FR3054377A1 - Pile a combustible munie d'un systeme de ventilation - Google Patents

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Abstract

Le présent exposé concerne une pile à combustible munie d'un système de ventilation permettant de limiter l'accumulation de dihydrogène en cas de fuite du circuit de dihydrogène, la pile à combustible comprenant au moins une cellule électrochimique (12), comprenant un compartiment cathodique et un compartiment anodique, arrangée dans un premier caisson (10), une alimentation en dihydrogène (31), connectée au compartiment anodique de la cellule électrochimique (12), et un compresseur (21) générant un flux d'air comprimé principal (23), alimentant le compartiment cathodique de la cellule électrochimique (12), dans laquelle le compresseur (21) génère en outre un flux d'air comprimé secondaire (24), circulant au niveau d'au moins un palier à air du compresseur (21) et débouchant dans le premier caisson (10) de manière à ventiler le premier caisson (10).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION
Le présent exposé concerne une pile à combustible munie d'un système de ventilation permettant de limiter l'accumulation de dihydrogène en cas de fuite du circuit de dihydrogène.
Une telle pile à combustible peut notamment être utilisée dans les milieux confinés dans lesquels une telle accumulation de dihydrogène peut entraîner un risque d'explosion, et notamment dans des aéronefs tels des avions ou des hélicoptères, pour ne citer que ces exemples.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Une pile à combustible classique met en œuvre une ou plusieurs cellules électrochimiques consommant du dihydrogène d'une part et du dioxygène d'autre part pour produire de l'électricité et de l'eau. Le dioxygène est généralement apporté par une circulation forcée d'air ambiant et forme ainsi le plus souvent un circuit ouvert, l'eau produite par la réaction électrochimique étant évacuée par la même circulation forcée. En revanche, le dihydrogène, extrêmement inflammable, est généralement stocké dans un réservoir et apporté à la cellule électrochimique par l'intermédiaire d'un circuit fermé dédié, complètement étanche, et sans issue.
En de rares occasions, une fuite peut survenir dans le circuit d'alimentation en dihydrogène. L'incidence d'une telle fuite peut se révéler assez limitée lorsque la pile est combustible est située dans un milieu ouvert, dans une automobile par exemple ou un autre véhicule terrestre : en effet, dans un tel cas, le dihydrogène est immédiatement dilué dans l'air ambiant et ne peut atteindre une concentration suffisante pour entraîner un risque d'explosion.
En revanche, une telle fuite peut entraîner des conséquences beaucoup plus graves lorsque la pile à combustible est située dans des milieux confinés ou isolés. En particulier, dans les applications aéronautiques, afin d'éviter une explosion à bord d'un aéronef, dont les conséquences seraient bien plus dramatiques que sur la terre ferme, il est fréquent de ségréger certains composants en les enfermant dans des caissons étanches distincts afin d'éviter que du dihydrogène n'entre en contact avec une source d'électricité à haute puissance ou une source de chaleur (huile ou air à haute température par exemple) susceptible de déclencher l'inflammation du dihydrogène. Toutefois, dans un tel cas, il est possible que du dihydrogène s'accumule dans l'un des caissons et atteigne une concentration dangereuse augmentant significativement le risque d'explosion.
Classiquement, pour réduire ce risque, on équipe le caisson de la cellule électrochimique avec un ou plusieurs ventilateurs extracteurs permettant de ventiler le caisson et donc de réduire la concentration en dihydrogène en son sein.
Néanmoins, une telle solution n'est pas optimale car elle requiert la mise en place d'équipements de ventilation dédiés, ce qui augmente le coût de la pile à combustible et rajoute une consommation électrique supplémentaire diminuant d'autant le rendement global de la pile à combustible.
Il existe donc un réel besoin pour une pile à combustible munie d'un système de ventilation permettant de limiter l'accumulation de dihydrogène en cas de fuite du circuit de dihydrogène et qui soit dépourvue, au moins en partie, des inconvénients inhérents à la méthode connue précitée.
