible H pour produire de l'électricité G par réaction chimique. Cette pile à combustible est refroidie par exemple par un système de refroidissement D. A la sortie de la pile à combustible H, de la cathode Ha sort par la ligne d'échappement E un mélange d'air humide appauvri d'environ 50% en oxygène et de l'eau produite lors de la réaction dans la pile à combustible. De l'anode, sort par la ligne d'échappement F un mélange d'hydrogène, d'azote et d'eau, ceci de façon continue ou par intermittence lors de purges. En plus de ces deux évacuations, comme la pile à combustible présente des fuites inévitables en hydrogène, pour des raisons de sécurité du fait de risque d'explosion, les fuites en hydrogène et de certains organes transportant de l'hydrogène peuvent être canalisées dans un carter J puis acheminées vers l'extérieur par un système actif de ventilation débouchant sur la ligne d'échappement K.

L'évacuation permanente d'hydrogène pour les besoins d'un bon fonctionnement de l'ensemble pile à combustible pose un problème notoire de sécurité pour celui-ci, notamment quand la pile à combustible est embarquée à bord d'un véhicule, problème qui peut être amplifié par certaines situations de vie du véhicule comme l'utilisation en intérieur, l'arrêt, l'entretien, l'accident etc...

En effet, certains systèmes à pile à combustible de l'état de la technique ne proposent pas de solution de sécurisation et rejettent des mélanges de gaz dans des proportions explosives. Il est connu d'utiliser une réserve de gaz inerte pour assurer par exemple à l'arrêt du véhicule la mise hors fonctionnement du système à pile à combustible ou en cas d'arrêt d'urgence du système. Cette disposition concerne cependant la sécurisation active du système en cas de danger ou d'arrêt du système et non pas la sécurisation passive recherchée dans la présente demande de brevet, en vue de prévenir les dérèglements de dégagement d'hydrogène pouvant être potentiellement dangereux et non de traiter une solution d'urgence. Un tel dispositif à gaz inerte est connu du document JP-A-7029586 qui montre l'introduction, dans une ligne de flux d'anode, d'un mélange d'un gaz inerte et d'un gaz issu de l'anode pour purger cette ligne, avec une concentration en hydrogène dans ce mélange inférieure à la limite d'explosivité. Pour la purge de la ligne de cathode, il est prévu un mélange de gaz de cathode et de gaz inerte.

Ce document montre par ailleurs une boucle de recirculation entre la ligne d'échappement anode et la ligne d'alimentation anode.

D'autres systèmes traitent séparément les fuites de la pile et les fluides d'échappement, ce qui n'assure pas une gestion complète et coordonnée de l'hydrogène sortant de la pile. Le document FR-A-2 870 390 décrit un dispositif de sécurisation d'un ensemble pile à combustible comportant un réacteur disposé en aval de la pile à combustible et apte à recombiner l'hydrogène et l'oxygène en produisant de l'eau et assurant ainsi une sécurisation passive. Ce document ne décrit pas de moyen quelconque de régulation de la concentration d'hydrogène. Il ne divulgue ainsi que l'utilisation de brûleurs catalytiques. Cependant le fonctionnement de ceux-ci est fortement perturbé quand le système pile à combustible subit des purges périodiques de la ligne anodique de ce système. En effet, l'afflux soudain d'une forte concentration d'hydrogène élève la température à des niveaux trop importants pour être compatibles avec les matériaux utilisés dans le brûleur catalytique. Entre chaque purge, le brûleur catalytique voit sa température baisser et il tend alors à se désactiver et la réaction de combustion de l'hydrogène est en conséquence réduite ou annulée. Certaines propositions proposent le lissage préalablement à la consommation dans un brûleur catalytique, mais aucune de ces propositions ne s'est avérée satisfaisante. D'autres solutions proposent une valorisation énergétique de l'hydrogène ainsi collecté et brûlé à la 30 sortie de la pile.

Toutes ces solutions n'ont pas donné satisfaction en ce qui concerne la régulation du flux d'hydrogène sortant de manière irrégulière de la pile à combustible 35 lors du fonctionnement de celle-ci.

