FR3029304A1 - Procede de commande d'un systeme electrochimique et systeme electrochimique - Google Patents
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Abstract
Ce procédé de commande est prévu pour un système électrochimique comprenant une pluralité de réacteurs (4) électrochimiques, chaque réacteur (4) comprenant un compartiment anodique (16) et un compartiment cathodique (8) pour la circulation de fluides réactifs, et un compartiment de refroidissement (12) pour la circulation d'un fluide de refroidissement, les réacteurs (4) étant connectés électriquement. Le procédé de commande comprend, en cas de détection d'un défaut de fonctionnement d'un réacteur, les étapes de : désactiver le réacteur (4) défectueux en l'isolant électriquement des autres réacteurs et en interrompant l'alimentation en fluide réactif d'au moins un parmi le compartiment anodique (6) et le compartiment cathodique (8) du réacteur (4) défectueux, tout en maintenant une circulation du fluide de refroidissement dans le compartiment de refroidissement pendant la phase inactive du réacteur ; puis réactiver le réacteur (4).
Description
Procédé de commande d'un système électrochimique et système électrochimique La présente invention concerne le domaine des systèmes électrochimiques comprenant des réacteurs électrochimiques, et en particulier la commande d'un système électrochimique comprenant plusieurs réacteurs électrochimiques. Une pile à combustible est un réacteur électrochimique permettant de produire de l'électricité à partir d'un combustible et d'un comburant, par réaction d'oxydoréduction entre le combustible et le comburant. Une pile à combustible à membrane échangeuse d'ions comprend deux compartiments fluidiques chacun pour la circulation d'un gaz réactif respectif, et au moins une membrane séparant les compartiments fluidiques pour l'oxydoréduction des gaz réactifs avec échanges d'ions au travers de la membrane échangeuse d'ions. Un compartiment fluidique, dit compartiment anodique, est utilisé pour la circulation d'un combustible gazeux et un compartiment fluidique, dit compartiment cathodique, est utilisé pour la circulation d'un comburant gazeux. Lorsque la pile à combustible est active, le combustible circule dans le compartiment anodique le long de la face de la ou chaque membrane échangeuse d'ions tournée vers le compartiment anodique et le comburant circule dans le compartiment cathodique le long la face de la ou chaque membrane échangeuse d'ions tournée vers le compartiment cathodique. La pile à combustible produit de l'énergie électrique par réaction d'oxydoréduction du combustible et du comburant au travers de la ou chaque membrane échangeuse d'ions. Il est possible de fournir un système électrochimique de production d'électricité comprenant plusieurs piles à combustible reliées électriquement. De tels systèmes 25 électrochimiques sont décrits dans W02006/077348A, US2008/0075988A1, W000/02283A, W02006/037294A2 et US2006/0126710A1 Au cours du fonctionnement du système électrochimique, il est possible qu'une des piles à combustible présente un défaut de fonctionnement perturbant l'ensemble du système électrochimique et limitant sa disponibilité. 30 Un des buts de l'invention est de proposer un procédé de commande permettant d'augmenter la disponibilité d'un système électrochimique comprenant plusieurs réacteurs électrochimiques. A cet effet, l'invention propose procédé de commande d'un système électrochimique comprenant une pluralité de réacteurs électrochimiques, chaque réacteur 35 comprenant un compartiment anodique et un compartiment cathodiqu pour la circulation de fluides réactifs, et un compartiment de refroidissement pour la circulation d'un fluide de refroidissement, les réacteurs étant connectés électriquement, le procédé de commande comprenant, en cas de détection d'un défaut de fonctionnement d'un réacteur, les étapes de désactiver le réacteur défectueux en l'isolant électriquement des autres réacteurs et en interrompant l'alimentation en fluide réactif d'au moins un parmi le compartiment anodique et le compartiment cathodique du réacteur défectueux, tout en maintenant une circulation du fluide de refroidissement dans le compartiment de refroidissement pendant la phase inactive du réacteur ; puis réactiver le réacteur. Le procédé de commande comprend en option une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - la désactivation comprend l'alimentation en fluide inerte d'au moins un parmi le compartiment anodique et le compartiment cathodique du réacteur défectueux, dont l'alimentation en fluide réactif est interrompue ; - la désactivation comprend la poursuite de l'alimentation en fluide réactif de l'autre parmi le compartiment anodique et le compartiment cathodique du réacteur défectueux ; - la désactivation comprend l'interruption de l'alimentation en fluides réactifs de chacun du compartiment anodique et du compartiment cathodique du réacteur défectueux ; - la désactivation comprend l'inertage du réacteur défectueux ; - les réacteurs sont connectés électriquement en série, et le réacteur défectueux est isolé en étant contourné électriquement ; - les compartiments de refroidissement des réacteurs sont reliés fluidiquement en parallèle dans un circuit de refroidissement en boucle