FR2937478A1 - Convertisseur electrique dc/dc comprenant au moins une pile a combustible - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un convertisseur DC/DC assurant une isolation galvanique entre les deux circuits et présentant un rendement de conversion élevé. Le convertisseur comprend au moins un électrolyseur (40) destiné à être connecté à une source d'un premier courant continu pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir d'eau, et au moins une pile à combustible (50) comprenant une anode (51) séparée d'une cathode (52) par un électrolyte (53), pour générer un second courant continu à partir de l'hydrogène et de l'oxygène produits par l'électrolyseur. Des moyens sont prévus pour alimenter en gaz réactifs la ou les piles, lesdits gaz réactifs étant produits par le ou les électrolyseurs.

Description

1 CONVERTISSEUR ELECTRIQUE DC/DC COMPRENANT AU MOINS UNE PILE A COMBUSTIBLE

DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des convertisseurs d'un premier courant électrique continu en un second courant continu (DC/DC) assurant une isolation galvanique entre les deux circuits. 10 Elle concerne également le domaine des piles à combustible fonctionnant à base d'hydrogène et d'oxygène. Elle s'applique notamment aux systèmes nécessitant un courant faible et une tension élevée, par exemple 15 les systèmes électrostatiques du type MEMS, NEMS, ainsi que les systèmes microfluidiques à électromouillage. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Lorsque l'on souhaite isoler deux circuits 20 électriques et éventuellement convertir le premier courant en un second courant d'intensité différente, deux solutions se présentent habituellement selon que le premier courant est alternatif ou continu. Dans le cas d'un courant alternatif, on utilise 25 généralement un transformateur électrique comprenant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, couplés par un circuit magnétique. Ces dispositifs électriques, bien connus, ont l'avantage de présenter un rendement de conversion pouvant être supérieur à 30 95%. 2 En revanche, dans le cas d'un courant continu, le transformateur électrique ne peut être utilisé dans la mesure où la tension induite au secondaire est une tension purement alternative. Une solution consiste alors à transformer le courant continu de départ en courant alternatif à l'aide d'un hacheur, de le modifier avec un transformateur électrique assurant une isolation galvanique, puis de le transformer en courant continu.

Cependant, cette solution a l'inconvénient de présenter un faible rendement de conversion, inférieur à 70% environ, du fait des pertes liées aux différents moyens électriques utilisés.

EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un convertisseur de courant électrique continu en courant continu assurant une isolation galvanique entre les deux circuits, et présentant un rendement de conversion élevé. Pour ce faire, l'invention a pour objet un convertisseur d'un premier courant électrique continu en un second courant continu. Selon l'invention, le convertisseur comprend : - au moins un électrolyseur comportant une anode séparée d'une cathode par un électrolyte, destiné à être connecté à une source d'un premier courant continu pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir d'eau, - au moins une pile à combustible comprenant une anode séparée d'une cathode par un électrolyte, pour 3 générer un second courant continu à partir de l'hydrogène et de l'oxygène produits par l'électrolyseur, - des moyens pour alimenter l'anode de la pile avec l'hydrogène produit à la cathode de l'électrolyseur, alimenter la cathode de la pile avec l'oxygène produit à l'anode de l'électrolyseur, et alimenter l'anode de l'électrolyseur en eau, et - des moyens pour collecter le second courant généré par la pile. Ainsi, le convertisseur assure la conversion du courant électrique continu d'entrée en un courant continu de sortie, tout en isolant le circuit de sortie du circuit d'entrée.

En effet, l'isolation galvanique est réalisée dans la mesure où il n'y a pas de contact électrique entre le ou les électrolyseurs et la ou les piles, mais uniquement une communication fluidique. Par ailleurs, le rendement de conversion est élevé.

En effet, les gaz réactifs produits qui alimentent les piles sont purs et les pertes sont limitées. Il n'y a pas de pertes ohmiques ou magnétiques comme dans le cas de l'art antérieur. A titre illustratif, pour une température de fonctionnement de 298K, et pour un convertisseur comprenant un unique électrolyseur et 50 piles mises en série, un couple tension/courant d'entrée de 1,5V et 50mA peut fournir en sortie 60V et 1mA. Le rendement de conversion est alors de l'ordre de 75%. Cependant, ce rendement peut être de l'ordre de 95% à plus haute température, par exemple à 350K 4 environ pour des piles du type à membrane solide échangeuse de protons (PEM). Le rapport de transformation dépend du rapport entre le nombre d'électrolyseurs et le nombre de piles.

Ainsi, pour N piles mises en série, et un électrolyseur, le rapport de transformation courant de sortie sur courant d'entrée est de 1/N. Le rapport de transformation tension de sortie Us sur tension d'entrée Ue peut s'écrire NxUs/Ue.

Pour un électrolyseur et une pile, le rapport de transformation est sensiblement égal à l'unité. Le convertisseur selon l'invention a comme autre intérêt d'isoler électriquement le circuit de sortie du circuit d'entrée.