Le problème à la base de la présente invention est naturelles d'hydrogène et d'assurer la sécurisation d'un combustible pour les rejets d'hydrogène, cette sécurisation s'effectuant par la gestion des fuites des rejets liés aux purges ensemble pile à anodiques de la pile à combustible. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible, cet ensemble présentant un flux de sortie cathode, un flux de sortie anode et un flux de sortie de carter de pile destinés à être envoyés au moins en partie vers un brûleur catalytique, ce procédé comprenant les étapes suivantes . collecte d'au moins une partie du flux de sortie anode dans une réserve tampon, - évacuation de la réserve tampon avec un débit de flux de sortie anode régulé, - mélange du flux de sortie anode régulé avec le flux de sortie cathode, le cas échéant ce dernier étant préalablement mélangé avec le flux de sortie de carter, la régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon étant effectuée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres des divers flux de sortie et/ou de conditions de fonctionnement de la pile et/ou du brûleur catalytique afin de toujours garantir une concentration en hydrogène inférieure à la Limite Inférieure d'Explosivité 30 (LIE) dans le flux obtenu après mélange, - conduite d'au moins une partie du flux après mélange à un brûleur catalytique.

L'invention concerne aussi un dispositif de 35 sécurisation passive d'un système pile à combustible présentant une anode, une cathode et un carter de pile, une ligne d'échappement du flux de sortie de cathode, une 25 ligne d'échappement du flux de sortie d'anode et une ligne d'échappement du flux de sortie de carter de pile, ces flux étant dirigés au moins partiellement vers un brûleur catalytique, caractérisé en ce que la ligne d'échappement du flux de sortie d'anode comprend une réserve tampon, un moyen de régulation étant prévu à la sortie de la réserve tampon pour une évacuation régulée de ce flux de sortie d'anode hors de la réserve tampon.

Selon des caractéristiques additionnelles du procédé, les mélanges des flux se font par effet venturi à l'aide d'un élément déprimogène et le procédé comprend une étape de contrôle des caractéristiques des flux juste avant et après mélange du flux anode et du flux cathode, ce mélange étant ensuite conduit au moins en partie à un brûleur catalytique.

Avantageusement, dans le dispositif de sécurisation, la ligne d'échappement du flux de sortie anode régulé rejoint la ligne d'échappement du flux de sortie cathode, ce dernier étant, le cas échéant, augmenté du flux de sortie carter de pile et le flux de sortie anode est mélangé avec au moins le flux de sortie cathode par une interface de mélange.

Préférentiellement, l'interface de mélange du flux de sortie cathode avec le flux de sortie anode régulé est à effet venturi déprimogène, c'est-à-dire qu'une des deux lignes d'échappement respectives comporte une partie, présentant un rétrécissement de section d'échappement, disposée juste après que l'autre ligne d'échappement débouche dans cette ligne d'échappement et que, le cas échéant, le mélange du flux de sortie cathode avec le flux de sortie carter de pile a été effectué avec une interface de mélange similaire.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le moyen de régulation de la réserve tampon est une fuite calibrée, le diamètre de cette fuite calibrée pouvant éventuellement être modifié en cours d'opération. Dans deux autres modes de réalisation de l'invention, le moyen de régulation de la réserve tampon est une électrovanne proportionnelle ou une pompe, ce moyen de régulation étant piloté par une logique de commande en fonction de divers paramètres. Avantageusement, la régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon est effectuée en fonction d'un ou de plusieurs des paramètres suivants : paramètres de fonctionnement de l'ensemble pile à combustible comme courant produit, périodicité des purges de la zone anode, pression de la réserve tampon, concentration d'hydrogène dans la réserve tampon et/ou la ligne d'échappement, taux d'humidité dans les lignes d'échappement, débit et concentration d'hydrogène dans la ligne d'échappement de sortie carter de pile, débit des lignes d'échappement, concentration d'oxygène dans la ligne d'échappement cathode, paramètres de l'effet déprimogène généré par les débits des lignes d'échappement et le retrécissement de la section de la ligne d'échappement réceptrice, concentration en oxygène en amont de la jonction des flux anode et cathode et/ou concentration d'hydrogène en aval de la jonction des flux anode et cathode, concentration d'azote dans la ligne d'échappement anode. Avantageusement, la ligne d'échappement du flux de sortie anode après la réserve tampon comprend un clapet anti-retour, empêchant la remontée de flux dans la réserve tampon en provenance de l'interface de mélange dans la réserve tampon et, le cas échéant, notamment quand le moyen de régulation est une fuite calibrée, la réserve tampon présente à une sortie auxiliaire une électrovanne de vidange périodique de l'eau de la réserve tampon.