fermée ; - les compartiments anodiques sont alimentés en fluides réactifs en parallèle dans un circuit d'alimentation anodique ; - les compartiments cathodiques sont alimentés en fluides réactifs en parallèle dans un circuit d'alimentation cathodique ; - l'état de fonctionnement d'un réacteur est déterminé en fonction de la tension électrique aux bornes du réacteur et/ou aux bornes d'au moins une cellule électrochimique du réacteur ; - l'état de fonctionnement de chaque réacteur est déterminé en fonction d'une pression dans le compartiment anodique et/ou d'une pression dans le compartiment cathodique ; - l'état de fonctionnement de chaque réacteur est déterminé en fonction d'un débit dans le compartiment anodique et/ou d'un débit dans le compartiment cathodique ; - le réacteur défectueux est réactivé systématiquement après la première détection d'un défaut de fonctionnement ; - le procédé de commande comprend une étape de diagnostic automatisé du réacteur défectueux avant sa réactivation ; - en cas de détection répétée d'un défaut de fonctionnement, le réacteur défectueux est désactivé jusqu'à une intervention manuelle ; L'invention concerne également un système électrochimique comprenant une pluralité de réacteurs électrochimiques, chaque réacteur comprenant un compartiment anodique et un compartiment cathodique pour la circulation de fluides réactifs, et un compartiment de refroidissement pour la circulation d'un fluide de refroidissement, et un système de commande propre à surveiller l'état de fonctionnement de chaque réacteur, les réacteurs étant connecté électriquement, le système de commande étant prévu pour mettre en oeuvre un procédé de commande tel que défini ci-dessus. Le système électrochimique comprend en option une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - les réacteurs sont des piles à combustible ou sont des électrolyseurs ; - les réacteurs sont connectés électriquement en série, et un réacteur défectueux est isolé en étant contourné électriquement ; - les compartiments de refroidissement des réacteurs sont reliés fluidiquement en parallèle dans un circuit de refroidissement en boucle fermée ; - les compartiments anodique sont alimentés en fluides réactifs en parallèle dans un circuit d'alimentation anodique ; - les compartiments cathodiques sont alimentés en fluides réactifs en parallèle dans un circuit d'alimentation cathodique ; - le système électrochimique comprend un circuit d'inertage configuré pour alimenter le compartiment anodique et/ou le compartiment cathodique de chaque réacteur en fluide inerte, les réacteurs étant raccordés en parallèle dans le circuit d'inertage, le circuit d'inertage comprenant des vannes agencées pour commander l'alimentation individuelle de chaque réacteur en fluide inerte indépendamment des autres réacteurs. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 représente un schéma fluidique d'un système électrochimique comprenant plusieurs réacteurs électrochimiques ; - la Figures 2 représente un schéma électrique du système électrochimique de la Figure 1 ; - la Figure 3 représente des étapes d'un procédé de commande du système électrochimique ; et - la Figure 4 représente des étapes d'un procédé de commande selon une variante. Le système électrochimique 2 illustré sur les Figures 1 et 2 comprend plusieurs réacteurs électrochimiques, ici des piles à combustible 4 à membrane échangeuse d'ions. Chaque pile à combustible 4 comprend un compartiment anodique 6 et un compartiment cathodique 8, chacun pour la circulation d'un gaz réactif respectif, séparés par au moins une membrane échangeuse d'ions 10, pour l'oxydoréduction des gaz réactifs par échange d'ions au travers de la ou chaque membrane échangeuse d'ions 10. Le compartiment anodique 6 est prévu pour être alimenté en combustible gazeux, et le compartiment cathodique 8 est prévu pour être alimenté en comburant gazeux.
Chaque pile à combustible 4 est par exemple une pile à combustible à membrane échangeuse de proton ou PEMFC pour « Proton Exchange Membrane Fuel Cell » en anglais. Chaque pile à combustible 4 est par exemple une pile à combustible dihydrogène/dioxygène utilisant du dihydrogène (H2) comme combustible et du dioxygène (02) comme comburant. Chaque pile à combustible 4 est représentée schématiquement sur la Figure 1 et 2 avec une membrane échangeuse d'ions 10 séparant le compartiment anodique 6 et le compartiment cathodique 8. Une pile à combustible comprend au moins une cellule électrochimique comprenant une membrane échangeuse d'ions et des conduits anodiques de circulation du combustible et des conduits cathodique de circulation du comburant de part et d'autre de la membrane échangeuse d'ions, les conduits anodiques et les conduit cathodiques formant respectivement le compartiment anodique et le compartiment cathodique. Une pile à combustible comprend généralement une pluralité de cellules électrochimiques empilées, formant un empilement ou « stack », et reliée électriquement en série, les conduits anodiques des cellules électrochimiques étant reliés fluidiquement en parallèle pour former ensemble le compartiment anodique, et les conduits cathodiques des cellules électrochimiques étant reliés fluidiquement en parallèle pour former ensemble le compartiment cathodique.