De plus, dans le cas où le nombre de piles est inférieur à celui d'électrolyseurs, le rapport de transformation est inférieur à l'unité. Il est à noter, par ailleurs, que dans la mesure où les gaz produits sont purs et les volumes du substrat et de la chambre sont faibles, la réaction de transformation du couple tension/courant d'entrée en un couple tension/courant de sortie présente un temps de réaction sensiblement inférieur à 0,ls. La réaction de transformation peut donc être considérée comme quasiment instantanée. L'eau qui alimente l'électrolyseur peut provenir d'une source d'eau différente des piles à combustible. Elle peut alternativement, et de manière avantageuse, provenir des piles elles-mêmes.

Ainsi, lesdits moyens d'alimentation comprennent avantageusement au moins un moyen d'alimentation en eau pour alimenter l'anode de l'électrolyseur avec de l'eau produite à la cathode de la pile. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'alimenter continûment l'électrolyseur en eau à partir d'une 5 source d'eau extérieure, puisque l'eau produite par les piles est utilisée pour alimenter l'électrolyseur. De plus, il y a autant de molécules d'eau consommées que de molécules d'eau produites. En effet, les équations de réaction au niveau des électrodes de l'électrolyseur s'écrivent : A l'anode : H2O - 1 02 + 2H+ + 2e- ; et A la cathode : 2H+ + 2e- -* H2 Aussi, en fournissant 2N électrons et N molécules d'eau, l'électrolyseur produit N molécules d'hydrogène et N/2 molécules d'oxygène. Au niveau d'une pile, les équations de réaction au niveau des électrodes s'écrivent de manière bien connue : A l'anode : H2 -* 2H+ + 2e A la cathode : 2H+ + 2e- + 02 -* H2O Aussi, si l'on fournit à l'ensemble de N piles les N molécules d'hydrogène et N/2 molécules d'oxygène produites par l'électrolyseur, l'ensemble des N piles produit N molécules d'eau, mais seulement 2 électrons dans la mesure où les piles sont disposées en série. Le nombre de molécules d'eau produites est bien égal à celui de molécules d'eau consommées. De plus, le rapport de transformation courant de sortie (2 électrons produits par l'ensemble des N piles en série) sur courant d'entrée (2N électrons fournis à l'électrolyseur) est bien de 1/N. 6 La température moyenne de l'enceinte est sensiblement constante, puisque le nombre de réactions endothermiques d'électrolyse de l'eau équivaut au nombre de réactions exothermiques d'électrolyse inverse de l'eau. De préférence, lesdits moyens d'alimentation comprennent un moyen formant support et assurant la communication fluidique entre l'anode de la pile et la cathode de l'électrolyseur, ou entre la cathode de la pile et l'anode de l'électrolyseur. Lesdites deux électrodes, entre lesquelles ledit moyen formant support assure une communication fluidique, peuvent être disposées sur une même face ou sur deux faces opposées dudit moyen formant support.

Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit moyen formant support assure l'alimentation de la cathode de la pile avec l'oxygène produit à l'anode de l'électrolyseur. L'anode de l'électrolyseur et la cathode de la pile 20 peuvent être disposées sur une même face ou sur deux faces opposées dudit moyen formant support. Si elles sont disposées sur une même face, la surface de l'anode de l'électrolyseur est avantageusement sensiblement supérieure à la surface de 25 la cathode de la pile. Si elles sont disposées sur deux faces opposées, l'anode de l'électrolyseur peut s'étendre sensiblement sur toute la surface du moyen formant support. Lesdits moyens d'alimentation peuvent comprendre, 30 en outre, une chambre définie par le volume intérieur d'une enceinte étanche, ladite chambre étant séparée de 7 manière étanche dudit moyen formant support, pour alimenter l'anode de la pile avec l'hydrogène produit à la cathode de l'électrolyseur. Avantageusement, ledit moyen formant support assure, en outre, l'alimentation de l'anode de l'électrolyseur avec de l'eau produite à la cathode de la pile. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ledit moyen formant support assure l'alimentation de l'anode de la pile avec l'hydrogène produit à la cathode de l'électrolyseur. L'anode de la pile et la cathode de l'électrolyseur peuvent alors être disposées sur une même face ou sur deux faces opposées dudit moyen formant support.

Si elles sont disposées sur une même face, la surface de la cathode de l'électrolyseur est avantageusement sensiblement supérieure à la surface de l'anode de la pile. Si elles sont disposées sur deux faces opposées, la cathode de l'électrolyseur s'étend sensiblement sur toute la surface du moyen formant support. Lesdits moyens d'alimentation peuvent comprendre, en outre, une chambre définie par le volume intérieur d'une enceinte étanche, ladite chambre étant séparée de manière étanche dudit moyen formant support, pour alimenter la cathode de la pile avec l'oxygène produit à l'anode de l'électrolyseur. Ledit moyen formant support est avantageusement un substrat poreux diélectrique.

Ledit substrat poreux peut comprendre de l'eau, notamment dans le cas où le substrat poreux assure à la 8 fois l'alimentation de la cathode de la pile avec l'oxygène produit à l'anode de l'électrolyseur, et l'alimentation de l'anode de l'électrolyseur avec de l'eau produite à la cathode de la pile.

