FR2971087A1

FR2971087A1 - Boucle de recyclage pour pile a combustible

Info

Publication number: FR2971087A1
Application number: FR1150749A
Authority: FR
Inventors: Gino Paganelli
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Michelin Recherche et Technique SA France; Societe de Technologie Michelin SAS
Current assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Michelin Recherche et Technique SA France; Societe de Technologie Michelin SAS
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-08-03
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: CN103348522A; CN103348522B; FR2971087B1; US20130344406A1; WO2012104191A1; JP2014509045A; EP2671277A1

Abstract

Boucle de recyclage (1 R ou 12Ra) pour circuit gaz d'une pile à combustible (1a), la boucle de recyclage formant une canalisation de liaison débutant à la sortie de l'un des deux circuits anodique ou cathodique de ladite pile à combustible (1) et aboutissant sur l'un des deux circuits d'alimentation, soit sur le canal d'alimentation en gaz carburant (11 A), soit sur le canal d'alimentation en gaz comburant (12A), ladite boucle de recyclage assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, ladite boucle de recyclage comportant une pompe (115 ou 125) assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, la boucle de recyclage comportant une vanne à plusieurs voies (119 ou 129) divisant ladite boucle de recyclage en un premier tronçon (11R1 ou 12R1) et un second tronçon (11R2a ou 12R2a), ladite vanne à plusieurs voies ayant une première position d'utilisation stable assurant la continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et ayant une deuxième position d'utilisation stable assurant simultanément l'interruption de ladite continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et une mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manœuvre de ladite vanne à plusieurs voies.

Description

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Boucle de recyclage pour pile à combustible

DOMAINE DE L'INVENTION

[1] La présente invention se rapporte aux piles à combustibles, en particulier mais non exclusivement aux piles à combustible du type à électrolyte sous la forme d'une membrane polymère (c'est à dire de type PEFC pour Polymer Electrolyte Fuel Cell). ETAT DE LA TECHNIQUE

[2] On sait que les piles à combustibles permettent la production directe d'énergie électrique par une réaction électrochimique d'oxydoréduction à partir d'hydrogène (le carburant) et d'oxygène (le comburant), sans passer par une conversion en énergie mécanique. Cette technologie semble prometteuse notamment pour des applications automobiles. Une pile à combustible comporte en général l'association en série d'éléments unitaires qui, chacun, sont constitués essentiellement d'une anode et d'une cathode séparées par une membrane polymère permettant le passage d'ions de l'anode à la cathode. Dans le cas de circuit dits en « dead end », c'est-à-dire ne débouchant normalement pas vers l'ambiant, ce qui est généralement le cas du circuit anodique, et également le cas du circuit cathodique pour les piles fonctionnant à l'oxygène pur, le recyclage des gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible pendant le fonctionnent normal est nécessaire de façon à parvenir à une suralimentation nécessaire des circuits anodiques ou cathodiques sans surconsommation de gaz et également pour humidifier le gaz frais entrant grâce à l'eau contenu dans le gaz recirculé.

[3] La demande de brevet W006/012953 ou la demande de brevet EP2017916 décrivent une pile à combustible, notamment leur canal d'alimentation en gaz. Dans certaines mises en oeuvre de pile à combustible, on est conduit à multiplier le nombre de pompes et/ou compresseurs de fluide tout à la fois au circuit anodique et au circuit cathodique, pour pouvoir opérer des gestions de circuit gaz assez sophistiquées, plus particulièrement pendant les phases d'arrêt d'une pile à combustible. On consultera par exemple la demande de brevet FR2009/57644. [4] L'objectif de la présente invention est de parvenir à assurer une gestion sophistiquée du recyclage de gaz et des purges ou mises à l'atmosphère nécessaires, que ce soit en P10-2595-FR - 2 - fonctionnement en régime ou en phase de démarrage ou d'extinction, sans multiplier les pompes qui sont des organes assez encombrants et coûteux. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

[5] L'invention propose une boucle de recyclage pour circuit gaz d'une pile à combustible, la boucle de recyclage formant une canalisation de liaison débutant à la sortie de l'un des deux circuits anodique ou cathodique de ladite pile à combustible et aboutissant sur l'un des deux circuits d'alimentation, soit sur le canal d'alimentation en gaz carburant, soit sur le canal d'alimentation en gaz comburant, ladite boucle de recyclage assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, ladite boucle de recyclage comportant une pompe de re-circulation assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, caractérisée en ce que la boucle de recyclage comporte une vanne à plusieurs voies divisant ladite boucle de recyclage en un premier tronçon et un second tronçon, ladite vanne à plusieurs voies ayant une première position d'utilisation stable, dite position de recyclage, assurant la continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et ayant une deuxième position d'utilisation stable assurant simultanément l'interruption de ladite continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et une mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manoeuvre de ladite vanne à plusieurs voies.