Chaque pile à combustible 4 comprend un compartiment de refroidissement 12 pour la circulation d'un fluide de refroidissement pour la régulation thermique de la pile à combustible 4. Le fluide de refroidissement est par exemple de l'eau. Sur les Figures 1 et 2, le compartiment de refroidissement 12 est représenté schématiquement. En pratique, une pile à combustible comprend une pluralité de conduits de refroidissement s'étendant au travers de la pile à combustible, en particulier au travers de la ou chaque cellule électrochimique, et formant ensemble le compartiment de refroidissement 12. Comme illustré sur la Figure 1, les piles à combustible 4 sont reliées fluidiquement en parallèle. Les compartiments anodiques 6 sont alimentés en combustible en parallèle, leur alimentation étant commandée individuellement. Le système électrochimique 2 comprend un circuit d'alimentation anodique 14 alimentant en parallèle les compartiments anodiques 6 en combustible à partir d'une source de combustible 16. Le circuit d'alimentation anodique 14 est agencé pour commander l'alimentation de chaque compartiment anodique 6 individuellement, indépendamment de l'alimentation des autres compartiments anodique 6. Le circuit d'alimentation anodique 14 comprend par exemple une vanne anodique 18 respective à l'entrée de chaque compartiment anodique 6, pour commander l'écoulement de combustible individuellement dans ce compartiment anodique 6. Chaque compartiment anodique 6 est isolable fluidiquement dans le circuit d'alimentation anodique 14. Les compartiments cathodiques 8 sont alimentés en comburant en parallèle, leur alimentation étant commandée individuellement. Le système électrochimique 2 comprend un circuit d'alimentation cathodique 20 alimentant en parallèle les compartiments cathodiques 8 en comburant à partir d'une source de comburant 22. Le circuit d'alimentation cathodique 20 est agencé pour commander l'alimentation de chaque compartiment cathodique 8 individuellement, indépendamment de l'alimentation des autres compartiments cathodique 8. Le circuit d'alimentation cathodique 20 comprend par exemple une vanne cathodique 24 respective à l'entrée de chaque compartiment cathodique 8, pour commander l'écoulement du comburant individuellement dans ce compartiment cathodique 8. Chaque compartiment cathodique 8 est isolable fluidiquement dans le circuit d'alimentation cathodique 20. Les compartiments de refroidissement 12 sont alimentés en fluide de refroidissement en parallèle pour maintenir les piles à combustible 4 à une température comprise dans une plage de fonctionnement.
Le système électrochimique 2 comprend un circuit de refroidissement 25 alimentant en parallèle les compartiments de refroidissement 12 en fluide de refroidissement. Le circuit de refroidissement 25 est en boucle fermée. Le circuit de refroidissement 25 comprend un échangeur de chaleur 26 disposé sur une branche de retour de la sortie des compartiments de refroidissement 12 vers leur entrée. Le fluide de refroidissement sortant des compartiments de refroidissement 12 est renvoyé vers l'entrée des compartiments de refroidissement 12 après un échange de chaleur dans l'échangeur de chaleur 26. L'échangeur de chaleur 26 est par exemple un échangeur eau/air. Le circuit de refroidissement 25 comprend une pompe 27 pour la circulation du fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement 25. Une pile à combustible alimentée en dihydrogène et en dioxygène fonctionne par exemple à une température autour de 70 °Celsius (C), pour éviter la condensation d'eau dans les compartiments anodiques 16 et les compartiments cathodiques 24 des piles à combustibles 4, qui pourraient provoquer leur engorgement. En fonctionnement, le fluide de refroidissement entre par exemple à une température d'environ 65°C dans les compartiments de refroidissement, et en ressort à une température d'environ 70°C. Le système électrochimique 2 est prévu pour l'inertage individuel de chaque pile à combustible 4, sans inertage des autres piles à combustible 4. L'inertage d'une pile à combustible 4 consiste à remplir son compartiment anodique 6 et/ou son compartiment cathodique 8 d'un gaz inerte. Le gaz inerte est par exemple du diazote (N2) ou de l'air. Le système électrochimique 2 comprend un circuit d'inertage 28 agencé pour alimenter en parallèle les compartiments anodiques 6 en gaz inerte à partir d'une source de gaz inerte 30. Le circuit d'inertage 28 est agencé pour commander l'alimentation de chaque compartiment anodique 6 individuellement, indépendamment de l'alimentation des autres compartiments anodique 6. Le circuit d'inertage comprend par exemple une vanne d'inertage 32 respective à l'entrée de chaque compartiment anodique 6, pour commander l'écoulement de combustible individuellement dans ce compartiment anodique 6. Chaque compartiment anodique 6 est isolable fluidiquement individuellement dans le circuit d'inertage 28.