PRESENTATION DE L’INVENTION
Le présent exposé concerne une pile à combustible comprenant au moins une cellule électrochimique, comprenant un compartiment cathodique et un compartiment anodique, arrangée dans un premier caisson, une alimentation en dihydrogène, connectée au compartiment anodique de la cellule électrochimique, et un compresseur générant un flux d'air comprimé principal, alimentant le compartiment cathodique de la cellule électrochimique, dans laquelle le compresseur génère en outre un flux d'air comprimé secondaire, circulant au niveau d'au moins un palier à air du compresseur et débouchant dans le premier caisson de manière à ventiler le premier caisson.
Ainsi, dans une telle configuration, on utilise un équipement unique, en l'espèce le compresseur, pour, d'une part, générer la circulation forcée d'air permettant d'alimenter la cellule électrochimique et, d'autre part, générer un flux secondaire permettant à la fois d'assurer la lubrification et le refroidissement du compresseur et d'assurer la ventilation du caisson de la cellule électrochimique.
Dès lors, aucun autre équipement, tel un ventilateur d'extraction, n'est nécessaire : le coût de cette configuration est donc réduit tandis que sa maintenance est facilitée. De plus, ceci évite de devoir mettre en place une alimentation électrique dans le caisson de la cellule électrochimique, une telle alimentation électrique constituant une source possible d'inflammation du dihydrogène.
En outre, son impact sur le rendement global du système est réduit puisque le flux d'air secondaire mutualise plusieurs fonctions : la lubrification du ou des paliers à air du compresseur, le refroidissement de ces derniers et éventuellement d'autres organes du compresseurs, et finalement la ventilation du caisson de la cellule électrochimique.
Dans certains modes de réalisation, la cellule électrochimique est du type à membrane d'échange de proton, de préférence du type fonctionnant à haute température. Par fonctionnement à haute température, on entend une cellule électrochimique dont la température de fonctionnement est supérieure à 90°C.
Dans certains modes de réalisation, la pile à combustible comprend une pluralité de cellules électrochimiques formant un empilement.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur est un compresseur électrique.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur est alimenté en électricité au moins par ladite cellule électrochimique. La pile à combustible peut ainsi être autonome, fournissant après son démarrage toute l'énergie électrique nécessaire à son fonctionnement.
Dans certains modes de réalisation, la pile à combustible comprend en outre une alimentation électrique auxiliaire configurée pour alimenter le compresseur en cas d'arrêt ou de défaillance de la génération d'électricité par la cellule électrochimique. Afin d'assurer la sûreté de la pile à combustible, il est préférable de prolonger la ventilation du caisson de la cellule électrochimique quelque temps après l'arrêt de la pile à combustible : une telle alimentation électrique auxiliaire permet alors de continuer à alimenter le compresseur afin d'assurer un débit de ventilation minimum même après que la cellule électrochimique a cessé de produire de l'électricité. De même, la ventilation du premier caisson est assurée même lorsque la cellule électrochimique connaît une défaillance.
Dans certains modes de réalisation, les flux d'air comprimé principal et secondaire sont issus d'un même flux d'entrée d'air.
Dans certains modes de réalisation, le débit du flux d'air comprimé secondaire est inférieur à 10%, de préférence 5%, du débit du flux d'air comprimé principal. Les inventeurs ont en effet mesuré qu'une telle valeur suffisait à assurer un débit du flux secondaire suffisant pour lubrifier les paliers à air du compresseur, refroidir le compresseur et ventiler correctement le premier caisson tout en limitant l'impact de ce prélèvement sur le rendement global de la pile à combustible.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur est du type à roue centrifuge.
Dans certains modes de réalisation, un jeu est prévu au dos de la roue centrifuge entre la roue centrifuge et le stator du compresseur, ce jeu générant un débit de fuite à l'origine du flux comprimé secondaire.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur comprend plusieurs paliers à air, de préférence à l'exception de tout autre type de palier, et le flux d'air comprimé secondaire circule au niveau de chacun des paliers à air du compresseur. Le flux d'air comprimé secondaire permet ainsi à lui seule d'assurer l'intégralité de la lubrification des paliers du compresseur.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur comprend en outre au moins un dispositif de butée axiale contre lequel s'appuie une portion de l'arbre du compresseur, et le flux d'air comprimé secondaire circule au niveau dudit dispositif de butée axial. Le flux d'air comprimé secondaire permet ainsi de lubrifier en outre de tels dispositifs de butée axiale, et notamment les dispositifs de reprise d'effort axiaux subis par l'arbre du compresseur.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur comprend en outre au moins une bobine électromagnétique et le flux d'air comprimé secondaire circule au contact de la bobine électromagnétique. Le flux d'air comprimé secondaire permet ainsi de refroidir en outre les bobines du moteur du compresseur.