[6] L'invention permet d'utiliser une seule pompe pour réaliser les fonctions de recyclage en fonctionnement normal de la pile à combustible et la fonction d'aspiration de gaz carburant, pendant des phases particulières de fonctionnement comme un cycle d'arrêt de la pile à combustible. Cette disposition s'applique, côté circuit anodique, indifféremment aux piles alimentées en air atmosphérique comme gaz comburant et aux piles alimentées en oxygène pur pour le coté cathode. [7] L'invention permet également d'utiliser une seule pompe, pour réaliser la fonction de brassage pour homogénéisation du gaz dans le circuit cathodique, ainsi que la fonction d'injection d'air pendant des phases particulières de fonctionnement comme un cycle d'arrêt de la pile à combustible. Cette disposition s'applique, côté circuit cathodique, indifféremment aux piles alimentées en air atmosphérique comme gaz comburant et aux piles alimentées en

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oxygène pur. En outre dans le cas de piles alimentées en oxygène pur, pour le circuit cathodique, la même pompe assure en plus la fonction de recyclage en fonctionnement normal de la pile. [008] L'invention s'étend aussi à une procédure particulière d'arrêt d'une pile à combustible comportant les caractéristiques décrites ci-dessus, la procédure d'arrêt comprenant les actions suivantes : - (i) coupure de l'alimentation en gaz carburant et en gaz comburant, - (ii) positionner la vanne trois voies de chacun des deux circuits anodique ou cathodique en séquence sur les positions successives suivantes : o en position permettant de réaliser, au circuit cathodique, la fonction d'injection d'air en pilotage de la pompe de façon appropriée, et permettant de réaliser, au circuit anodique, la fonction de vidange d'hydrogène en pilotage de la pompe de façon appropriée, o en position permettant de réaliser, à chacun des deux circuits anodique et cathodique, la fonction de recyclage ou brassage des gaz en pilotage de chacune des pompes de façon appropriée. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [009] La suite de la description permet de bien faire comprendre tous les aspects de l'invention au moyen des dessins joints dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'une pile à combustible selon l'invention, alimentée en oxygène pur; - la figure 2 est un schéma d'une pile à combustible selon l'invention, alimentée en air ambiant ; - la figure 3 est un schéma d'une variante de réalisation d'une pile à combustible selon l'invention, alimentée en air ambiant ; - la figure 4 montre l'évolution de différents paramètres au cours de l'extinction d'une pile à combustible telle qu'illustré à la figure 1 ; - la figure 5 montre un organigramme de la procédure d'arrêt d'une pile à combustible selon l'invention. P10-2595-FR - 4 -

DESCRIPTION DE MEILLEURS MODES DE REALISATION DE L'INVENTION [0010] A la figure 1, on voit une pile à combustible la du type à électrolyte sous la forme d'une membrane polymère (c'est à dire de type PEFC pour Polymer Electrolyte Fuel Oeil ou PEM pour Proton Exchange Membrane). La pile à combustible la est approvisionnée par deux gaz, à savoir le carburant (l'hydrogène stocké ou fabriqué à bord du véhicule) et le comburant (dans cet exemple, de l'oxygène pur) qui alimentent les électrodes des cellules électrochimiques. Une charge électrique 14 est branchée à la pile à combustible la par une ligne électrique 10. Pour simplifier, la figure 1 ne représente que les éléments des circuits de gaz utiles à la compréhension de l'invention. Description du circuit anodique :