Lesdits moyens d'alimentation peuvent comprendre des moyens d'alimentation en eau assurant l'alimentation de l'anode de l'électrolyseur avec de l'eau produite à la cathode de la pile. Ces moyens sont alors distincts dudit substrat poreux.

Lesdits moyens d'alimentation en eau peuvent être choisis parmi un film hydrophile, un dispositif d'acheminement par électromouillage, et/ou un moyen d'acheminement par gravité. Lesdits moyens d'alimentation peuvent comprendre, en outre, un moyen formant réservoir contenant de l'eau et communiquant avec l'anode de l'électrolyseur. Lesdits moyens d'alimentation en eau peuvent assurer l'alimentation en eau de l'anode de l'électrolyseur soit directement, en étant en contact avec ladite anode, soit indirectement, par exemple par l'intermédiaire dudit réservoir. De préférence, le convertisseur comprend une pluralité de piles à combustible connectées en série. Dans ce cas, le convertisseur comprend des moyens pour collecter le courant entre une quelconque des anodes desdites piles et une quelconque des cathodes desdites piles. Un matériau diélectrique est alors avantageusement disposé entre chaque anode et entre chaque cathode desdites piles. 9 Le convertisseur peut comprendre une pluralité d'électrolyseurs disposés en parallèle. Avantageusement, l'électrolyte du ou des électrolyseurs est de même nature que celui du ou des piles. L'invention porte également sur un procédé de conversion d'un premier courant électrique continu en un second courant électrique continu. Selon l'invention, ledit procédé comprend les étapes suivantes . - alimenter en eau l'anode d'un électrolyseur séparée d'une cathode par un électrolyte et appliquer un premier courant continu entre lesdites anode et cathode de l'électrolyseur, de sorte que l'électrolyseur électrolyse ladite eau et produise de l'oxygène à ladite anode et de l'hydrogène à ladite cathode ; - alimenter l'anode d'au moins une pile à combustible en hydrogène, ladite anode de la pile étant séparée d'une cathode par un électrolyte, et alimenter ladite cathode de la pile en oxygène, ledit hydrogène et ledit oxygène étant produits par l'électrolyseur, de sorte que la pile génère un second courant continu ; et - collecter le second courant continu généré par la pile. La pile, alimentée avec l'oxygène et l'hydrogène, produit en outre de l'eau à sa cathode, ladite eau peut être acheminée jusqu'à l'anode de l'électrolyseur pour l'alimenter.30 10 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, parmi lesquels : La figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un convertisseur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La figure 2A est une vue de dessus du convertisseur représenté sur la figure 1, et la figure 2B est une vue de dessus d'une variante du premier mode de réalisation de l'invention ; La figure 3 est une représentation schématique en coupe d'un convertisseur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'électrolyseur et les piles sont disposées en vis-à-vis ; et La figure 4 est une représentation schématique en coupe d'un convertisseur selon un troisième mode de réalisation de l'invention, dans lequel le substrat poreux assure également la fonction de réservoir d' eau.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PREFERE Un convertisseur DC/DC selon l'invention comprend au moins un électrolyseur 40, au moins une pile à combustible 50, des moyens d'alimentation en gaz et en 11 eau, et des moyens pour collecter le courant généré par la ou les piles. L'électrolyseur 40 comprend une anode 41 et une cathode 42, séparée l'une de l'autre par un électrolyte 43. Il est destiné à être connecté à une source de courant continu pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir d'eau. Plus particulièrement, l'eau est électrolysée de sorte qu'à l'anode est produit de l'oxygène (demi-réaction d'oxydation) alors qu'à la cathode est produit de l'hydrogène (demi-réaction de réduction). La pile à combustible 50 comprend une anode 51 et une cathode 52, séparées l'une de l'autre par un électrolyte 53. Elle est conçue pour générer un courant continu à partir d'hydrogène et d'oxygène. En fonctionnement, les piles produisent également de l'eau. Plus précisément, l'hydrogène est oxydé à l'anode alors qu'à la cathode, l'oxygène est réduit. Ces deux demi-réactions électrochimiques produisent ainsi de l'eau à la cathode et génèrent un courant électrique continu. Les moyens d'alimentation en gaz et en eau sont conçus pour alimenter l'anode de la pile avec l'hydrogène produit à la cathode de l'électrolyseur, alimenter la cathode de la pile avec l'oxygène produit à l'anode de l'électrolyseur, et alimenter l'anode de l'électrolyseur en eau. La figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un convertisseur selon un premier mode de réalisation de l'invention. 12 La coupe est réalisée suivant le plan (i,k) du repère orthonormé direct (i,j,k). Il comprend une enceinte 10 à l'intérieur de laquelle est disposé un substrat poreux formant support 20. Un unique électrolyseur 40 et une pluralité de piles 50 connectées en série sont supportés par ledit substrat poreux 20. Plus précisément, ils sont disposés sur la même face supérieure 21 dudit substrat 20.