Dans certains modes de réalisation, l'air comprimé issu du flux d'air comprimé secondaire et débouchant dans le premier caisson possède une température supérieure à 90°C.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur est arrangé dans un deuxième caisson, distinct du premier caisson.
Dans certains modes de réalisation, l'alimentation en dihydrogène comprend au moins un réservoir de dihydrogène.
Dans certains modes de réalisation, l'alimentation en dihydrogène est arrangée dans un troisième caisson, distinct des autres caissons.
Dans certains modes de réalisation, le premier caisson possède une évacuation d'air. Une telle évacuation d'air permet, sous l'effet de la ventilation, d'évacuer l'éventuel dihydrogène présent dans le premier caisson afin de le diluer dans l'air ambiant et donc réduire sa concentration en deçà d'un seuil de sécurité.
Dans certains modes de réalisation, l'évacuation d'air est située en partie haute du premier caisson. Le dihydrogène étant plus léger que l'air ambiant, ceci permet d'évacuer plus efficacement le dihydrogène présent dans le premier caisson et de réduire le risque de maintenir une poche de dihydrogène dans le premier caisson.
Dans certains modes de réalisation, un détecteur de dihydrogène est prévu au niveau de ladite évacuation d'air. Ceci permet de détecter la présence de dihydrogène dans l'air sortant du premier caisson et donc de détecter la présence d'une fuite dans le circuit de dihydrogène. En outre, une mesure du taux de dihydrogène sortant du premier caisson permet de déterminer l'importance de la fuite ainsi que le risque qu'elle représente. Par exemple, une alarme peut être déclenchée si une quantité anormalement élevée de dihydrogène est détectée.
Dans certains modes de réalisation, l'évacuation d'air du premier caisson est prévue dans un renfoncement du premier caisson. Ceci facilite l'évacuation de l'air présent dans le premier caisson et augmente la fiabilité de la mesure réalisée par le détecteur de dihydrogène.
Dans certains modes de réalisation, la pile à combustible comprend en outre un circuit de refroidissement, circulant entre la cellule éiectrochimique et un aérotherme. Ceci permet de refroidir la cellule électrochimique et, éventuellement, de valoriser l'énergie thermique ainsi récupérée.
Dans certains modes de réalisation, la pile à combustible comprend une vanne de dérivation permettant, lorsqu'elle est ouverte, de diriger au moins une partie du flux de l'aérotherme vers le premier caisson. Une telle configuration permet une ventilation de secours du premier caisson lorsque le compresseur connaît une défaillance ou lorsque le débit du flux d'air comprimé secondaire devient insuffisant.
Dans certains modes de réalisation, l'aérotherme est arrangé dans un quatrième caisson, distinct des autres caissons.
Dans certains modes de réalisation, les caissons de la pile à combustibles sont étanches les uns par rapport aux autres.
Le présent exposé concerne en outre un aéronef comprenant une pile à combustible selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents.
Dans certains modes de réalisation, l'évacuation d'air du premier caisson débouche à l'intérieur de la cabine de l'aéronef. Elle pourrait toutefois également déboucher à l'extérieur de l'aéronef.
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de réalisation de la pile à combustible proposée. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'invention.
Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.
La FIG 1 est un plan d'un exemple de pile à combustible.
La FIG 2 est un schéma du compresseur de la pile à combustible de la FIG 1.
DESCRIPTION DETAILLEE D’EXEMPLE(S) DE REALISATION
Afin de rendre plus concrète l'invention, un exemple de pile à combustible est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
La FIG 1 représente schématiquement les différents organes d'une pile à combustible 1 selon un exemple de réalisation. La pile à combustible comprend différents caisson étanches formant autant de compartiments incluant chacun certains organes de la pile à combustible 1.
Le premier caisson 10 comprend un empilement 11 de plusieurs cellules électrochimiques 12. Ces cellules électrochimiques 12 sont du type à membrane d'échange de protons, formant donc une pile à combustible à membrane d'échange de protons communément appelée PEMFC (acronyme de l'anglais « proton exchange membrane fuel cell »).