[0011] L'installation illustrée à la figure 1 comporte un circuit d'alimentation 11 en gaz carburant coté anodes. On voit un réservoir 11T d'hydrogène pur H2 relié à l'entrée du circuit anodique de la pile à combustible 1 au moyen d'une canalisation d'alimentation qui passe par une vanne de coupure 110, puis par une vanne de régulation de pression 117, puis par un éjecteur 113, puis par un canal d'alimentation 11A en gaz carburant aboutissant aux anodes. Dans le cas d'un stockage à haute pression, un détendeur de pression (non représenté) est placé entre le réservoir 11T et la vanne de coupure 110. Fait partie du circuit d'alimentation 11 en hydrogène (le carburant) une boucle de recyclage 11R de l'hydrogène non consommé par la pile à combustible, branché à la sortie du circuit anodique de la pile à combustible la. [0012] La boucle de recyclage 11R forme une canalisation de liaison débutant à la sortie du circuit anodique de la pile à combustible la et aboutit sur le canal d'alimentation en gaz carburant 11A sur l'éjecteur 113. L'éjecteur 113 assure le recyclage du gaz carburant non consommé par la pile à combustible et le mélange avec du gaz carburant frais en provenance du réservoir 11T d'hydrogène pur H2. La boucle de recyclage comporte une pompe 115 assurant un recyclage forcé et contrôlé du gaz non consommé par la pile à combustible. La boucle de recyclage comporte une vanne à trois voies 119 divisant ladite boucle de recyclage 11R en un premier tronçon 11 R1 et un second tronçon 11R2. P10-2595-FR - 5 -

[0013] En positionnant la vanne à trois voies 119 sur sa première position (position de recyclage), la pompe 115 est utilisée pour la fonction de re-circulation de la fraction de gaz carburant non consommé lors de la traversée du circuit anodique de la pile à combustible. [0014] Lors de l'arrêt de la pile à combustible, on peut être conduit à devoir aspirer l'hydrogène de façon forcée hors du circuit anodique. Dans ce cas, en positionnant la vanne à trois voies 119 sur sa deuxième position, on assure l'interruption de la communication de la boucle de recyclage vers l'éjecteur 113. Le premier tronçon 11 R1 se trouve isolé du second tronçon 11R2 de la boucle de recyclage 11R. Le premier tronçon 11 R1 est alors mis en contact avec l'atmosphère, via une première canalisation de purge 11 D qui aboutit à un orifice 112 de mise à l'atmosphère. Dans ce cas, la pompe 115 est utilisée pour la fonction d'extraction de gaz carburant lors d'une phase d'arrêt de la pile à combustible. [0015] Notons encore que la boucle de recyclage 11 R comporte un séparateur d'eau 114, installé sur le premier tronçon 11R1 de la boucle de recyclage 11R. Une seconde canalisation de purge 11C est installée sous le séparateur d'eau 114. Une vanne de coupure 118 est installée sur cette seconde canalisation de purge 11C. Celle-ci aboutit au même orifice 112 de mise à l'atmosphère. En commandant la vanne de coupure 118, on peut assurer la double fonction de vidange du séparateur d'eau 114 et de purge du circuit anodique lorsque cela est nécessaire. [0016] On voit aussi une chambre d'accumulation additionnelle de gaz carburant 116 disposée sur la tuyauterie du circuit d'alimentation 11 en gaz carburant, entre la vanne de coupure 110 et une vanne de régulation de pression 117. [0017] Notons que la chambre d'accumulation additionnelle de gaz carburant 116 pourrait être disposée à n'importe quel endroit du circuit d'alimentation en gaz carburant, c'est-à-dire à n'importe quel endroit entre la vanne de coupure 110 et la pile à combustible 1, même sur le circuit de recyclage 11R, ou sur le circuit entre le séparateur d'eau 114 et l'éjecteur 113. Cependant il est intéressant de la placer à un endroit du circuit où la pression est plus élevée afin d'en réduire le volume ou, à volume identique, de façon à stoker une plus grande quantité d'hydrogène. D'autre part, la position en amont de la vanne de régulation de pression rend possible une décharge contrôlée de ladite chambre d'accumulation. P10-2595-FR - 6 - Description du circuit cathodique :