L'espace laissé libre à l'intérieur de l'enceinte 10 définit une chambre 30. La chambre 30 et le substrat poreux 20 sont de préférence séparés de manière étanche l'un de l'autre. L'électrolyseur 40 comprend une cathode 42 qui repose sur ladite face supérieure 21 du substrat 20, de manière à communiquer avec celui-ci. Ladite cathode 42 est recouverte d'un électrolyte 43. Une anode 41 est disposée en vis-à-vis de la cathode 42 et est séparée de celle-ci par l'électrolyte 43.

Un réservoir 71 contenant de l'eau est en contact avec l'anode 41. L'anode 41 communique ainsi, par une face, avec l'électrolyte 43, et, par une face opposée, avec le réservoir 71. De plus, le réservoir 71 permet la communication gazeuse entre l'anode 41 et la chambre 30. De préférence, le réservoir 71 est disposé de manière à alimenter en eau sensiblement toute la surface de l'anode 41, ou plus précisément, sensiblement toute la surface de la face de l'anode 41 avec laquelle il est en contact. 13 L'électrolyseur 40 est destiné à être connecté à une source de courant continu (non représenté) par l'intermédiaire des fils électriques 44, 45. Une pluralité de piles 50 est disposée sur la face supérieure 21 du substrat 20. Plus précisément, chaque anode 51 des piles repose sur la face supérieure 21 du substrat 20. Un électrolyte 53 recouvre lesdites anodes 51 des piles. De préférence, ledit électrolyte 53 est identique pour toutes les piles 50, et recouvre continûment les anodes 51. L'électrolyte 53 peut être de même nature que l'électrolyte 43 de l'électrolyseur, voire former une même pièce avec celui-ci, comme représenté sur la figure 1.

En vis-à-vis de chaque anode 51 est disposée la cathode correspondante 52. Chaque cathode 52 communique ainsi, par une face, avec l'électrolyte 53, et, par une face opposée, avec la chambre 30. La connexion en série des piles 50 est assurée par des contacts électriques 54 qui relient la cathode 52 d'une pile à l'anode 51 de la pile suivante. Ainsi, la cathode 42 de l'électrolyseur 40 et les anodes 51 des piles communiquent avec le substrat poreux 20.

Dans le premier mode de réalisation de l'invention, la porosité du substrat 20 permet d'assurer notamment la communication gazeuse, ici de l'hydrogène, entre la cathode 42 de l'électrolyseur et les anodes 51 des piles.

De préférence, ledit substrat poreux 20 est diélectrique. Bien entendu, il assure également le 14 maintien de l'électrolyseur 40 et des piles 50 à l'intérieur de l'enceinte 10. De plus, l'anode 41 de l'électrolyseur et les cathodes 52 des piles communiquent avec ladite chambre 30. La chambre 30 permet d'assurer notamment la communication gazeuse, ici de l'oxygène, entre l'anode 41 de l'électrolyseur et les cathodes 52 des piles. Selon l'invention, le convertisseur comprend des moyens dont l'une des fonctions est d'alimenter l'anode 41 de l'électrolyseur en eau. Ces moyens comprennent le réservoir 71 contenant de l'eau, mentionné précédemment. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, l'eau produite par les piles 50 alimente avantageusement le réservoir d'eau 71. Le convertisseur comprend alors un moyen pour alimenter en eau le réservoir 71 à partir des cathodes 52 des piles. Ce moyen peut être un film hydrophile 72 reliant les cathodes 52 au réservoir 71. L'eau produite aux cathodes 52 est absorbée par le film 72 par mouillage, et acheminée spontanément jusqu'au réservoir 71. En effet, comme il est décrit plus loin, l'eau est produite par les cathodes et électrolysée à l'anode 41 de l'électrolyseur. Les cathodes 52 sont donc des sources d'eau et le réservoir 71 un puits d'eau. Un gradient massique est présent entre les cathodes 52 et le réservoir 71, qui génère un flux diffusif assurant la migration de l'eau le long du film hydrophile 72. Pour améliorer le transfert de l'eau des cathodes 52 des piles jusqu'au réservoir 71, il est avantageux de disposer l'électrolyseur 40, et ainsi le réservoir 15 71, à une hauteur inférieure, suivant la direction k, à celle des cathodes 52 de piles, comme représenté sur la figure 1. Ainsi, l'eau est acheminée par mouillage, mais également par gravité.

