FR2992099A1 - Reservoir securise pour circuit de refroidissement d'une pile a combustible et bouchon de fermeture associe - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un réservoir (31) sécurisé pour circuit de refroidissement d'une pile à combustible. Conformément à l'invention, le réservoir (31) comporte un raccord (37) à un système de collecte des gaz contenus dans le liquide de refroidissement correspondant aux fuites de gaz de la pile à combustible vers ledit circuit de refroidissement, et un pain catalytique (44) assurant une recombinaison en eau desdits gaz. L'invention porte également sur le bouchon (40) du réservoir (31) correspondant.
Description
RESERVOIR SECURISE POUR CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT D'UNE PILE A COMBUSTIBLE ET BOUCHON DE FERMETURE ASSOCIE [0001] L'invention porte sur un réservoir sécurisé pour un circuit de refroidissement d'une pile à combustible ainsi que sur le bouchon de fermeture associé. [0002] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les piles à combustible embarquées sur les véhicules automobiles pour assurer par exemple l'alimentation d'organes électriques du véhicule et/ou l'alimentation d'un moteur électrique de traction, ou d'hybridation, dans le cadre notamment d'une application dite "range extender" visant à augmenter l'autonomie de fonctionnement du véhicule électrique. [0003] Comme cela est montré sur la figure 1, une cellule 1 de pile à combustible, par exemple du type à membrane échangeuse de protons (PEMFC selon l'acronyme anglo-saxon "Proton Exchange Membrane Fuel Cells"), produit de l'électricité 2 à partir de la réaction de synthèse de l'eau. Cette cellule 1 comporte un compartiment cathodique 3 et un compartiment anodique 4 séparés entre eux par une membrane 6. [0004] Lorsque cela est possible, l'oxygène du compartiment cathodique 3 provient de l'air atmosphérique 8, ce qui est le cas dans les applications automobiles. Cet air peut être adapté en température et en humidité par un module 11. L'hydrogène est acheminé au compartiment anodique 4 en provenance d'un dispositif 12 de stockage de l'hydrogène pur ou après transformation d'un carburant hydrogéné. A la sortie 10.1 du compartiment cathodique 3 sont rejetés de l'air humide appauvri en oxygène et de l'eau produite par la pile. A la sortie 10.2 du compartiment anodique 4 sont rejetés de l'hydrogène, de l'azote et de l'eau, ceci de façon continue ou périodiquement lors de purges. [0005] La figure 2 montre une pile 13 à combustible formée en l'occurrence par trois ensembles 14-16 de cellules 1. La pile 13 est refroidie par un circuit 18 de refroidissement ayant des canaux passant entre les ensembles 14-16 de cellules. Le sens de circulation du liquide de refroidissement entre une entrée 20 et une sortie 21 de liquide est indiqué sur la figure par les flèches référencées 23. [0006] L'étanchéité du système est assurée au moyen de joints 24 réalisés en matériaux souples. Toutefois, ces joints 24 ne permettent pas de garantir l'absence de fuites de gaz des compartiments 3 et 4 des cellules 1 vers le circuit de refroidissement. Ces fuites de gaz peuvent être dues notamment à la différence de pression entre le circuit 18 de refroidissement et les compartiments cathodique 3 et anodique 4. [0007] Un circuit de dégazage est généralement mis en oeuvre pour évacuer la phase gazeuse contenue dans le liquide vers l'intérieur d'un réservoir de remplissage du circuit 18. Le réservoir contient donc un mélange d'hydrogène et d'air potentiellement inflammable. Il existe ainsi un risque d'explosion à l'ouverture du réservoir dans le cas où de l'électricité statique apparaîtrait au moment de l'ouverture du bouchon du réservoir, en phase de maintenance par exemple. [0008] Afin de réduire les fuites, il est connu de pressuriser le réservoir pour diminuer l'écart de pression entre le circuit 18 de refroidissement et les compartiments cathodique 3 et anodique 4. A cet effet, le réservoir est fermé hermétiquement par un bouchon muni d'une soupape de surpression qui maintient une surpression relative de quelques centaines d'hectopascals dans le réservoir. Sur les véhicules à moteur à combustion interne, l'élévation de pression est obtenue classiquement par élévation de la température de l'ensemble