[0018] Décrivons maintenant comment on peut mettre en oeuvre l'invention au circuit cathodique d'une pile à combustible. [0019] L'installation illustrée à la figure 1 comporte un circuit d'alimentation 12 en oxygène pur utilisé comme gaz comburant. On voit un réservoir 12T d'oxygène pur 02 relié à l'entrée du circuit cathodique de la pile à combustible 1a au moyen d'une canalisation d'alimentation 12A qui passe par une vanne de coupure 128, puis par une vanne de régulation de pression 127, puis par un éjecteur 123, et aboutit aux cathodes de la pile à combustible. Dans le cas d'un stockage haute pression, un détendeur de pression (non représenté) est placé entre le réservoir 12T et la vanne de coupure 128. Fait partie du canal d'alimentation 12 en oxygène une boucle de recyclage 12Ra du gaz contenu dans le circuit cathodique de la pile à combustible la, branchée à la sortie du circuit cathodique de la pile à combustible la. La boucle de recyclage 12Ra comporte une vanne à trois voies 129 divisant ladite boucle de recyclage 12Ra en un premier tronçon 12R1 a et un second tronçon 12R2a. Un séparateur d'eau 124 est installé sur la boucle de recyclage 12Ra, sur le premier tronçon 12R1a de la boucle de recyclage 12Ra en amont de la vanne à trois voies 129. Une canalisation de purge 12C est branchée sous le séparateur d'eau. Cette canalisation de purge 12C aboutit à une vanne de coupure 122 que l'on manoeuvre lorsqu'il est nécessaire de purger le circuit cathodique ou de vider le séparateur 124. [0020] La boucle de recyclage 12Ra forme une canalisation de liaison débutant à la sortie du circuit cathodique de la pile à combustible 1a et aboutit sur le canal d'alimentation 12A en oxygène sur l'éjecteur 123. L'éjecteur 123 assure le recyclage de l'oxygène non consommé et le mélange à l'oxygène frais en provenance du réservoir. La boucle de recyclage 12Ra comporte une pompe 125. Une canalisation d'alimentation en air 12D, débutant à un orifice 126 de mise à l'atmosphère, est branchée à la vanne à trois voies 129. [0021] En positionnant la vanne à trois voies 129 sur sa première position, on a indiqué qu'est assurée la continuité entre les premier 12R1 a et second 12R2a tronçons de ladite boucle de recyclage 12Ra. Dans ce cas, la pompe 125 est utilisée pour la fonction de recirculation du gaz contenu dans le circuit cathodique de la pile à combustible. P10-2595-FR - 7 - [0022] Dans certaines phases de fonctionnement de la pile, par exemple lors d'un arrêt, on peut être conduit à devoir injecter de l'air atmosphérique de façon forcée dans le circuit cathodique. Dans ce cas, en positionnant la vanne à trois voies 129 sur sa deuxième position, on assure l'interruption de la communication du la boucle de recyclage vers l'éjecteur 123. Le premier tronçon 12R1 a se trouve isolé du second tronçon 12R2a de la boucle de recyclage 12Ra. Le second tronçon 12R2a est alors mis en contact avec l'atmosphère, via la pompe 125 et la canalisation d'alimentation en air 12D. Dans ce cas, la pompe 125 est utilisée pour la fonction d'injection d'air. [0023] Soulignons que l'invention, au circuit cathodique, peut être appliquée aussi bien aux piles à combustible alimentées en oxygène pur qu'aux piles à combustible alimentées en air atmosphérique comme gaz comburant. Examinons ci-dessous, en s'appuyant sur les figures 2 et 3, les variantes de mise en oeuvre aux piles à combustible fonctionnant en utilisant l'air atmosphérique comme gaz comburant. Variations pour d'autres mises en oeuvre de l'invention :

[0024] Pour les piles à air atmosphérique, au circuit cathodique 12b, il faut noter qu'il n'y a pas de recyclage à la cathode pendant le fonctionnement normal de la pile. En effet, le gaz non consommé étant tellement pauvre en oxygène (air appauvri), il ne convient pas de le recycler. Un fonctionnement en recyclage n'est utilisé à la cathode que pendant l'extinction de la pile à combustible, non pas pour mélanger le gaz non consommé avec du gaz frais mais uniquement pour homogénéiser par brassage le gaz contenu à la cathode de façon à parvenir à une consommation complète de l'oxygène sans risque de concentration en oxygène localement plus élevée. [0025] La figure 2 illustre donc une mise en oeuvre de l'invention pour une pile à combustible lb alimentée en air atmosphérique. On voit que dans ce cas, les éléments spécifiques de la présente invention sont implantés de façon identique à la figure 1 côté circuit anodique. Au circuit cathodique, on voit un compresseur d'air 125b servant en usage normal à alimenter la pile à combustible en air atmosphérique. Une autre différence est que le circuit de recyclage 12Rb du gaz cathodique est directement branché au canal d'alimentation 12A sans passer par un éjecteur, par un simple branchement 123b en dérivation en aval du compresseur d'air 125b. Une vanne régulatrice de pression 122b permet, en fonctionnement P10-2595-FR - 8 -