Il est par ailleurs possible de remplacer le film hydrophile 72 par un conduit d'acheminement reliant les cathodes 52 des piles au réservoir 71. L'eau est alors acheminée sous l'effet de la gravité seule. Alternativement, le convertisseur peut comprendre un dispositif d'acheminement de l'eau des cathodes 52 des piles jusqu'au réservoir 71 fonctionnant par électromouillage. Ce type de dispositif, connu de l'homme du métier, comprend par exemple une succession d'électrodes d'actionnement formant un chemin fluidique reliant chaque cathode 52 des piles au réservoir 71. L'activation une à une des électrodes d'actionnement peut former des gouttelettes d'eau et les déplacer jusqu'au réservoir. De tels dispositifs sont notamment décrits dans les demandes de brevet EP1376846 et FR2872438 déposées au nom de la demanderesse. Pour collecter le courant généré par les piles, des moyens de collection du courant, par exemple deux fils électriques 61 et 62, sont connectés, l'un à l'anode 51-1 de la première pile, l'autre à la cathode 52-N de la dernière pile. La disposition des piles par rapport à l'électrolyseur est représentée sur la figure 2A qui est une vue de dessus du convertisseur représenté sur la figure 1, dans le plan (i,j). 16 Ne sont représentées pour la clarté de la figure que l'anode 41 de l'électrolyseur et les cathodes 52 de pile. On remarque que l'anode 41 de l'électrolyseur présente une surface supérieure à celle des cathodes 52 de piles. De préférence, la surface de l'anode 41 de l'électrolyseur est sensiblement égale à la somme des surfaces des cathodes 52 de pile. Par ailleurs, l'électrolyseur 40 est disposé sensiblement au centre du volume intérieur défini par l'enceinte 10 dans le plan (i,j), alors que les piles 50 sont disposées en périphérie de l'électrolyseur. La figure 2B montre une variante de la figure 2A correspondant à une disposition inversée. Les piles 50 occupent une large partie centrale du volume intérieur défini par l'enceinte 10, alors que l'électrolyseur 40 est disposé en périphérie et entoure sensiblement l'ensemble des piles 50. Pour cela, l'électrolyseur 40 est sensiblement annulaire avec une forme carrée ou rectangulaire.

L'enceinte 10 du convertisseur selon le premier mode de réalisation de l'invention peut être une paroi étanche aux gaz et à l'eau.

Le substrat 20 peut être un milieu poreux diélectrique, monté solidaire de ladite enceinte. Le matériau peut être notamment un polymère, une céramique comme du carbure de silicium, de la silice, ou tout matériau diélectrique poreux. Il est à noter que la porosité peut être obtenue par traitement d'un matériau dense, par exemple par perçage ou gravure. 17 Les électrodes 41, 42 de l'électrolyseur peuvent être un milieu poreux électriquement conducteur, par exemple un milieu carboné. Elles comportent chacune une surface sur laquelle est déposé un catalyseur électrochimique, par exemple du platine ou un alliage de platine, définissant ainsi une zone active. Ladite zone active est en contact avec l'électrolyte. La porosité de l'anode 41 d'électrolyseur permet la migration de l'eau du réservoir jusqu'à la zone active de ladite anode, ainsi que la migration de l'oxygène de la zone active jusqu'au réservoir 71. L'électrolyte 43 peut être de même nature que l'électrolyte 53 des piles à combustible 50, telle que décrite plus loin.

Un catalyseur peut être utilisé pour améliorer le rendement des demi-réactions électrochimiques, comme du platine ou de l'alliage de platine. Les piles 50 fonctionnent à partir d'hydrogène et d'oxygène.

Les électrodes 51, 52 de pile peuvent avoir une structure identique à celle des électrodes 41, 42 de l'électrolyseur. Ainsi, elles peuvent être un milieu poreux électriquement conducteur, par exemple un milieu carboné. Elles comportent chacune une surface sur laquelle est déposé un catalyseur électrochimique, par exemple du platine ou un alliage de platine, définissant ainsi une zone active. Ladite zone active est en contact avec l'électrolyte. De préférence, un unique électrolyte 53 est utilisé et est commun à chaque pile. La nature de l'électrolyte 53 dépend du type de pile utilisé. Ce peut être une 18 solution KOH pour une pile à combustible alcaline (AFC), une membrane polymère conductrice de protons pour une pile de type PEMFC, de l'acide phosphorique pour une pile de type PAFC, du Li2CO3 et KCO3 fondu dans une matrice LiA1O2 pour une pile de type MCFC, ou encore du ZrO2 et Y2O3 pour une pile de type SOFC. Notons qu'en fonction de la température de fonctionnement de la pile 50, la pression à l'intérieur de l'enceinte 10 est avantageusement déterminée de manière à assurer le maintien de l'eau en phase liquide. En effet, pour les piles de type PAFC, MCFC, SOFC, la température de fonctionnement peut être de plusieurs centaines de degrés Celsius. Le réservoir d'eau 71 peut être une cavité communiquant avec l'anode 41 de l'électrolyseur. Il peut également être un milieu poreux, par exemple du papier, un gel, une céramique, de la cellulose, voire un métal. Il peut contenir, de préférence, un volume de l'ordre du millimètre cube ou du centimètre cube.