liquide et gaz à iso-volume. [0009] Il est également connu d'effectuer des dégazages réguliers. Toutefois, un tel procédé peut engendrer l'accumulation de gaz et la création de zones explosives sous le capot du véhicule. Ces zones sont notamment susceptibles d'apparaître en cas d'un fonctionnement prolongé à l'arrêt ou après un usage prolongé dans un endroit confiné tel qu'un parking clos. [0010] A l'inverse, l'accumulation des gaz dans le réservoir peut engendrer un phénomène inverse de fuite du liquide caloporteur dans les compartiments anodique et cathodique entraînant des dégradations importantes et irréversibles du matériau de la membrane. [0011] Il existe donc le besoin d'une solution satisfaisante et efficace de sécurisation du réservoir du circuit de refroidissement. [0012] L'invention vise à combler ce besoin. [0013] A cet effet, l'invention propose un réservoir sécurisé pour circuit de refroidissement d'une pile à combustible contenant un liquide de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte un raccord à un système de collecte des gaz contenus dans le liquide de refroidissement correspondant aux fuites de gaz de la pile à combustible vers ledit circuit de refroidissement, et un pain catalytique assurant une recombinaison en eau desdits gaz, ce pain catalytique étant positionné hors du liquide de refroidissement contenu par ledit réservoir. [0014] Selon une réalisation, le réservoir comporte une soupape de surpression intégrée à un bouchon de fermeture hermétique du réservoir. [0015] Selon une réalisation, le pain catalytique est installé à l'intérieur du bouchon de fermeture du réservoir. [0016] Selon une réalisation, le pain catalytique est installé en amont de la soupape de surpression. [0017] Selon une réalisation, le réservoir comporte en outre un connecteur destiné à être relié à une source d'azote pour l'inertage du réservoir. [0018] Selon une réalisation, le connecteur est muni d'un clapet anti-retour. [0019] Selon une réalisation, le connecteur est intégré au bouchon de fermeture du réservoir. [0020] Selon une réalisation, le pain catalytique comprend une structure carbonée poreuse imprégnée d'un revêtement catalytique contenant des métaux rares. [0021] L'invention concerne en outre un bouchon de fermeture d'un réservoir sécurisé pour circuit de refroidissement d'une pile à combustible comportant un raccord à un système de collecte des gaz contenus dans le liquide de refroidissement correspondant aux fuites de gaz de la pile à combustible vers ledit circuit de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte un pain catalytique assurant une recombinaison en eau desdits gaz. [0022] Selon une réalisation, le bouchon comporte un connecteur destiné à être relié à une source d'azote pour l'inertage du réservoir. [0023] L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile embarquant le réservoir. [0024] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0025] La figure 1, déjà décrite, montre une représentation fonctionnelle simplifiée d'une cellule de pile à combustible; [0026] La figure 2, déjà décrite, montre une représentation schématique d'une pile à combustible selon l'état de la technique refroidie par un circuit de refroidissement; [0027] La figure 3 montre une représentation schématique d'un réservoir de liquide de refroidissement sécurisé selon l'invention. [0028] Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0029] La figure 3 montre un réservoir 31 de circuit de refroidissement destiné à refroidir une pile à combustible, telle que celle de la figure 2 précédemment décrite. Ce réservoir 31 comporte un contenant 32 rempli d'un liquide 33 de refroidissement, tel que de l'eau contenant un produit anti-gel ainsi que des additifs permettant d'abaisser sa conductivité électrique. Alternativement, le liquide de refroidissement pourra prendre la forme d'une huile ou d'un liquide diélectrique. Un premier raccord 35 situé dans le fond du contenant 32 assure la mise en charge du circuit de refroidissement (non représenté). [0030] Un deuxième raccord 37 relié à un système de dégazage du circuit de refroidissement permet de collecter des gaz 38 du liquide de refroidissement correspondant aux fuites de gaz de la pile à combustible vers le circuit de refroidissement. Les