normal, de faire échapper en continu l'air appauvri vers l'atmosphère. Le degré d'ouverture de cette vanne régulatrice de pression 122b est contrôlé pour maintenir la pression à la valeur souhaitée dans le circuit cathodique. [0026] En fonctionnement normal de la pile à combustible, le circuit de recyclage n'est pas utilisé, la pompe 125 est à l'arrêt, et aucun gaz ne circule dans le circuit de recyclage 12Rb qui devient virtuellement inexistant. La totalité du gaz non consommé par le circuit cathodique est dirigé vers l'atmosphère à travers la vanne régulatrice de pression 122b. Dans le cas où la pompe 125 n'assure pas naturellement la fonction d'anti-retour lorsqu'elle est arrêtée, il faut prévoir un clapet anti-retour sur le circuit de recyclage 12Rb de façon à garantir le passage de la totalité de l'air fourni par le compresseur vers le circuit cathodique de la pile à combustible lb. [0027] La vanne de coupure 128 permet d'isoler le circuit cathodique de l'air atmosphérique lorsque la pile est à l'arrêt. Cette vanne de coupure 128 peut indifféremment être placée en amont ou en aval du compresseur. [0028] A la figure 3, on a représenté une variante de réalisation d'une pile à combustible 1 b alimenté en air atmosphérique, dans laquelle la boucle de recyclage 12Rc du circuit cathodique comporte une vanne trois voies 129 tout comme dans le mode de réalisation illustré à la figure 1. La boucle de recyclage 12Rc comporte aussi une pompe 125. La vanne à trois voies 129 divise la boucle de recyclage 12Rc en un premier tronçon 12R1 c et un second tronçon 12R2c. Une canalisation d'alimentation en air 12D, débutant à un autre orifice 126c de mise à l'atmosphère, est branchée à la vanne à trois voies 129. [0029] En positionnant la vanne à trois voies 129 sur sa première position, tout comme dans la première variante décrite ci-dessus, la pompe 125 est utilisée pour la fonction de recirculation du gaz cathodique de la pile à combustible. Lorsque l'on souhaite injecter de l'air atmosphérique de façon forcée dans le circuit cathodique, pendant l'exécution d'une procédure d'extinction de celle-ci, en positionnant la vanne à trois voies 129 sur sa deuxième position, on assure simultanément l'interruption de la communication de la boucle de recyclage vers le branchement 123b et la mise en contact avec l'atmosphère du second tronçon 12R2c, via la pompe 125 et la canalisation d'alimentation en air 12D. Dans ce cas, la pompe 125 est utilisée pour la fonction d'injection d'air. P10-2595-FR - 9 -

[0030] Les autres éléments apparaissant à la figure 3 sont de rôle identique à ce qui a été décrit ci-dessus. [0031] Cette variante est particulièrement utile si, comme on le fait généralement, le compresseur 125b est alimenté en énergie électrique directement par la pile à combustible elle-même. En effet lors des phases de démarrage et d'arrêt, la tension sur la pile à combustible n'est pas suffisante pour alimenter le compresseur 125b. Par ailleurs, la taille de la pompe 125 est bien inférieure à celle du compresseur 125b. Il est alors avantageux de disposer d'un autre moyen d'injection d'air pour initier le démarrage de la pile ou pour injecter l'air nécessaire (en faible quantité) à la génération d'azote lors de l'extinction de la pile. La pompe 125 est en général alimentée par une source basse tension toujours disponible même lorsque la pile à combustible est à l'arrêt. Pour toutes ces raisons (tension électrique disponible, quantité d'air à injecter), il est préférable d'utiliser la pompe 125 pour l'introduction d'air pendant la phase d'arrêt. Description de la procédure d'extinction :