La ligne d'échappement de flux de sortie anode présente en dérivation une boucle de recirculation conduisant une partie du flux de sortie d'anode vers la ligne d'alimentation d'anode de la pile à combustible. La ligne d'échappement résultante après jonction des flux anode et cathode est dirigée vers un brûleur cette ligne d'échappement comprenant de des capteurs en aval de la jonction de ou des lignes d'échappement en amont de ces capteurs détectant des caractéristiques catalytique, la jonction, des divers 10 d'hydrogène, préférence un ou même que sur une flux, telles que concentration respective d'oxygène ou d'azote dans les flux, taux d'humidité des pratiquer une flux, débit des flux etc..., afin de régulation optimisée du brûleur catalytique, de préférence, par une logique de commande associée. 15 De préférence, au moins la ligne d'échappement de sortie de flux anode de ce dispositif de sécurisation est logée dans un carter afin d'éviter toute fuite d'hydrogène vers l'extérieur, ce carter étant le cas échéant le carter de pile. 20 Avantageusement, une électrovanne est disposée dans la ligne d'échappement du flux de sortie anode avant la réserve tampon, cette électrovanne servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible et alimentant la réserve tampon en flux de 25 sortie anode.

L'invention concerne aussi l'utilisation d'un dispositif de sécurisation passive tel que précédemment décrit pour un ensemble pile à combustible pour groupe 30 électrogène destiné à être embarqué, notamment sur un véhicule.

L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures 35 annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation selon l'état de la technique, - la figure 2 est une représentation schématique d'un ensemble pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation conformément à un mode de réalisation selon la présente invention, - la figure 3 est une représentation schématique d'un ensemble pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation présentant une boucle de recirculation conformément à un autre mode de réalisation selon la présente invention, - la figure 4 est un graphique donnant les émissions d'hydrogène en situation de purges non régulées et avec régulation en fonction du temps, la figure 5a est une représentation schématique du circuit de régulation selon un premier mode de réalisation de la présente invention avec une boucle de recirculation et une fuite calibrée, - la figure 5b est une représentation schématique du circuit de régulation selon un second mode de réalisation de la présente invention avec une boucle de recirculation et une électrovanne proportionnelle pilotée, - la figure 5c est une représentation schématique du circuit de régulation selon un troisième mode de réalisation de la présente invention avec une boucle de recirculation et une pompe d'évacuation pilotée.

La figure 1 a déjà été détaillée dans la partie 30 introductive de la présente description.

La figure 2 montre trois lignes d'échappement de l'ensemble pile à combustible H, sans boucle de recirculation amenant une partie du flux de sortie 35 d'anode vers la ligne d'alimentation anode de la pile à combustible. Cette disposition conformément à la figure 2 est appelée Dead end ou à échappement sans recyclage.

Une première ligne d'échappement E évacue le flux de sortie cathode Ha vers un brûleur catalytique 8 disposé à la fin de cette ligne E. A cette ligne sera jointe d'autres lignes d'échappement comme on le verra par la suite. Cette première ligne E peut comprendre optionnellement un moyen de condensation 5 de l'eau dans le flux évacué suivi d'un moyen de récupération 1 de cette eau. Une seconde ligne d'échappement K évacue le flux de sortie carter J de pile consistant essentiellement en des fuites produites dans l'ensemble pile à combustible H et issu du système d'extraction des fuites consistant en un carter J avec une ventilation d'évacuation. Cette seconde ligne K débouche dans la première ligne E et les deux flux sont mélangés dans une interface de mélange 7 par effet venturi déprimogène où la première ligne E présente une partie de section rétrécie, disposée juste après l'introduction du flux de la seconde ligne K dans la première, ce qui permet de créer une zone centrale de dépression due à la vitesse circonférentielle et d'obtenir un mélange des deux flux plus rapide et plus homogène. L'interface de mélange 7 aide aussi à la ventilation du carter pile en créant une dépression sur la ligne d'échappement K du flux de sortie du carter J de pile en aval de la ventilation du carter J de pile.