Le film hydrophile 72 peut être un polymère hydrophile. Le caractère hydrophile du polymère peut être naturel ou obtenu de manière connue à la suite d'un traitement plasma. L'acheminement de l'eau peut également être réalisé 25 par une simple mèche, par exemple en cellulose, reliant le réservoir 71 à la cathode 52 de la pile. Notons que dans le cas d'un grand nombre de piles disposées en série, il est avantageux de placer une couche d'un matériau diélectrique, par exemple en Si3N4 30 ou SiO2, entre lesdites piles, pour éviter tout phénomène de claquage. 19 La surface de chaque électrode 51, 52 de pile peut être de l'ordre de quelques millimètres carrés, et celle de chaque électrode 41, 42 de l'électrolyseur peut être de l'ordre de quelques centimètres carrés, de sorte que la surface du convertisseur, dans le plan (i,j) soit de l'ordre de la dizaine de centimètres carrés. La hauteur du convertisseur selon l'invention peut être de l'ordre du centimètre. Ainsi, le convertisseur peut avoir un volume de l'ordre de 10cm3, et présente donc l'avantage supplémentaire d'être particulièrement compact.

Le fonctionnement du convertisseur selon le premier mode de réalisation de l'invention est le suivant.

L'électrolyseur 40 est connecté à une source de courant continu. L'électrolyse de l'eau initialement contenue dans le réservoir 71 est réalisée par l'électrolyseur 40. Ainsi, le réservoir 71 assure une première alimentation en eau de l'électrolyseur 40, avant que celui-ci soit alimenté par l'eau produite par les piles 50. De l'oxygène gazeux et de l'hydrogène gazeux sont alors produits respectivement à l'anode 41 et à la cathode 42 de l'électrolyseur.

L'oxygène diffuse au travers du réservoir 71 puis se répand dans la chambre 30, de manière à venir en contact des cathodes 52 des piles. L'hydrogène diffuse dans le substrat 20 pour venir en contact avec les anodes 51 des piles.

Les piles sont ainsi alimentées en gaz réactifs, l'hydrogène et l'oxygène, produits par l'électrolyseur. 20 Chaque électrode de pile réalise une demi-réaction d'oxydoréduction. Ainsi, l'hydrogène est réduit au niveau de chaque anode 51 de pile. Les protons traversent l'électrolyte 53 des piles alors que les électrons la contournent. Les collecteurs de courant 61, 62 collectent alors le courant continu généré par les piles. L'oxygène est oxydé au niveau de chaque cathode 52 de pile, de manière à produire de l'eau. L'eau produite est alors acheminée jusqu'au réservoir 71 par le film hydrophile 72, de manière à alimenter à nouveau l'anode 41 de l'électrolyseur. Le cycle d'électrolyse et d'électrolyse inverse de l'eau, réalisé par le convertisseur, se poursuit tant que l'électrolyseur est alimenté en courant continu.

Par ailleurs, le convertisseur peut ne comporter qu'une pile à combustible et un unique électrolyseur. Le convertisseur est alors un transformateur d'isolation dont le rapport de transformation est égal à l'unité. L'intérêt réside alors dans l'isolation galvanique assurée par le convertisseur. Le convertisseur peut également comporter une pluralité d'électrolyseurs en série et une pluralité de piles en série, avec moins de piles que d'électrolyseurs. Le rapport de transformation est alors inférieur à l'unité. Par ailleurs, pour obtenir plusieurs tensions de sortie, les moyens de collection de courant peuvent comprendre une pluralité de fils électriques, chacun étant reliés à une ou plusieurs piles. Ainsi, deux fils 21 reliés, l'un, à la première anode de pile et l'autre à la cathode correspondante, permettent d'obtenir un couple courant/tension noté (Is,Us). Un autre fil relié à la cathode de la pile suivante permet d'obtenir, avec le premier fil connecté à la première anode de pile, le couple (Is,2xUs). Ainsi, lorsque le deuxième fil est connecté à la nième pile, le couple obtenu est (Is,nxUs). Pour obtenir une valeur de courant de sortie différente de I1, il est possible de connecter plusieurs piles en parallèle. Par ailleurs, connecter plusieurs électrolyseurs en parallèle permet d'augmenter la puissance du convertisseur selon l'invention.

Il est à noter qu'en variante non représentée du premier mode de réalisation de l'invention, les moyens d'alimentation en eau de l'électrolyseur peuvent relier une source d'eau disposée à l'extérieur de l'enceinte 10 et l'anode 41 de l'électrolyseur.