En variante ou en option, le circuit d'inertage 28 est agencé pour alimenter en parallèle les compartiments cathodiques 8 en gaz inerte à partir de la source d'inertage 30, en commandant l'alimentation de chaque compartiment cathodique 8 individuellement, indépendamment de l'alimentation des autres compartiments cathodique 8. Dans ce cas, chaque compartiment cathodique 8 est isolable fluidiquement individuellement dans le circuit d'inertage 28.
De manière générale, le circuit d'inertage 28 est configuré pour alimenter le compartiment anodique 6 et/ou le compartiment cathodique 8 de chaque réacteur 4 en fluide inerte, les réacteurs 4 étant raccordés en parallèle dans le circuit d'inertage 28, et le circuit d'inertage 28 comprenant des vannes agencées pour commander l'alimentation individuelle de chaque réacteur 4 en fluide inerte indépendamment des autres réacteurs 4. Comme illustré sur la Figure 2, les piles à combustible 4 sont reliées électriquement en série, de manière que chaque pile à combustible 4 est contournable électriquement individuellement, indépendamment des autres piles à combustible 4.
Pour ce faire, le système électrochimique 2 comprend un circuit électrique 34 reliant les piles à combustible 4. Le circuit électrique 34 comprend une ligne principale 36 électrique reliant les piles à combustible 4 en série entre deux bornes de distribution 37, et un dispositif de contournement 38 électrique respectif associé à chaque pile à combustible 4 pour permettre le contournement électrique de cette pile à combustible 4 individuellement, indépendamment des autres piles à combustible 4. Chaque dispositif de contournement 38 comprend ligne de contournement 40 électrique raccordée à la ligne principale 36 de part et d'autre de la pile à combustible 4 associée et un interrupteur 42 disposé sur la ligne principale 36 entre un noeud de raccordement de la ligne de contournement 40 à la ligne principale 36 et une borne de la pile à combustible 4, ici la borne négative de la pile à combustible 4. La ligne de contournement 40 contourne individuellement la pile à combustible 4 en court-circuitant la borne négative et la borne positive de la pile à combustible 4. Lorsque l'interrupteur 42 est fermé, la pile à combustible 4 est raccordée électriquement en série aux autres piles à combustible 4. Lorsque l'interrupteur 42 est ouvert, la pile à combustible 4 est isolée électriquement des autres piles à combustible 4, et le courant électrique passe par la ligne de contournement 40. Les interrupteurs 42 sont propres à être commandés individuellement, indépendamment les uns des autres, pour contourner chaque pile à combustible 4 individuellement. Chaque dispositif de contournement 38 comprend une diode 44 disposée sur sa ligne de contournement 40. La diode 44 est disposée pour permettre la circulation du courant de la borne négative vers la borne positive de la pile à combustible 4 associée, et interdire une circulation de courant inverse. Le système électrochimique 2 comprend un système de commande 46 pour surveiller le fonctionnement de chaque pile à combustible 4 individuellement et pour commander chaque pile à combustible 4 individuellement, en commandant le raccordement électrique et l'alimentation fluidique de chaque pile à combustible 4.
Le système de commande 46 comprend des capteurs (non représentés) disposés sur chaque pile à combustible 4 pour en surveiller le fonctionnement. Les capteurs associé à chaque pile à combustible comprennent par exemple un capteur de tension aux bornes de la pile à combustible, un capteur de tension aux bornes de chaque cellule électrochimique de la pile à combustible, un capteurs de débit dans le compartiment anodique, un capteur de débit dans le compartiment cathodique, un capteur de pression dans le compartiment anodique, un capteur de pression dans le compartiment cathodique, et/ou un capteur de température. Le système de commande 46 comprend un calculateur de commande 48 recevant les signaux de mesures des capteurs et prévu pour commander les vannes anodiques 18, les vannes cathodiques 24, les vannes d'inertage 32 et les interrupteurs 38 en fonction des signaux de mesure fournis par les capteurs, selon des instructions de commande. Le système de commande 46 est ainsi propre à commander individuellement l'isolation électrique de chaque pile à combustible 4 dans le circuit électrique 34, l'isolation fluidique du compartiment anodique 8 de chaque pile à combustible 4 dans le circuit d'alimentation anodique 14, l'isolation fluidique du compartiment anodique 8 de chaque pile à combustible 4 dans le circuit d'alimentation cathodique 20, et le raccordement fluidique du compartiment anodique 6 et/ou du compartiment cathodique 8 de chaque pile à combustible 4 au circuit d'inertage 38.