gaz 38 collectés comprennent un mélange d'hydrogène issu des fuites du compartiment anodique et d'air issu des fuites du compartiment cathodique du système à pile à combustible. De préférence, les gaz 38 sont collectés au niveau d'un point haut du circuit de refroidissement, par exemple au niveau du radiateur du véhicule. [0031] Le réservoir 31 comporte en outre un bouchon 40 assurant la fermeture hermétique du contenant 32. Le circuit de refroidissement étant pressurisé pour réduire l'écart de pression avec les compartiments de la pile à combustible, le bouchon 40 intègre une soupape 41 de surpression permettant au bouchon 41 de s'ouvrir lorsque la pression à l'intérieur du réservoir 31 dépasse un seuil de pression P1 adapté à l'application. Ce seuil de pression P1 est supérieur de quelques centaines d'hectopascals à la pression à l'intérieur des compartiments de la pile à combustible. [0032] Le réservoir 31 comporte en outre un pain catalytique 44 assurant une recombinaison des gaz 38 collectés en eau 46 sous forme liquide. A cet effet, le pain catalytique 44 est apte à oxyder l'hydrogène avec l'oxygène contenu dans le réservoir pour former de l'eau sous forme liquide dans des conditions de températures de préférence inférieures à 80 degrés. Dans un mode de réalisation, le pain catalytique 44 comporte une structure poreuse à pores ouverts de sorte que les gaz peuvent cheminer dans la porosité de la structure. Cette structure réalisée par exemple en carbone est imprégnée par un revêtement catalytique, par exemple par trempage préalable. Le revêtement contient des métaux rares du type platine ou palladium ainsi que des liants pour faciliter le dépôt de la couche de revêtement sur la structure poreuse. [0033] Le pain catalytique 44 est positionné hors du liquide 33 de refroidissement. De préférence, le pain catalytique 44 est installé dans le bouchon 40 de fermeture en amont de la soupape 41 de surpression. En variante, le pain catalytique 44 est installé en aval de la soupape 41. Dans tous les cas, le pain catalytique 44 se situe dans le flux d'écoulement des gaz vers la soupape 41 de surpression. Les termes "amont" et "aval" sont entendus par rapport à un sens de déplacement des gaz de l'intérieur vers l'extérieur du réservoir 31. [0034] Pour maximiser la sécurisation du réservoir 31, ce dernier comporte de préférence un connecteur 45 muni d'un clapet 47 anti-retour destiné à être relié à une source d'azote externe au véhicule pour permettre l'inertage du mélange gazeux contenu dans le réservoir 31 par de l'azote. Le connecteur 45 permet ainsi d'injecter une quantité d'azote suffisante pour faire baisser le taux d'oxygène dans le réservoir 31 à un niveau compatible de sécurité. L'injection d'azote peut notamment être effectuée lors d'une phase de montage en usine ou lors d'une phase de maintenance au préalable à l'ouverture du réservoir 31, comme expliqué plus en détails ci-dessous. [0035] On décrit ci-après un fonctionnement du réservoir 31 sécurisé selon l'invention. [0036] Lorsque des gaz 38 issus de la pile à combustible apparaissent dans le circuit de refroidissement, ceux-ci sont collectés par le circuit de dégazage du circuit de refroidissement suivant un procédé classique connu. Ces gaz 38 de fuite sont acheminés à l'intérieur du réservoir via le raccord 37 connecté au circuit de dégazage. [0037] La montée en température du liquide caloporteur génère une montée en pression dans le circuit de refroidissement. Cette montée en pression dépend du niveau de tarage de la soupape 41 de surpression du bouchon de fermeture, c'est-à-dire de la pression seuil P1, et du niveau de pression généré par une pompe du circuit de refroidissement. [0038] Avant que la pression n'atteigne la pression seuil P1 de la soupape 41 de surpression, le mélange gazeux du réservoir 31 contenant essentiellement de l'hydrogène et de l'air se répartit par diffusion d'équilibrage molaire à travers le pain catalytique 44. Le pain catalytique 44 oxyde alors l'hydrogène avec l'oxygène en formant de l'eau sous forme liquide qui est mélangée au liquide caloporteur. Alternativement, l'eau ainsi formée est évacuée vers l'extérieur du réservoir 31. [0039] Cette recombinaison appauvrit ainsi la partie interne du pain catalytique 44 en oxygène et en