Le flux résultant du mélange des flux de sortie anode et de sortie carter pile est appelé flux moteur. Du fait de l'incorporation du flux de sortie carter dans la première ligne E d'échappement, le mélange résultant présente un appoint d'air de dilution pour la première ligne E d'échappement ce qui sera utile quand le flux de cette première ligne E d'échappement sera mélangé avec le flux de sortie anode comme on le verra ci-après.

La troisième ligne F d'échappement concerne le flux de sortie de l'anode Hb. Comme déjà mentionné, ce flux contient de l'hydrogène émis de façon brutale avec une fréquence et une durée souvent variables selon les conditions de fonctionnement de la pile à combustible H. La troisième ligne F d'échappement dirige le flux de sortie de l'anode Hb vers une électrovanne 4, servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible H puis, optionnellement par un moyen de condensation de l'eau avec un moyen de récupération 11 de l'eau, par exemple un séparateur de phase. Ensuite cette ligne F d'échappement débouche sur une réserve tampon 3 qui est une caractéristique essentielle de la présente invention. Le flux est alors pressurisé dans cette réserve tampon 3 et peut s'évacuer régulièrement de cette réserve tampon 3 entre deux purges d'anode par un moyen de régulation 10. Le flux de sortie anode ainsi régulé est acheminé vers une deuxième interface de mélange 9 à effet venturi semblable à celle décrite précédemment et permettant l'aspiration par dépression du flux par une jonction flux anode/flux moteur déprimogène comme précédemment cité. Cette interface de mélange 9, comme l'interface de mélange 7 empêche par effet venturi les remontées dans l'une ou l'autre des deux lignes E, F d'échappement et aide à la vidange de la réserve tampon 3 en créant une dépression sur la ligne F d'échappement de sortie anode an aval du moyen de régulation 10 de la réserve tampon 3. Il est à noter que dans une disposition conformément à la figure 2 à échappement sans recyclage, la réserve tampon 3 peut servir de séparateur de phase en complément ou au lieu du séparateur de phase 11. Dans ce cas, cette réserve tampon 3 présente avantageusement un drain avec une électrovanne 13 comme montré aux figures 5a et 5c auxquelles on se reportera pour la description de ce drain. Un clapet anti-retour 2 est intercalé entre la réserve tampon 3 et l'interface de mélange 9. Il est à noter que si ce clapet anti-retour 2 est de préférence disposé après le moyen de régulation 10, il peut aussi être placé entre la réserve tampon 3 et ce moyen de régulation 10 quand ce moyen de régulation le permet. Le but de ce clapet anti-retour 2 est d'éviter une remontée de gaz de l'interface de mélange 9 et notamment d'oxygène de la ligne E d'échappement du flux de sortie cathode vers la réserve tampon 3, ce qui pourrait provoquer la création d'un mélange explosif oxygène-hydrogène. Ce clapet anti-retour 2 renforce donc le rôle anti-remontée de l'interface de mélange 9 à effet venturi disposée en aval.

Le but de la présente invention est de réguler la partie du flux de sortie anode se trouvant dans la réserve tampon 3 et destinée à être mélangée au flux de sortie cathode, préférentiellement mélangé en amont avec le flux de sortie du carter J de pile afin que la concentration d'hydrogène dans le mélange soit limitée à une concentration inférieure à une fraction, par exemple 50%, de la limite inférieure d'explosivité (LIE). Cette limite est de 4% dans l'air sec et donc dans ce cas pour une limitation à 50% c'est-à-dire à la moitié de la LIE, la concentration d'hydrogène ne devra pas dépasser 2%. Cependant cette limite peut varier selon l'humidité contenue dans les flux et il faudra donc tenir compte de cette variation pour l'adéquation du moyen de régulation avec la concentration d'hydrogène à obtenir dans le mélange.