Le système de commande 46 est ainsi configuré pour mettre en oeuvre de manière automatisée un procédé de commande du système électrochimique 2. Le système électrochimique 2 est initialement en cours de fonctionnement. Les compartiments anodique 6 et cathodiques 8 des piles à combustibles 4 sont alimentés en fluides réactifs respectivement par le circuit d'alimentation anodique 14 et par le circuit d'alimentation cathodique 20, de manière que chaque pile à combustible 4 produit de l'électricité. Les piles à combustible 4 sont reliées par le circuit électrique 34. Les compartiments de refroidissement 12 des piles à combustible 4 sont alimentés par le circuit de refroidissement 25. Selon le procédé de commande, dans une première étape de détection El, le système de commande 46 détecte qu'une pile à combustible 4 est défectueuse. Lorsqu'une pile à combustible 4 défectueuse est détectée, cette pile à combustible est désactivée de manière automatisée. A cet effet, dans une deuxième étape déconnexion E2, la pile à combustible 4 défectueuse est isolée électriquement des autres piles à combustible 4 et contournée électriquement. Pour ce faire, le système de commande 42 commande l'ouverture de l'interrupteur 38 du dispositif de contournement associé à la pile à combustible 4 défectueuse. Le système électrochimique 2 continue de produire de l'électricité à l'aide des autres piles à combustible 4 qui restent connectées électriquement aux bornes de distribution. Dans une troisième étape de d'interruption E3, l'alimentation de la pile à combustible 4 défectueuse en fluides réactifs est interrompue. Pour ce faire, le système de commande 46 commande par exemple la fermeture de la vanne anodique 18 et de la vanne cathodique 24 de la pile à combustible 4 défectueuse. Les autres piles à combustible 4 du système électrochimique 2, non défectueuses, continuent d'être alimentées en fluides réactifs en vue de la production d'électricité.
Dans une quatrième étape d'inertage E4, l'inertage de la pile à combustible 4 défectueuse est effectué, en alimentant le compartiment anodique 6 et/ou le compartiment cathodique 8 de la pile à combustible 4 défectueuse en gaz inerte, de manière à évacuer les gaz réactifs. Le système de commande 46 commande l'alimentation du compartiment anodique 6 et/ou du compartiment cathodique 8 de la pile à combustible 4 défectueuse en gaz inerte en commandant l'ouverture des vannes d'inertage 32 correspondantes. Les deuxième, troisième et quatrième étapes E2, E3 et E4 permettent d'effectuer la désactivation de la pile à combustible. La désactivation est automatisée et commandée par le système de commande.
Pendant la phase inactive de la pile à combustible 4 défectueuse, la circulation du fluide de refroidissement dans le compartiment de refroidissement 12 de la pile à combustible 4 défectueuse est maintenue. La circulation du fluide de refroidissement dans les compartiments de refroidissement 12 des piles à combustibles 4 non défectueuses encore active est bien entendu maintenue.
Dans une cinquième étape de diagnostic E5, un diagnostic automatique est effectué sur la pile à combustible 4 défectueuse. Le diagnostic est effectué par le système de commande 46. Si le diagnostic est positif et indique que la pile à combustible 4 défectueuse peut être réactivée, une sixième étape de réactivation E6 automatisée est mise en oeuvre, dans laquelle la pile à combustible 4 défectueuse est réactivée. Pour ce faire, la pile à combustible est reconnectée électriquement en série aux autres piles à combustible, et l'alimentation de la pile à combustible 4 en combustible et en comburant est reprise. Le procédé de commande retourne à l'étape de détection El. La circulation du fluide de refroidissement est maintenue dans le compartiment de la pile à combustible 4 défectueuse jusqu'à la réactivation de la pile à combustible 4 défectueuse. La réactivation est automatisée et commandée par le système de commande 46.