[0032] La procédure décrite ci-dessous permet d'éteindre la pile à combustible de façon à garantir un stockage avec un mélange d'hydrogène et d'azote à l'intérieur, et cela, sans nécessiter de réservoir d'azote. [0033] La procédure d'arrêt est composée essentiellement des phases suivantes : _ 1ere phase : phase de consommation de l'oxygène résiduel, qui se produit à partir de la coupure de l'alimentation en gaz carburant et en gaz comburant, et par un prélèvement de courant IS aux bornes de la pile à combustible ; on maintient ce prélèvement de courant IS tant qu'un révélateur approprié indique que le gaz comburant dans le système d'alimentation en gaz comburant n'est pas suffisamment consommé ; un révélateur approprié est par exemple la tension présente aux bornes de la pile à combustible ; _ 2è' phase : phase de neutralisation, qui se produit en remplissant le circuit cathodique d'azote ; dans le mode de réalisation décrit ici, l'azote est celui de l'air atmosphérique ; on procède donc à une injection forcée d'air atmosphérique, ce qui apporte à nouveau un peu d'oxygène dont il faut contrôler la consommation par prélèvement de courant; P10-2595-FR _ 3è" phase : phase d'aspiration forcée pendant laquelle, après l'arrêt total des processus électrochimiques, on retire de façon forcée un éventuel excès de gaz carburant (ici, aspiration forcée de l'hydrogène excédentaire) ; soulignons que, grâce à l'invention, cette aspiration ne se fait qu'après avoir amené la pile à combustible dans un état où l'on a pris les précautions permettant d'éviter la sous alimentation en hydrogène dont on connaît les graves inconvénients. [0034] La figure 5 schématise un exemple d'enchaînement des commandes essentielles de la procédure d'arrêt selon l'invention. D'autres modes de commande sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. On voit que, à partir d'un ordre d'arrêt de la pile à combustible (instruction STOP), un automate de commande de la pile à combustible procède au départ du processus d'arrêt en coupant l'alimentation des gaz, c'est-à-dire en fermant, par exemple simultanément, les vannes de coupure 110 et 128. [0035] La figure 4 illustre l'enchaînement des trois phases lors d'un arrêt réellement mesuré sur une pile à combustible de 20 cellules de 300cm2 de surface active fonctionnant à l'oxygène pur, conforme à l'arrangement illustré à la figure 1. L'axe des abscisses indique le temps en secondes avec comme référence (0) l'instant où la procédure d'arrêt commence. Cette figure représente l'évolution des grandeurs suivantes en fonction du temps lors d'un arrêt avec génération d'azote : - courbe 1, dont l'axe des ordonnées est repéré par « Stack current [A] » : courant prélevé sur la pile à combustible, exprimé en Ampères ; - courbe 2, dont l'axe des ordonnées est repéré par « Average cell voltage [V] » : tension électrique moyenne aux bornes des cellules de la pile à combustible, exprimée en Volts ; - courbe 3, dont l'axe des ordonnées est repéré par « Pressure out [bar] » : pression régnant dans le compartiment anode (hydrogène : trait continu) et dans le compartiment cathode (oxygène : trait pointillé), exprimées en bara (comme cela est d'usage dans le domaine des piles à combustible, « mbara » signifie « milli bar absolu, la dernière lettre « a » signifiant « absolu »); - courbe 4, dont l'axe des ordonnées est repéré par « Anode H2 concentration [%] » : concentration d'hydrogène dans le compartiment anode, exprimée en pourcentage volumique. P10-2595-FR [0036] Lors de la première phase de l'extinction (0 à Ils, marquée « Oxygen depletion » à la figure 4), à partir du moment où l'alimentation en oxygène est coupée (en fermant la vanne de coupure 128, au même instant que la fermeture de la vanne de coupure 110 coupant l'alimentation en hydrogène, voir le premier bloc de la branche de droite de la figure 5), l'oxygène pur résiduel dans la pile à combustible est d'abord partiellement évacué à l'atmosphère par l'ouverture momentanée de la vanne de purge 122. [0037] Par la suite, le restant est consommé en prélevant un courant IS au cours d'une phase de neutralisation qui va être explicitée ci-dessous. La vanne de purge 122 reste fermée pendant le reste de la procédure d'extinction et également pendant le repos de façon à éviter la pénétration d'air à la cathode. [0038] Comme l'indique la première courbe de la figure 4 et le début de la branche de gauche de la figure 5, le courant IS est d'abord établi à 60A. A partir du moment où au moins une cellule passe sous le seuil des 0.5V (voir test sur Ucellmin à la branche de gauche), l'automate procède à la réduction progressive du courant IS (voir « réduire Is » à la branche de gauche de la figure 5); peu après la pile à combustible commence à descendre en tension. Il convient d'équiper la pile à combustible des capteurs et branchements électriques nécessaire au suivi individuel de la tension des cellules composant l'empilage, au moins de certaines cellules de la pile à combustible. A partir du moment où la pression p au circuit cathodique de la pile à combustible est inférieure à une valeur de seuil pS choisie expérimentalement (voir le test sur la pression d'oxygène à la branche de droite de la figure 5, ici, 0.8 bara, survenant environ après 11 secondes comme le montre la figure 4), la phase de neutralisation commence (11 à 41s, marquée « Nitrogen Generation » à la figure 4). [0039] Pendant la phase de neutralisation, le recyclage et l'injection d'air ne peuvent pas être simultanés. En fonction de la position de la vanne trois voies, on a soit le recyclage (première position), soit l'injection (deuxième position). Cette alternance dans le pilotage de l'extinction apparaît bien dans la seconde partie de la branche de droite de la figure 5, qui montre que la vanne trois voies est d'abord en position d'injection (deuxième position) tant que la pression au circuit cathodique reste inférieur au seuil de 1,8 bara puis qui montre que la vanne trois voies est ensuite en position de recyclage (première position) et, maintien du recyclage tant que la pression au circuit cathodique reste supérieure au seuil de 1,6 bara et retour à une phase d'injection dès que la pression au circuit cathodique dépasse le seuil de 1,6 bara. Il en résulte une extinction par palier, chacun de ces paliers étant l'alternance d'une P10-2595-FR - 12 -