L'électrolyseur 40 n'est alors pas alimenté par l'eau contenue initialement dans le réservoir 71, ni par l'eau produite par les piles 50, mais par la source d'eau extérieure à l'enceinte. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de disposer de réservoir 71 en contact avec l'anode 41 de l'électrolyseur. L'eau produite par les piles 50 peut être stockée à l'intérieur de l'enceinte 10, ou évacuée hors de l'enceinte 10 par un moyen d'évacuation, par exemple un conduit d'évacuation. 22 Le convertisseur selon le premier mode de réalisation peut présenter d'autres dispositions des différents éléments qui le composent. Ainsi, la figure 3 montre un deuxième mode de réalisation de l'invention tel que représenté sur la figure 1, dans lequel les piles 50 et l'électrolyseur 40 sont disposés de part et d'autre du substrat 20. Les références numériques identiques à celles de la figure 1 désignent des éléments identiques ou similaires. Les différents fils et contacts électriques ne sont pas représentés par souci de clarté. Le substrat poreux 20 est monté sensiblement au centre de l'enceinte 10 et fixé à la paroi gauche 13 de celle-ci. Il s'étend suivant le plan (i,j) et présente une faible épaisseur suivant la direction k, par exemple de l'ordre du micron ou du millimètre. Sur sa surface supérieure 21 est disposé l'électrolyseur 40. Plus précisément, la cathode 42 de l'électrolyseur est disposée sur la surface supérieure 21, sur laquelle se trouve l'électrolyte 43 de l'électrolyseur, puis l'anode 41 et le réservoir 71. Les électrodes de l'électrolyseur ainsi que le réservoir s'étendent de préférence sur une surface sensiblement égale à celle du substrat poreux. A la surface inférieure du substrat poreux sont montées les anodes 51 des différentes piles en série. L'électrolyte 53 des piles s'étend suivant le plan (i,j) de manière à être en contact avec toutes les anodes de pile. En vis-à-vis des anodes 51 sont disposées les cathodes 52 de pile. 23 La chambre 30 comprend ainsi un espace supérieur 31 situé entre le réservoir 71 et la paroi supérieure 11 de l'enceinte 10, et un espace inférieur 32 situé entre les cathodes 52 de pile et la paroi inférieure 12 de l'enceinte 10. Ces deux espaces 31 et 32 communiquent entre eux par un espace latéral 33 parallèle à la paroi droite 14 de l'enceinte. Le moyen de communication fluidique 73, de préférence un dispositif à électromouillage, relie les cathodes de pile au réservoir. Il s'étend notamment dans l'espace latéral de la chambre. Ce deuxième mode de réalisation présente un fonctionnement similaire à celui du premier mode de réalisation et n'est donc pas repris ici. Notons qu'ici, l'oxygène migre de l'anode 41 de l'électrolyseur jusqu'aux cathodes 52 de pile en passant par l'espace latéral 33 de la chambre. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'améliorer le temps de réponse du convertisseur en diminuant le temps de parcours des gaz, et notamment ici de l'hydrogène. En effet, la disposition en vis-à-vis de l'électrolyseur et des piles, ainsi que la faible épaisseur du substrat poreux permettent de diminuer sensiblement la longueur du parcours de l'hydrogène. Le temps de réponse du convertisseur est alors fortement diminué. La figure 4 est une représentation d'un troisième mode de réalisation. Ce mode de réalisation est une variante du deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 3, duquel il se distingue par une orientation différente de 24 l'électrolyseur 40 et des piles 50 suivant la direction k, et par une fonction supplémentaire du substrat poreux 20. Les références numériques identiques à celles de la figure 3 désignent des éléments identiques ou similaires. Dans ce mode de réalisation, le substrat poreux 20 remplit la fonction supplémentaire de réservoir d'eau. Préalablement à l'alimentation du substrat poreux en eau produite par les piles, le substrat poreux 20 contient de l'eau qui sera électrolysée pour initier le cycle de fonctionnement. Il n'est alors pas nécessaire de prévoir un réservoir distinct du substrat poreux. Sur la surface supérieure 21 dudit substrat est disposé un empilement formé de l'anode 41 de l'électrolyseur, de l'électrolyte 43 et de la cathode 42 de l'électrolyseur, ladite anode 41 étant en contact avec ladite surface supérieure 21. En vis-à-vis de l'anode 41 de l'électrolyseur par rapport au substrat poreux 20 se trouvent les cathodes 52 de pile, puis l'électrolyte 53 et les anodes 51 de pile. Notons que dans ce troisième mode de réalisation comme dans le deuxième mode de réalisation, l'électrolyte 43 de l'électrolyseur et celui 53 des piles sont distincts l'un de l'autre et séparés par le substrat poreux 20. Ce troisième mode de réalisation présente un fonctionnement similaire à celui du premier mode de réalisation et n'est donc pas repris ici. Il est à noter qu'ici, l'hydrogène migre de la cathode 42 de 25 l'électrolyseur jusqu'aux anodes 51 de pile en passant par l'espace latéral 33 de la chambre. Ce mode de réalisation présente l'avantage de ne pas avoir à prévoir de réservoir distinct du substrat poreux, ni de moyen propre reliant les cathodes de piles à l'anode de l'électrolyseur. Cette diminution du nombre de pièces permet de simplifier la structure du convertisseur et ainsi d'abaisser les coûts de production. De plus, pour permettre la migration de l'eau et de l'oxygène, il est avantageux que le substrat poreux possède un double réseau de pores, avec des pores de grand diamètre moyen pour la migration de l'eau et des pores de petit diamètre moyen pour la migration de l'oxygène.