Les divers paramètres à prendre en ligne de compte pour effectuer une telle régulation de la concentration en hydrogène sont nombreux. On pourra citer sans être limitatif les paramètres suivants : paramètres de fonctionnement de l'ensemble pile à combustible H comme courant produit, température, débits d'alimentation de cette pile, périodicité des purges de la zone anode, pression dans la réserve tampon 3, concentration d'azote dans le flux de sortie anode, concentration d'hydrogène dans la réserve tampon 3 et/ou la ligne F d'échappement, taux d'humidité dans les lignes d'échappement E, F, K débit et concentration d'hydrogène dans les lignes E, F, K d'échappement, concentration d'oxygène dans la ligne E d'échappement cathode, débit d'extraction du carter J de pile, paramètres de l'effet déprimogène généré par les débits des lignes E, F, K d'échappement et le retrécissement de la section de la ligne d'échappement réceptrice, concentration en oxygène en amont de la jonction des flux anode et cathode et/ou concentration d'hydrogène en aval de la jonction des flux anode et cathode.

Une première solution pour la régulation du flux anode est d'utiliser dans la ligne F d'échappement d'au moins une partie du flux de sortie anode à la sortie de la réserve tampon 3 une fuite calibrée 10 qui présente un diamètre de fuite restreint afin de permettre une régulation d'au moins la partie du flux anode transitant par la ligne F d'échappement après la réserve tampon 3.

Ce diamètre de fuite est déterminé selon les divers paramètres à prendre en compte dont certains ont été cités précédemment. Il est avantageux de déterminer un seul diamètre de fuite entre la réserve tampon 3 et l'interface de mélange 9 des flux anode et cathode. Il convient cependant de considérer que dans ces conditions, le débit d'hydrogène sera linéairement lié à la pression dans la réserve tampon 3 et dans une moindre mesure au débit du flux de sortie cathode mélangé, le cas échéant, au flux de sortie du carter J de pile. Ce débit d'hydrogène sera donc décroissant au court du temps et dans ce cas il est judicieux de choisir une fraction de la LEI un peu plus élevée que 50% sachant que cette fraction ne sera atteinte qu'en début de régulation. Il peut aussi être possible de changer automatiquement le diamètre de fuite en cours d'opération selon les besoins de fonctionnement. On peut en effet concevoir une fuite calibrée du type diaphragme dont l'ouverture peut être agrandie ou rétrécie selon les besoins.

Il est cependant possible d'utiliser un autre moyen de régulation qui procure plus de flexibilité en utilisation qu'une fuite calibrée. C'est le cas d'un moyen de régulation piloté par une logique de commande prenant en compte les nombreux paramètres pouvant agir sur la concentration en hydrogène. En particulier, les paramètres de fonctionnement de la pile à combustible peuvent être importants pour déterminer les concentrations en hydrogène et en oxygène dans les flux respectifs ce qui joint aux paramètres de débit dans les divers lignes E, F, K d'échappement et aux paramètres de l'effet déprimogène de l'interface de mélange 9 permettent de déterminer la concentration maximale d'hydrogène dans le flux de sortie anode régulé. La concentration d'azote dans la partie du flux de sortie anode amené à la réserve tampon 3 est aussi un paramètre important. Cette concentration en recirculation peut atteindre 30% et doit être prise en considération. En effet, plus cette concentration est élevée dans la partie du flux anode amenée à la réserve tampon 3, plus rapide peut être l'évacuation de cette réserve tampon 3 par le moyen de régulation 10 adéquat car la concentration en hydrogène injecté dans la ligne F d'échappement après le moyen de régulation 10 est plus faible à même débit volumique. Le taux d'humidité dans la ligne F d'échappement du flux de sortie anode est aussi à considérer car il présente un impact direct sur la limite inférieure d'explosivité et en conséquence le taux d'injection acceptable d'hydrogène est à adapter en fonction de la valeur obtenue en temps réel pour assurer un mélange ne présentant aucun risque d'explosion. Vu le nombre important de paramètres à prendre en compte en temps réel, une telle commande du moyen de régulation 10 ne peut se faire qu'avec une logique de commande, non montrée aux figures. La présence de nombreux capteurs est nécessaire sur les diverses lignes E, F, K d'échappement du flux de sortie des électrodes et de sortie du carter de pile. On pourra citer par exemple les capteurs 6 en amont et en aval de l'interface de mélange 9 mesurant respectivement la concentration en oxygène en amont de la jonction des lignes E et F d'échappement et la concentration en hydrogène en aval de cette jonction pour assurer une régulation optimisée de l'injection en hydrogène. Les moyens de régulation préférés de la présente invention et commandés par une logique de commande sont par exemple une électrovanne proportionnelle pilotée ou une pompe. Ces moyens de régulation seront détaillés ci- après dans les figures 5a, 5b, 5c de certains modes de réalisation de la présente invention. Le mélange après la jonction des deux lignes E et F d'échappement anode et cathode ou des deux lignes anode et moteur quand la ligne K d'échappement sortie carter a été préalablement jointe à la ligne E d'échappement cathode est conduit vers un brûleur catalytique 8 avec des concentrations en hydrogène et en oxygène assurant son fonctionnement optimal quelles que soient les conditions d'opération de la pile à combustible.