injection et d'un recyclage. Dès que la tension moyenne des cellules s'est sensiblement annulée, signe d'un appauvrissement quasi total en oxygène, la phase de neutralisation est terminée, comme le montre la sortie « oui » du test sur Ucellavg de la branche de droite de la figure 5. [0040] Par ailleurs, pendant la phase « nitrogen generation » la pompe 125 assure alternativement la fonction de recyclage et d'injection d'air. Ces alternances de fonction conduisent aux ondulations de pression mesurées à la cathode et aux ondulations de tension mesurées sur les cellules. A noter que les ondulations de pression cathode et de tension cellules sont en opposition de phase (voir respectivement la troisième et la deuxième courbe de la figure 4). En effet, pendant les phases d'injection d'air (vanne trois voies en position permettant de réaliser la fonction d'injection), la pression à la cathode augmente, mais la fonction de recyclage n'étant pas assurée pendant ce temps, le gaz cathodique n'est plus brassé engendrant une pénurie locale d'oxygène dans les canaux cathodiques ce qui se traduit par une chute de la tension. Inversement, lorsque la pompe assure la fonction de recyclage (vanne trois voies en position recyclage), le gaz cathodique est brassé et les canaux cathodiques se trouvent à nouveau mieux alimentés en oxygène ce qui se traduit par une remontée des tensions de cellule, mais comme il n'y a plus d'air injecté, la consommation d'oxygène engendre une baisse de la pression à la cathode. [0041] Les injections d'air répétées conduisent à une élévation de tension de moins en moins élevée, à mesure que la présence d'azote dans le circuit cathode devient de plus en dominante. Dans l'exemple illustré ici, à l'aide des courbes en figure 4, la première injection d'air commence à l'instant 11 s lorsque la pression à la cathode descend à 0.8bara et est maintenue jusqu'à ce que la pression à la cathode atteigne 1.8bara. La vanne trois voies 129 est commandée en position injection d'air en même temps que la pompe 125 est activée de façon à pressuriser le circuit cathodique à une pression qui augmente progressivement, puis la vanne trois voies 129 est commandée en position recyclage en même temps que la pompe 125 est pilotée de façon appropriée. La pression du circuit cathodique oscille ainsi entre 1.8 bara et 1.6 bara, ce niveau moyen étant atteint à environ 15s. [0042] Le prélèvement de courant IS est d'abord établi à un premier niveau constant (environ 60 Ampère) puis il est réduit proportionnellement à la plus faible des tensions des cellules de la pile à combustible. Inversement, on voit à la figure 4 que l'intensité du courant prélevé s'élève à nouveau quelque peu, concomitamment à chaque nouvelle élévation de tension. P10-2595-FR - 13 -

On voit le pilotage du prélèvement de courant dans la seconde partie (voir « réduire Is ») de la branche de gauche de la figure 5, en fonction de tests sur la tension de la pile à combustible). Le courant s'annule finalement lorsque la tension de la pile à combustible approche de OV, comme le montre la sortie « oui » du deuxième test sur la tension de la pile à combustible de la branche de gauche de la figure 5. [0043] La troisième courbe de la figure 4 indique que la pression dans le compartiment cathodique descend à moins de 1000 mbara. Par contre, en dépit de la consommation liée à la production de courant, la pression d'hydrogène demeure toujours au dessus de 1.1 bara jusqu'à la phase d'aspiration grâce à la présence de la chambre d'accumulation additionnelle de gaz carburant 116. [0044] Dés le début de la procédure d'extinction et jusqu'à l'instant 41s, la pompe 115 coté anode est maintenue en fonctionnement et la vanne trois voies 119 en position recyclage de façon à brasser le gaz anodique et éviter toute pénurie locale d'hydrogène. Pendant toute la durée de l'extinction, la pénurie d'hydrogène est évitée comme l'indique la concentration d'hydrogène représentée sur la quatrième courbe de la figure 4 qui montre que la concentration volumique d'hydrogène reste supérieure à 90% dans le circuit anodique pendant toute la durée de la procédure d'extinction. [0045] A l'instant 41s, la phase d'aspiration d'hydrogène est commandée en mettant la vanne trois voies 119 sur la position aspiration (deuxième position, voir avant dernier bloc de la figure 5) permettant de réaliser l'aspiration de gaz carburant en actionnant la pompe 115 tant que la pression au circuit anodique n'est pas inférieure au seuil de 0,5 bara. Enfin, lorsque la pression au circuit anodique est inférieure audit seuil de 0,5 bara, la procédure d'arrêt se termine par l'arrêt des pompes 115 et 125 et le positionnement en position de recyclage (première position) des vannes trois voies 119 et 129. [0046] Dans cet exemple, après six (6) alternances d'injections d'air/re-circulation, la cathode se trouve essentiellement remplie d'azote, la tension des cellules est quasiment nulle. Ceci n'est qu'un exemple de mode de pilotage de l'alternance d'injections d'air/recirculation ; d'autres modes de pilotage conduisant à une alternance d'injections d'air/recirculation sont possibles. P10-2595-FR