Ce type de cellule électrochimique 12, bien connue de l'homme du métier, comprend une membrane électrolyte polymère encadrée par une première électrode formant anode d'une part et une deuxième électrode formant cathode d'autre part. Elle comprend également en surface de l'anode un compartiment anodique sans issue alimenté en dihydrogène et, en surface de la cathode, un compartiment cathodique possédant une alimentation en air, comprenant donc du dioxygène, et une évacuation pour l'air excédentaire chargé de l'eau produite par la réaction électrochimique H2 + O2 = H2O. Chaque cellule électrochimique 12 comprend en outre des canaux de refroidissement permettant le passage d'un fluide caloporteur prélevant une partie la chaleur générée par la réaction électrochimique.
Le premier caisson 10 comprend en outre un renfoncement 13 prévu dans sa paroi supérieure et formant un canal aboutissant à un orifice d'évacuation 14 équipé d'un détecteur de dihydrogène 15.
Le deuxième caisson 20 comprend un compresseur électrique 21 comportant une arrivée d'air 22, l'air étant prélevé à l'extérieur de la pile à combustible 1, une sortie d'air principale 23 alimentant le compartiment cathodique des cellules électrochimiques 12, et une sortie d'air secondaire 24 débouchant dans le premier caisson 10.
Le troisième caisson 30 comprend un réservoir d'hydrogène 31 permettant d'alimenter le compartiment anodique des cellules électrochimiques 12.
Le quatrième caisson 40 comprend un circuit de refroidissement, parcouru par un fluide caloporteur tel que de l'huile, muni d'un aérotherme 41 et d'une pompe de circulation 42, et connecté aux canaux de refroidissement des cellules électrochimiques 12. La pompe 42 permet ainsi d'entraîner la circulation du fluide caloporteur qui prélève de la chaleur au niveau des cellules électrochimiques 12 puis la libère au niveau de l'aérotherme 41, sous forme de chaleur dissipée au niveau d'un radiateur par exemple par exemple ou sous forme de chaleur valorisable échangée au niveau d'un échangeur.
Enfin, le cinquième caisson 50 comprend les différents organes électroniques de la pile à combustible et notamment un module de puissance 51, un calculateur 52 et une batterie 53.
La FIG 2 représente schématiquement le compresseur 21 en coupe selon son axe principal A. Il comprend un rotor 60 comportant un arbre 61 portant une roue centrifuge 62, une collerette radiale 63 et des aimants 64.
Son stator 70 comporte pour sa part des paliers à air 71, supportant l'arbre 61 au moins à deux niveaux différents, des butées axiales 72, encadrant axialement la collerette 63 de l'arbre 61, et des bobines électromagnétiques 73, prévues en vis-à-vis des aimants 64 de l'arbre 61.
Un flux d'entrée d'air 80, issu de l'arrivée d'air 22, pénètre dans le compresseur par un orifice d'entrée d'air 74 et rencontre axialement la roue centrifuge 62. La roue centrifuge 62 comprime alors l'air provenant du flux d'entrée d'air 80 et génère un flux d'air comprimé principal 81 s'échappant par un orifice de sortie d'air principal 75 afin de former la sortie d'air principale 23 alimentant les cellules électrochimiques 12.
Toutefois, un jeu J prévu entre la sortie de la roue centrifuge 6? et le stator 70 entraîne une fuite d'air formant un flux d'air comprimé secondaire 82. Ce jeu J est calibré de telle sorte que le débit du flux secondaire 82 représente entre 4 et 5% environ du débit du flux principal 81. Ce flux secondaire 82 circule axialement d'amont en aval entre le rotor 60 et stator 70 du compresseur 21 afin de refroidir et/ou lubrifier certains de ses éléments. En particulier, le flux secondaire 82 circule axialement entre l'arbre 61 et les paliers 71, refroidissant et lubrifiant ces derniers ; il circule également radialement entre la collerette 63 de l'arbre 61 et les butées axiales 72, refroidissant et lubrifiant ces éléments ; et il circule également en surface, et éventuellement à l'intérieur, des bobines 73 pour refroidir ces dernières. La température du flux secondaire 82 peut ainsi s'élever jusqu'à atteindre une température comprise entre 120 et 180°C.