La figure 3 montre une représentation schématique d'un ensemble pile à combustible H avec son réseau d'alimentation A, B et son réseau E, F, K d'évacuation présentant une boucle de recirculation 12 selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La ligne F d'échappement du flux de sortie anode présente un séparateur de phase 11 avant la séparation de la boucle de circulation 12 d'avec la ligne F d'échappement de sortie anode allant vers la réserve tampon 3 via une électrovanne 4, servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible H. A part cette boucle de recirculation 12 et la perte de flux de sortie anode qu'elle entraîne notamment en ce qui concerne la concentration en hydrogène et dont il faudra tenir compte le cas échéant pour le pilotage du moyen de régulation 10 par une logique de commande, le réseau d'évacuation du mode de réalisation montré à cette figure est sensiblement le même que le réseau d'évacuation du mode de réalisation de la figure 2 et ce qui a été dit pour la figure 2 s'applique à la présente figure.

La figure 4 montre clairement que, sans régulation dans la ligne F d'échappement de sortie anode, la libération d'hydrogène est très inégale du fait des dégagements périodiques de purge limités dans le temps qui provoquent des pics d'hydrogène. Entre ces pics EH2P, subsiste une faible concentration d'hydrogène EH2F qui représente de faibles émissions dues aux fuites de la pile à combustible H. Sans traitement de régulation dans cette ligne F d'échappement, de tels pics EH2P de concentration d'hydrogène dépasseraient la LIE et présenteraient un danger après la jonction des lignes E et F d'échappement anode et cathode. On voit que grâce à la régulation conformément à la présente invention, ces pics EH2P de concentration en hydrogène sont éliminés et que la concentration d'hydrogène EH2L est sensiblement constante dans le temps après régulation, ce qui permet de réaliser un mélange en proportions non explosives avec le flux cathode. Certaines précautions d'utilisation du moyen de régulation 10 doivent être prises lors des purges se produisant dans la partie anode de la pile à combustible H. Par exemple, si ce moyen de régulation est une pompe 10b, celle-ci devra être ralentie par la logique de commande lors d'une purge de la pile à combustible, effectuée par l'intermédiaire de l'électrovanne de purge 4 de manière à ne pas avoir son débit perturbé de façon incontrôlée par la rapide repressurisation de la réserve tampon 3.

La figure 5a montre une ligne F d'échappement de flux de sortie anode comprenant les éléments essentiels du dispositif de sécurisation conformément à la présente invention sous la forme d'une réserve tampon 3et d'un moyen de régulation de l'évacuation de cette réserve tampon 3 sous la forme d'une fuite calibrée 10. Cette ligne d'échappement F rejoint après la réserve tampon 3 et la fuite calibrée 10 la ligne E d'échappement du flux de sortie cathode par l'intermédiaire de l'interface de mélange 9. Entre la fuite calibrée 10 et l'interface de mélange 9, se trouve un clapet anti-retour 2 déjà décrit, ce clapet anti-retour 2 présentant de préférence une pression d'ouverture adaptée au calibrage de la fuite 10. Comme pour la figure 3, le mode de réalisation décrit à la figure 5a présente une boucle de recirculation 12 qui dirige une partie du flux de sortie anode vers la ligne d'alimentation d'anode en l'intercalant après la source d'hydrogène B montrée à la figure 1. Cette boucle de recirculation 12 est disposée avant la réserve tampon 3 en parallèle avec sa ligne F d'échappement correspondante et après un séparateur de phase 11 qui permet l'élimination d'une certaine partie de l'eau présente dans la ligne F d'échappement. Entre le séparateur de phase 11 et la réserve tampon 3 se trouve l'électrovanne 4 de purge, comme déjà décrit à la figure 2. Malgré l'utilisation d'un séparateur de phase 11 en amont de la réserve tampon 3, de l'eau peut tout de même s'accumuler dans la réserve tampon 3 par condensation. Cette accumulation d'eau dans la réserve tampon 3 pourra alors être évacuée à l'aide d'un drain à ouverture pilotée par la logique de commande ou par une détection de niveau d'eau dans la réserve tampon 3, ce drain étant muni d'une électrovanne de vidange 13.