Si le diagnostic est négatif et fait état d'un dysfonctionnement avéré de la pile à combustible 4 défectueuse, une septième étape de rapport E7 est mise en oeuvre, dans laquelle un rapport de dysfonctionnement 50 est émis par le système de commande 46. Le rapport de dysfonctionnement est par exemple envoyé à un opérateur, en vue d'une intervention manuelle sur la pile à combustible 4 défectueuse. En cas de défauts de fonctionnement répétés d'une pile à combustible, il est possible de mettre en oeuvre l'étape de rapport E7 que le résultat du diagnostique à l'étape de diagnostique soit positif ou négatif. Dans une variante de mise en oeuvre, la pile à combustible 4 défectueuse est réactivée systématiquement, avec ou sans étape de diagnostic, une étape de rapport étant mise en oeuvre en cas de dysfonctionnements répétés. Dans une variante de mise en oeuvre illustrée sur la Figure 4, une pile à combustible défectueuse est inactivée en interrompant l'alimentation en fluide réactif d'un seul parmi le compartiment anodique 6 et le compartiment cathodique 8 et en poursuivant l'alimentation en fluide réactif de l'autre parmi le compartiment anodique 6 et le compartiment cathodique 8. Ainsi, un inertage de la pile à combustible 4 défectueuse n'est pas effectué de manière systématique. Selon cette variante, dans une première étape de détection El 1, le système de commande 46 détecte qu'une pile à combustible 4 est défectueuse et commande la désactivation automatisée de cette pile à combustible 4 défectueuse. Pour ce faire, dans une deuxième étape déconnexion El 2, la pile à combustible 4 défectueuse est isolée électriquement des autres piles à combustible 4 et contournée électriquement, et dans une troisième étape de d'interruption El 3, l'alimentation de la pile à combustible 4 défectueuse en fluide réactif de l'un parmi son compartiment anodique 6 et son compartiment cathodique 8 est interrompue, l'alimentation en fluide réactif de l'autre étant poursuivie. Pour ce faire, le système de commande 46 commande par exemple la fermeture de l'une parmi la vanne anodique 18 et la vanne cathodique 24 de la pile à combustible 4 défectueuse, et le maintien de l'ouverture de l'autre. La désactivation est automatisée et commandée par le système de commande 46.
La pile à combustible 4 défectueuse est désactivée dès lors que l'un parmi son compartiment anodique 6 et son compartiment cathodique 8 n'est plus alimenté en fluide réactif, ce qui interrompt la réaction électrochimique. Le maintien d'une circulation de fluide réactif dans l'autre parmi le compartiment anodique 6 et le compartiment cathodique 8 permet d'évacuer un éventuel excès d'eau dans cet autre compartiment. Pendant la phase inactive de la pile à combustible 4 défectueuse, la circulation du fluide de refroidissement dans le compartiment de refroidissement 12 de la pile à combustible 4 défectueuse est maintenue. Le compartiment parmi le compartiment anodique 6 et le compartiment cathodique 8 dont l'alimentation en fluide réactif est interrompue, n'est pas alimenté en fluide inerte. Dans une quatrième étape de diagnostic E14, un diagnostic automatique est effectué sur la pile à combustible 4 défectueuse par le système de commande 46. Si le diagnostic est positif et indique que la pile à combustible 4 défectueuse peut être réactivée, une cinquième étape de réactivation E15 automatisée est mise en oeuvre, dans laquelle la pile à combustible 4 défectueuse est réactivée. Pour ce faire, la pile à combustible est reconnectée électriquement en série aux autres piles à combustible, et l'alimentation en fluide réactif de chacun du compartiment anodique 6 et du compartiment cathodique 8 de la pile à combustible 4 est reprise. Le procédé de commande retourne à l'étape de détection E11. Si le diagnostic est négatif et fait état d'un dysfonctionnement avéré de la pile à combustible 4 défectueuse, une sixième étape d'inertage E16 est mise en oeuvre, en interrompant l'alimentation de chacun du compartiment anodique 6 et du compartiment cathodique 8, et en alimentant le compartiment anodique 6 et/ou le compartiment cathodique 8 de la pile à combustible 4 défectueuse en gaz inerte, de manière à évacuer les gaz réactifs. Lors de l'inertage. Par ailleurs, une septième étape de rapport E17 est mise en oeuvre, dans laquelle un rapport de dysfonctionnement 50 est émis par le système de commande 46. Bien entendu, pendant que la pile à combustible 4 défectueuse est désactivée, les autres piles à combustible non défectueuses sont maintenues actives. Les compartiments anodiques 6 et cathodique 8 sont maintenus alimentés en fluides réactifs, et elles restent connectées au circuit électrique 34. L'alimentation de leurs compartiments de refroidissement 12 est maintenue. Cette variante est avantageuse en ce qu'elle évite de procéder systématiquement à un inertage, ce qui permet de réactiver la pile à combustible plus rapidement dans le cas où le défaut disparaît suite à la désactivation de la pile à combustible. Dans encore une autre variante, la désactivation comprend l'alimentation en fluide inerte du compartiment dont l'alimentation en fluide réactif a été interrompue et l'alimentation en fluide réactif de l'autre compartiment. De manière générale, la désactivation d'une pile à combustible comprend l'interruption de l'alimentation en fluide réactif d'au moins un parmi le compartiment anodique et le compartiment cathodique.