Une fois ces différents éléments traversés, le flux secondaire 82 s'échappe par un orifice de sortie d'air secondaire 76 afin de former la sortie d'air secondaire 24 débouchant dans le premier caisson 10. Le flux d'air comprimé secondaire 82 permet alors de ventiler le premier caisson 10, repoussant le dihydrogène éventuellement présent vers le renfoncement 46 et l'évacuation d'air 1. Une présence éventuelle de dihydrogène dans l'air ainsi évacué peut alors être détectée par le détecteur 15 qui transmet dans ce cas un signal au calculateur 52 en vue par exemple de déclencher une alarme ou un arrêt d'urgence de la pile à combustible 1.
Lorsque la pile à combustible 1 est en fonctionnement, et génère donc de l'électricité, le compresseur 21 est alimenté directement par l'électricité produite par la pile à combustible 1. Toutefois, lorsque la pile à combustible 1 est à l'arrêt, ou lorsque la production d'électricité est défaillante, le compresseur 21 peut être alimenté en électricité à partir d'une batterie 53 ou d'une alimentation électrique extérieure : ceci permet par exemple de continuer à ventiler le premier caisson 10 même après l'arrêt de la pile à combustible 1.
Une autre option permettant de continuer à ventiler le caisson 10 après l'arrêt ou la défaillance de la pile à combustible 1, y compris après une défaillance du compresseur 21, est d'utiliser le ventilateur de l'aérotherme 41 du circuit de refroidissement, alimenté éventuellement à partir de la batterie 53, et de diriger une partie de son flux vers le premier caisson 10 en ouvrant une vanne de dérivation 43 dédiée.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Pile à combustible comprenant au moins une cellule électrochimique (12), comprenant un compartiment cathodique et un compartiment anodique, arrangée dans un premier caisson (10), une alimentation en dihydrogène (31), connectée au compartiment anodique de la cellule électrochimique (12), et un compresseur (21) générant un flux d'air comprimé principal (81), alimentant le compartiment cathodique de la cellule électrochimique (12), dans laquelle le compresseur (21) génère en outre un flux d'air comprimé secondaire (82), circulant au niveau d'au moins un palier à air (71) du compresseur (21) et débouchant dans le premier caisson (10) de manière à ventiler le premier caisson (10).
  2. 2. Pile à combustible selon la revendication 1, dans lequel la cellule électrochimique (12) est du type à membrane d'échange de proton, de préférence du type fonctionnant à haute température.
  3. 3. Pile à combustible selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le compresseur est un compresseur électrique (21), et dans laquelle le compresseur (21) est alimenté en électricité au moins par ladite cellule électrochimique (12).
  4. 4. Pile à combustible selon la revendication 3, comprenant en outre une alimentation électrique auxiliaire (53) configurée pour alimenter le compresseur (21) en cas d'arrêt ou de défaillance de la génération d'électricité par la cellule électrochimique (12).
  5. 5. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le débit du flux d'air comprimé secondaire (82) est inférieur à 10% du débit du flux d'air comprimé principal (81).
  6. 6. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le compresseur (21) est du type à roue centrifuge (62), et dans laquelle un jeu (J) est prévu au dos de la roue centrifuge (62) entre la roue centrifuge (62) et le stator (70) du compresseur (21), ce jeu (J) générant un débit de fuite à l'origine du flux d'air comprimé secondaire (82).
  7. 7. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le compresseur (21) comprend en outre au moins un dispositif de butée axiale (72) contre lequel s'appuie une portion (63) de l'arbre (61) du compresseur (21), et dans laquelle le flux d'air comprimé secondaire (82) circule au niveau dudit dispositif de butée axiale (72).
  8. 8. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le premier caisson (10) possède une évacuation d'air (14), située de préférence en partie haute du premier caisson (10), et dans laquelle un détecteur de dihydrogène (15) est prévu au niveau de ladite évacuation d'air (14).
  9. 9. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre un circuit de refroidissement, circulant entre la cellule électrochimique (12) et un aérotherme (41), et une vanne de dérivation (43) permettant, lorsqu'elle est ouverte, de diriger au moins une partie du flux de l'aérotherme (41) vers le premier caisson (10).
  10. 10. Aéronef, comprenant une pile à combustible (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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