La figure 5b reprend sensiblement les caractéristiques de la figure 5a avec une boucle de recirculation 12. Cette figure 5b montre cependant une électrovanne 10a proportionnelle pilotée comme moyen de régulation après la réserve tampon 3 et cette réserve tampon 3 ne présente pas de drain avec une électrovanne de vidange, l'évacuation de l'eau pouvant se faire en partie avant la réserve tampon 3 par le séparateur de phase 11. En ce qui concerne l'eau de condensation s'accumulant dans la réserve tampon 3, cette eau est éliminée par l'électrovanne 10a proportionnelle pilotée.

La figure 5c reprend sensiblement aussi les caractéristiques des deux figures précédentes avec une boucle de recirculation 12. Cette figure se différencie par l'utilisation d'une pompe d'évacuation 10 b comme moyen de régulation de la réserve tampon 3. Un drain présentant une électrovanne de vidange 13 de la réserve tampon 3 est présent comme pour la figure 5a.

De tels dispositifs de sécurisation passive permettent une régulation de la concentration d'hydrogène dans le mélange amené au brûleur catalytique et assure ainsi la sécurisation des évacuations des fuites naturelles d'hydrogène et des rejets liés aux purges anodiques de la pile à combustible en régime normal de fonctionnement de la pile à combustible. Ces dispositifs de sécurisation conviennent particulièrement bien pour les piles à combustible embarquées sur véhicule.

Une sécurisation active assurant la sécurité de l'ensemble pile à combustible en cas d'arrêt du véhicule ou panne de la sécurisation passive peut aussi être associée à la sécurisation passive pour diverses situations comme arrêt, accident ou maintenance.

L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Procédé de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible (H), cet ensemble présentant un flux de sortie cathode, un flux de sortie anode et un flux de sortie de carter (J) de pile destinés à être envoyés au moins en partie vers un brûleur catalytique (8), ce procédé comprenant les étapes suivantes : - collecte d'au moins une partie du flux de sortie 10 anode dans une réserve tampon (3), - évacuation de la réserve tampon (3) avec un débit de flux de sortie anode régulé, - mélange du flux de sortie anode régulé avec le flux de sortie cathode, le cas échéant ce dernier 15 étant préalablement mélangé avec le flux de sortie de carter, - la régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon (3) étant effectuée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres des divers flux de sortie 20 et/ou de conditions de fonctionnement de la pile (H) et/ou du brûleur catalytique (8) afin de toujours garantir une concentration en hydrogène inférieure à la Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) dans le flux obtenu après mélange, 25 - conduite d'au moins une partie du flux après mélange à un brûleur catalytique (8).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mélanges des flux se font par effet venturi à l'aide d'un élément déprimogène. 30

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par une étape de contrôle des caractéristiques des flux juste avant et après mélange du flux anode et du flux cathode, ce mélange étant ensuite conduit au moins en partie à un brûleur catalytique (8). 35

4. Dispositif de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible (H) présentant une anode (Hb), une cathode (Ha) et un carter (J) de pile, uneligne (E) d'échappement du flux de sortie de cathode, une ligne (F) d'échappement du flux de sortie d'anode et une ligne (K) d'échappement du flux de sortie de carter (J) de pile, ces flux étant dirigés au moins partiellement vers un brûleur catalytique (8), caractérisé en ce que la ligne d'échappement (F) du flux de sortie d'anode comprend une réserve tampon (3), un moyen de régulation (10) étant prévu à la sortie de la réserve tampon (3) pour une évacuation régulée de ce flux de sortie d'anode hors de la réserve tampon (3).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la ligne d'échappement (F) du flux de sortie anode régulé rejoint la ligne (E) d'échappement du flux de sortie cathode, ce dernier étant, le cas échéant, augmenté du flux de sortie carter (J) de pile et en ce que le flux de sortie anode est mélangé avec au moins le flux de sortie cathode par une interface de mélange (9).