Claims

REVENDICATIONS1. Boucle de recyclage (11R ou 12Ra ou 12Rb ou 12Rc) pour circuit gaz d'une pile à combustible (1), la boucle de recyclage formant une canalisation de liaison débutant à la sortie de l'un des deux circuits anodique ou cathodique de ladite pile à combustible (1) et aboutissant sur l'un des deux circuits d'alimentation, soit sur le canal d'alimentation en gaz carburant (11A), soit sur le canal d'alimentation en gaz comburant (12A), ladite boucle de recyclage assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, ladite boucle de recyclage comportant une pompe (115 ou 125) assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, caractérisée en ce que la boucle de recyclage comporte une vanne à plusieurs voies (119 ou 129) divisant ladite boucle de recyclage en un premier tronçon (11 R1 ou 12R1 a ou 12R1 c) et un second tronçon (11R2 ou 12R2a ou 12R2c), ladite vanne à plusieurs voies ayant une première position d'utilisation stable assurant la continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et ayant une deuxième position d'utilisation stable assurant simultanément l'interruption de ladite continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et une mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manoeuvre de ladite vanne à plusieurs voies.
2. Boucle de recyclage (11R) selon la revendication 1, pour circuit gaz carburant d'une pile à combustible (1), ladite boucle de recyclage comportant un séparateur d'eau (114), caractérisée en ce que ladite pompe (115) est installée sur le premier tronçon (11 R1), en amont de la vanne à plusieurs voies (119) et en ce qu'une première canalisation de purge (11D) est branchée à la vanne à plusieurs voies (119) pour assurer ladite mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manoeuvre de ladite vanne à plusieurs voies.
3. Boucle de recyclage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une seconde canalisation de purge (11C) est installée sous le séparateur d'eau (114), et en ce que lesdites canalisation de purge (11C et 11D) aboutissant à un même orifice (112) de mise à l'atmosphère.
4. Boucle de recyclage selon la revendication 1, pour circuit gaz comburant d'une pile à combustible (1), caractérisée en ce que ladite pompe (125) est installée sur le second P10-2595-FR- 15 - tronçon (12R2a ou 12R2c), en aval de la vanne à plusieurs voies (129) et en ce qu'une canalisation d'alimentation en air (12D) est branchée à la vanne à plusieurs voies (129) pour assurer ladite mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manoeuvre de ladite vanne à plusieurs voies.
5. Boucle de recyclage selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'une canalisation de purge (12C) est branchée sur le premier tronçon (12R1a ou 12R1 c) de la boucle de recyclage (12Ra ou 12Rc), en amont de la vanne à plusieurs voies (129), ladite canalisation de purge (12C) aboutissant à une vanne ce coupure (122).
6. Boucle de recyclage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la vanne à plusieurs voies (119 ou 129) est une vanne à trois voies.
7. Procédure d'arrêt d'une pile à combustible (1) selon la revendication 1, la procédure d'arrêt comprenant les actions suivantes : - (i) coupure de l'alimentation en gaz carburant et en gaz comburant, - (ii) positionner la vanne trois voies de chacun des deux circuits anodique ou cathodique en séquence sur les positions successives suivantes : o en position permettant de réaliser, au circuit cathodique, la fonction d'injection d'air en pilotage de la pompe (125) de façon appropriée, et permettant de réaliser, au circuit anodique, la fonction de vidange d'hydrogène en pilotage de la pompe (115) de façon appropriée, o en position permettant de réaliser, à chacun des deux circuits anodique et cathodique, la fonction de recyclage des gaz en pilotage de chacune des pompes (115 et 125) de façon appropriée. P10-2595-FR