Par ailleurs, le temps de parcours de l'oxygène est sensiblement diminué, par la faible épaisseur du substrat poreux et par la disposition en vis-à-vis de l'électrolyseur et des piles. Cela vient atténuer le fait que la réaction de réduction de l'oxygène est plus lente que celle de l'oxydation de l'hydrogène. Ainsi, ce troisième mode de réalisation présente un temps de réponse optimal. Bien entendu, les termes supérieure et inférieure concernant les surfaces 21, 22 du substrat poreux 20 des deuxième et troisième modes de réalisation peuvent être inversés sans que cela ne modifie la structure et le fonctionnement de l'invention. Plus précisément, l'électrolyseur 40 peut être en contact avec la surface inférieure 22 du substrat 20 alors que les piles 50 sont en contact avec la surface supérieure 21 du substrat 20.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS1. Convertisseur d'un premier courant électrique continu en un second courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un électrolyseur (40) comportant une anode (41) séparée d'une cathode (42) par un électrolyte (43), destiné à être connecté à une source du premier courant continu pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir d'eau, - au moins une pile à combustible (50) comprenant une anode (51) séparée d'une cathode (52) par un électrolyte (53), pour générer un second courant continu à partir de l'hydrogène et de l'oxygène produits par l'électrolyseur (40), - des moyens pour alimenter l'anode (51) de la pile avec l'hydrogène produit à la cathode (42) de l'électrolyseur, alimenter la cathode (52) de la pile avec l'oxygène produit à l'anode (41) de l'électrolyseur, et alimenter l'anode (41) de l'électrolyseur en eau, et - des moyens (61, 62) pour collecter le second courant généré par la pile.
2. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent un moyen formant support (20) et assurant la communication fluidique entre l'anode (51) de la pile et la cathode (42) de l'électrolyseur, ou entre la cathode (52) de la pile et l'anode (41) de l'électrolyseur. 27
3. 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites deux électrodes, entre lesquelles ledit moyen formant support (20) assure une communication fluidique, sont disposées sur une même face ou sur deux faces opposées dudit moyen formant support (20).
4. 4. Convertisseur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit moyen formant support (20) assure l'alimentation de la cathode (52) de la pile avec l'oxygène produit à l'anode (41) de l'électrolyseur.
5. 5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent, en outre, une chambre (30) définie par le volume intérieur d'une enceinte étanche (10), ladite chambre étant séparée de manière étanche dudit moyen formant support (20), pour alimenter l'anode (51) de la pile avec l'hydrogène produit à la cathode (42) de l'électrolyseur.
6. 6. Convertisseur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit moyen formant support (20) assure, en outre, l'alimentation de l'anode (41) de l'électrolyseur avec de l'eau produite à la cathode (52) de la pile.
7. 7. Convertisseur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit moyen formant support (20) 28 assure l'alimentation de l'anode (51) de la pile avec l'hydrogène produit à la cathode (42) de l'électrolyseur.
8. 8. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent, en outre, une chambre (30) définie par le volume intérieur d'une enceinte étanche (10), ladite chambre (30) étant séparée de manière étanche dudit moyen formant support (20), pour alimenter la cathode (52) de la pile avec l'oxygène produit à l'anode (41) de l'électrolyseur.
9. 9. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que ledit moyen formant support (20) est un substrat poreux diélectrique.
10. 10. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, ou 7 à 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent des moyens d'alimentation en eau assurant l'alimentation de l'anode (41) de l'électrolyseur avec de l'eau produite à la cathode (52) de la pile.
11. 11. Convertisseur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation en eau sont choisis parmi un film hydrophile (72), un dispositif d'acheminement par électromouillage (73), et/ou un moyen d'acheminement par gravité. 29
12. 12. Convertisseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent, en outre, un moyen formant réservoir (71) contenant de l'eau et communiquant avec l'anode (41) de l'électrolyseur.
13. 13. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de piles à combustible (50) connectées en série.
14. 14. Convertisseur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour collecter le courant entre une quelconque des anodes (51) desdites piles et une quelconque des cathodes (52) desdites piles.
15. 15. Convertisseur selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce qu'un matériau diélectrique est disposé entre chaque pile (50).
16. 16. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'électrolyseurs (40) disposés en parallèle.
17. 17. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'électrolyte (43) du ou des électrolyseurs (40) est de même nature que celui (53) du ou des piles (50). 30
18. 18. Procédé de conversion d'un premier courant électrique continu en un second courant électrique continu, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes . - alimenter en eau l'anode (41) d'un électrolyseur (40) séparée d'une cathode (42) par un électrolyte (43) et appliquer un premier courant continu entre lesdites anode (41) et cathode (42) de l'électrolyseur (40), de sorte que l'électrolyseur (40) électrolyse ladite eau et produise de l'oxygène à ladite anode (41) et de l'hydrogène à ladite cathode (42) ; - alimenter l'anode (51) d'au moins une pile à combustible (50) en hydrogène, ladite anode (51) de la pile étant séparée d'une cathode (52) par un électrolyte (53), et alimenter ladite cathode (52) de la pile (50) en oxygène, ledit hydrogène et ledit oxygène étant produits par l'électrolyseur (40), de sorte que la pile génère un second courant continu ; et - collecter le second courant continu généré par la pile.
19. 19. Procédé de conversion selon la revendication 18, caractérisé en ce que la pile, alimentée avec l'oxygène et l'hydrogène, produit en outre de l'eau à sa cathode (52), ladite eau étant acheminée jusqu'à l'anode (41) de l'électrolyseur pour l'alimenter.30