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'interface de mélange (9) du flux de sortie cathode avec le flux de sortie anode régulé est à effet venturi déprimogène, c'est-à-dire qu'une des deux lignes (E ou F) d'échappement respectives comporte une partie, présentant un rétrécissement de section d'échappement, disposée juste après que l'autre ligne (F ou E) d'échappement débouche dans cette ligne (E ou F) d'échappement et que, le cas échéant, le mélange du flux de sortie cathode avec le flux de sortie carter (J) de pile a été effectué avec une interface de mélange (7) similaire.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes 4 à 6, caractérisé en ce que le moyen de régulation (10) de la réserve tampon (3) est une fuite calibrée, le diamètre de cette fuite calibrée pouvant éventuellement être modifié en cours d'opération.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le moyen derégulation de la réserve tampon (3) est une électrovanne (10a) proportionnelle ou une pompe (10b), ce moyen de régulation étant piloté par une logique de commande en fonction de divers paramètres.

9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon (3) est effectuée en fonction d'un ou de plusieurs des paramètres suivants : paramètres de fonctionnement de l'ensemble pile à combustible (H) comme courant produit, périodicité des purges de la zone anode, pression de la réserve tampon (3), concentration d'hydrogène dans la réserve tampon (3) et/ou la ligne (F) d'échappement, taux d'humidité dans les lignes (E, F, K) d'échappement, concentration d'hydrogène dans la ligne (K) d'échappement de sortie carter (J) de pile, débit des lignes (E, F, K) d'échappement, concentration d'oxygène dans la ligne (F) d'échappement cathode, paramètres de l'effet déprimogène généré par les débits des lignes d'échappement (E et F ; E et K) et le retrécissement de la section de la ligne (E ou F) d'échappement réceptrice, concentration en oxygène en amont de la jonction des flux anode et cathode et/ou concentration d'hydrogène en aval de la jonction des flux anode et cathode, concentration d'azote dans la ligne (F) d'échappement anode.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la ligne (F) d'échappement du flux de sortie anode après la réserve tampon (3) comprend un clapet anti-retour (2), empêchant la remontée de flux dans la réserve tampon (3) en provenance de l'interface de mélange (9) et en ce que, le cas échéant, notamment quand le moyen de régulation est une fuite calibrée (10), la réserve tampon (3) présente à une sortie auxiliaire une électrovanne (13) de vidange périodique de l'eau de la réserve tampon (3).

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la ligne (F) d'échappement de flux de sortie anode présente endérivation une boucle de recirculation (12) conduisant une partie du flux de sortie d'anode vers l'alimentation d'anode de la pile à combustible (H).

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que la ligne d'échappement résultante après jonction des flux anode et cathode dirige le mélange vers un brûleur catalytique (8), cette ligne d'échappement comprenant de préférence un ou des capteurs (6) en aval de la jonction de même que sur une ou des lignes (E, F) d'échappement en amont de la jonction, ces capteurs (6) détectant des caractéristiques des divers flux, telles que concentrations respectives d'hydrogène, d'oxygène ou d'azote dans les flux, taux d'humidité des flux, débit des flux etc..., afin de pratiquer une régulation optimisée du brûleur catalytique (8), de préférence par une logique de commande associée.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce qu'au moins la ligne (F) d'échappement de sortie de flux anode de ce dispositif est logée dans un carter afin d'éviter toute fuite d'hydrogène vers l'extérieur, ce carter étant le cas échéant le carter (J) de pile.

14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 13, caractérisé en ce qu'une électrovanne (4) est disposée dans la ligne (F) d'échappement du flux de sortie anode avant la réserve tampon (3), cette électrovanne (4) servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible (H) et alimentant la réserve tampon (3) en flux de sortie anode.

15. Utilisation d'un dispositif de sécurisation passive selon l'une quelconque des revendications 4 à 14 pour un ensemble pile à combustible (H) pour groupe électrogène destiné à être embarqué, notamment sur un véhicule.