hydrogène, ce qui provoque un phénomène d'aspiration de ces composés dont la concentration tend naturellement à s'homogénéiser dans l'ensemble de la phase gazeuse. Le pain catalytique 44 assure ainsi la recombinaison à terme de l'ensemble de l'hydrogène et l'oxygène contenus à l'intérieur du réservoir 31. [0040] Lorsque la pression atteint un niveau supérieur au seuil de pression Pi, la soupape 41 de surpression s'ouvre. Le flux de gaz traverse alors le pain catalytique 44 pour sortir vers l'extérieur du réservoir 31, ce qui tend à forcer la recombinaison de l'hydrogène et de l'oxygène en eau. Les gaz sortant pendant la phase de dégazage sont ainsi très appauvris en hydrogène et oxygène et ne sont donc plus dangereux. [0041] En phase de maintenance, lorsqu'il est nécessaire d'ouvrir le réservoir 31, le frottement du bouchon 40 sur le contenant 32, ou l'opérateur, peuvent se charger d'électricité statique et provoquer une étincelle à l'ouverture du bouchon, ce qui peut engendrer une explosion du mélange gazeux. Au préalable à l'ouverture, une source d'azote est reliée au connecteur 45 pour sécuriser le mélange gazeux. En forçant le mélange gazeux contenu dans le réservoir 31 à sortir par la soupape 41 de surpression par injection d'azote, l'hydrogène et l'oxygène se recombinent de sorte que le mélange gazeux contenu dans le réservoir 31 contient principalement de l'azote. [0042] L'homme du métier pourra bien entendu modifier l'architecture du réservoir 31 présenté dans la description ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, par exemple, le connecteur d'inertage 45 pourra être intégré au bouchon 40 pour permettre la réutilisation des réservoirs 31 existants dont il suffira de remplacer le bouchon 40.
Claims (10)
- REVENDICATIONS: 1. Réservoir (31) sécurisé pour circuit de refroidissement d'une pile à combustible contenant un liquide (33) de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte un raccord (37) à un système de collecte des gaz contenus dans le liquide de refroidissement correspondant aux fuites de gaz de la pile à combustible vers ledit circuit de refroidissement, et un pain catalytique (44) assurant une recombinaison en eau desdits gaz, ce pain catalytique (44) étant positionné hors du liquide (33) de refroidissement contenu par ledit réservoir.
- 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une soupape (41) de surpression intégrée à un bouchon (40) de fermeture hermétique du réservoir.
- 3. Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pain catalytique (44) est installé à l'intérieur du bouchon (40) de fermeture du réservoir.
- 4. Réservoir selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pain catalytique (44) est installé en amont de la soupape (41) de surpression.
- 5. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un connecteur (45) destiné à être relié à une source d'azote pour l'inertage du réservoir (31).
- 6. Réservoir selon la revendication 5, caractérisé en ce que le connecteur (45) est muni d'un clapet anti-retour.
- 7. Réservoir selon la revendication 2, et l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le connecteur (45) est intégré au bouchon (40) de fermeture du réservoir (31).
- 8. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le pain catalytique (44) comprend une structure carbonée poreuse imprégnée d'un revêtement catalytique contenant des métaux rares.
- 9. Bouchon (40) de fermeture d'un réservoir (31) sécurisé pour circuit de refroidissement d'une pile à combustible comportant un raccord (37) à un système de collecte des gaz contenus dans le liquide de refroidissement correspondant aux fuites de gaz de la pile à combustible vers ledit circuit de refroidissement, caractérisé en cequ'il comporte un pain catalytique (44) assurant une recombinaison en eau desdits gaz.
- 10. Bouchon selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un connecteur (45) destiné à être relié à une source d'azote pour l'inertage du réservoir (31).
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| EP1482586A1 (fr) * | 2003-04-15 | 2004-12-01 | HONDA MOTOR CO., Ltd. | Dispositif pour refroidir une pile à combustible |
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Patent Citations (4)
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