Grâce à l'invention, il est possible de disposer d'un système électrochimique dont la disponibilité est améliorée. En effet, il est possible de désactiver une pile à combustible présentant un défaut de fonctionnement, tout en maintenant la fourniture d'énergie électrique à l'aide des autres piles à combustibles non défectueuses maintenues actives, puis de réactiver la pile à combustible. Il est courant qu'une pile à combustible présente un défaut de fonctionnement temporaire. La désactivation automatisée de la pile à combustible (déconnexion électrique, interruption de l'alimentation en au moins un fluide réactif, et, éventuellement, inertage) permet de faire disparaître de tels défauts de fonctionnement passagers. Une pile à combustible fonctionnant au dihydrogène et au dioxygène produit de l'électricité et de l'eau. Un défaut de fonctionnement temporaire de ce type de pile à combustible est par exemple du à un excès d'eau à l'état liquide dans le compartiment anodique et/ou le compartiment cathodique de la pile à combustible, dans une ou plusieurs cellules électrochimiques. Un tel défaut peut entraîner une baisse de tension aux bornes de la pile à combustible ou d'une ou plusieurs cellules électrochimiques. La désactivation de la pile à combustible, en procédant à l'inertage ou en maintenant la circulation de fluide réactif dans le compartiment anodique ou dans le compartiment cathodique, permet d'évacuer de l'eau excédentaire. Le maintien de la circulation du fluide de refroidissement dans la pile à combustible défectueuse désactivée pendant toute la phase de désactivation, permet de maintenir la pile à combustible à une température proche ou dans la plage de fonctionnement normal, favorisant une réactivation plus rapide de la pile à combustible. Pendant que la pile à combustible défectueuse est désactivée, le fluide de refroidissement circule dans les autres piles à combustible actives dans lesquels il est réchauffé, et apporte donc de la chaleur à la pile à combustible défectueuse, ce qui la maintient en température. Dans l'exemple évoqué plus haut, le fluide de refroidissement revient dans les compartiments de refroidissement à une température de 65°C, ce qui permet de maintenir la pile à combustible désactivée à environ 65°C pendant sa phase inactive. Une pile à combustible fonctionnant au dihydrogène et au dioxygène, fonctionne de préférence à une température suffisamment élevée pour que l'eau générée soit au moins en partie vaporisée, ce qui favorise son évacuation. Le maintien en température de la pile à combustible en phase inactive évite la condensation d'eau pendant la phase inactive. En outre, le circuit de refroidissement est simple, puisqu'il n'est plus nécessaire de prévoir des électrovannes commandées par le système de commande 46 pour isoler fluidiquement chaque pile à combustible défectueuse dans le circuit de refroidissement.
Des vannes manuelles sont éventuellement prévues pour permettre de déposer la pile à combustible 4 manuellement. Ainsi, le système électrochimique est avantageusement dépourvu d'électrovanne d'isolation fluidique d'un compartiment de refroidissement d'une pile à combustible dans le circuit de refroidissement. La réactivation automatisée ultérieure de la pile à combustible permet de rétablir la capacité complète du système électrochimique.
La réalisation d'un diagnostic automatisé avant la réactivation automatisée de la pile à combustible permet de détecter un éventuel défaut permanent qui ne permettrait pas de réactiver la pile à combustible. L'invention n'est pas limitée à un système électrochimique de production d'électricité comprenant des réacteurs électrochimiques sous la forme de piles à combustible. L'invention s'applique également à un système électrochimique de production de gaz à partir d'un fluide, en particulier de production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse de l'eau, comprenant des réacteurs électrochimiques sous la forme d'électrolyseurs.
Un électrolyseur pour la production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse de l'eau présente une structure analogue à celle d'une pile à combustible, mais fonctionne de manière inverse : il est alimenté en eau et en électricité, et fournit du dihydrogène en sortie du compartiment anodique et du dioxygène en sortie du compartiment cathodique.
Des électrolyseurs d'un système électrochimique sont connectés électriquement en série ou en parallèle en permettant de déconnecter individuellement chaque électrolyseur, et sont alimentés en fluides en parallèles, en permettant d'interrompre l'alimentation en au moins un fluide réactif de chaque électrolyseur individuellement.
Claims (22)
- REVENDICATIONS1.- Procédé de commande d'un système électrochimique comprenant une pluralité de réacteurs (4) électrochimiques, chaque réacteur (4) comprenant un compartiment anodique (16) et un compartiment cathodique (8) pour la circulation de fluides réactifs, et un compartiment de refroidissement (12) pour la circulation d'un fluide de refroidissement, les réacteurs (4) étant connectés électriquement, le procédé de commande comprenant, en cas de détection d'un défaut de fonctionnement d'un réacteur, les étapes de : - désactiver le réacteur (4) défectueux en l'isolant électriquement des autres réacteurs et en interrompant l'alimentation en fluide réactif d'au moins un parmi le compartiment anodique (6) et le compartiment cathodique (8) du réacteur (4) défectueux, tout en maintenant une circulation du fluide de refroidissement dans le compartiment de refroidissement pendant la phase inactive du réacteur ; puis - réactiver le réacteur (4).
- 2.- Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel la désactivation comprend l'alimentation en fluide inerte d'au moins un parmi le compartiment anodique (6) et le compartiment cathodique (8) du réacteur (4) défectueux, dont l'alimentation en fluide réactif est interrompue.
- 3.- Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la désactivation comprend la poursuite de l'alimentation en fluide réactif de l'autre parmi le compartiment anodique (6) et le compartiment cathodique (8) du réacteur (4) défectueux.
- 4.- Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la désactivation comprend l'interruption de l'alimentation en fluides réactifs de chacun du compartiment anodique (6) et du compartiment cathodique (8) du réacteur (4) défectueux.
- 5.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la désactivation comprend l'inertage du réacteur (4) défectueux.
- 6.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les réacteurs sont connectés électriquement en série, et le réacteur (4) défectueux est isolé en étant contourné électriquement.
- 7.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les compartiments de refroidissement (12) des réacteurs sont reliés fluidiquement en parallèle dans un circuit de refroidissement en boucle fermée.
- 8.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les compartiments anodiques (6) sont alimentés en fluides réactifs en parallèle dans un circuit d'alimentation anodique.
- 9.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les compartiments cathodiques (8) sont alimentés en fluides réactifs en parallèle dans un circuit d'alimentation cathodique.
- 10.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'état de fonctionnement d'un réacteur est déterminé en fonction de la tension électrique aux bornes du réacteur et/ou aux bornes d'au moins une cellule électrochimique du réacteur.
- 11.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'état de fonctionnement de chaque réacteur (4) est déterminé en fonction d'une pression dans le compartiment anodique et/ou d'une pression dans le compartiment cathodique.
- 12.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'état de fonctionnement de chaque réacteur (4) est déterminé en fonction d'un débit dans le compartiment anodique et/ou d'un débit dans le compartiment cathodique.
- 13.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur (4) défectueux est réactivé systématiquement après la première détection d'un défaut de fonctionnement.
- 14.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de diagnostic automatisé du réacteur (4) défectueux avant sa réactivation.
- 15.- Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, en cas de détection répétée d'un défaut de fonctionnement, le réacteur (4) défectueux est désactivé jusqu'à une intervention manuelle.
- 16.- Système électrochimique comprenant une pluralité de réacteurs électrochimiques, chaque réacteur (4) comprenant un compartiment anodique (6) et un compartiment cathodique (8) pour la circulation de fluides réactifs, et un compartiment de refroidissement (12) pour la circulation d'un fluide de refroidissement, et un système de commande (46) propre à surveiller l'état de fonctionnement de chaque réacteur (4), les réacteurs (4) étant connecté électriquement, le système de commande (46) étant prévu pour mettre en oeuvre un procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 17.- Système électrochimique selon la revendication 16, dans lequel les réacteurs (4) sont des piles à combustible ou sont des électrolyseurs.
- 18.- Système électrochimique selon la revendication 16 ou 17, dans lequel les réacteurs (4) sont connectés électriquement en série, et un réacteur (4) défectueux est isolé déconnecté en étant contourné électriquement.
- 19.- Système électrochimique selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, dans lequel les compartiments de refroidissement (12) des réacteurs (4) sont reliés fluidiquement en parallèle dans un circuit de refroidissement en boucle fermée.
- 20.- Système électrochimique selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, dans lequel les compartiments anodique (6) sont alimentés en fluides réactifs en parallèle dans un circuit d'alimentation anodique.
- 21.- Système électrochimique selon l'une quelconque des revendications 16 à 20, dans lequel les compartiments cathodiques (8) sont alimentés en fluides réactifs en parallèle dans un circuit d'alimentation cathodique.
- 22.- Système électrochimique selon l'une quelconque des revendications 16 à 21, comprenant un circuit d'inertage (28) configuré pour alimenter le compartiment anodique (6) et/ou le compartiment cathodique (8) de chaque réacteur (4) en fluide inerte, les réacteurs (4) étant raccordés en parallèle dans le circuit d'inertage (28), le circuit d'inertage (28) comprenant des vannes agencées pour commander l'alimentation individuelle de chaque réacteur (4) en fluide inerte indépendamment des autres réacteurs (4).
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115404492A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-11-29 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 风光电源制氢装置及其制氢方法 |
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| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20160603 |
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