FR3103061A1 - système electrochimique a pile à combustible adapte a fonctionner en depression - Google Patents

système electrochimique a pile à combustible adapte a fonctionner en depression Download PDF

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Abstract

L’invention porte sur un système électrochimique adapté à fonctionner en dépression vis-à-vis d’une pression de référence, comportant : une pile à combustible 2, une ligne d’alimentation Lad reliant une entrée Ed d’oxygène à la pression de référence à l’entrée Ce de la pile 2, une ligne d’évacuation Led reliant la sortie Cs de la pile 2 à une sortie Sd ; un réducteur de pression 6 disposé sur la ligne d’alimentation Lad et adapté à imposer à l’oxygène le traversant une pression inférieure à la pression de référence ; une pompe 3 disposée sur la ligne d’évacuation Led de sorte qu’en fonctionnement en dépression l’oxygène circule à partir de l’entrée Ed jusqu’à la sortie Sd, la pression d’oxygène à l’entrée Ce de la pile 2 étant en dépression vis-à-vis de la pression de référence. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

système electrochimique a pile à combustible adapte a fonctionner en depression
Le domaine de l’invention est celui des systèmes électrochimiques comportant une pile à combustible alimentée en air ainsi qu’un compresseur adapté à imposer un débit d’air dans la cathode de la pile à combustible.
Une pile à combustible comporte habituellement un empilement de cellules électrochimiques qui comprennent chacune une anode et une cathode séparées électriquement l’une de l’autre par un électrolyte, dans laquelle a lieu une réaction électrochimique entre deux réactifs qui sont introduits de manière continue. Dans le cas d’une pile à hydrogène, le combustible (l’hydrogène) est apporté au contact de l’anode, alors que le comburant (l’oxygène par exemple contenu dans de l’air) est amené au contact de la cathode. La réaction électrochimique est subdivisée en deux demi-réactions, l’une d’oxydation et l’autre de réduction, qui ont lieu respectivement à l’interface anode/électrolyte et à l’interface cathode/électrolyte. Pour avoir lieu, la réaction électrochimique requiert la présence d’un conducteur ionique entre les deux électrodes, à savoir l’électrolyte par exemple contenu dans une membrane polymère, et un conducteur électronique formé par le circuit électrique externe. L’empilement de cellules est ainsi le lieu de la réaction électrochimique : les réactifs y sont apportés, les produits et les espèces non réactives en sont évacués ainsi que la chaleur produite lors de la réaction.
Habituellement, l’air alimentant la cathode de la pile à combustible est en surpression, c’est-à-dire que sa pression à l’entrée cathodique est supérieure à la pression atmosphérique. En effet, il est connu que le rendement de la conversion électrochimique est d’autant plus élevé que la pression partielle d’oxygène est importante. Le fonctionnement en surpression permet donc d’obtenir de fortes densités de puissance. Aussi, un compresseur est disposé sur la ligne fluidique d’alimentation en air de la pile à combustible. Il permet ainsi de mettre l’air en surpression à l’entrée cathodique de la pile à combustible, tout en imposant un débit d’air entre l’entrée et la sortie d’air du système électrochimique.
A ce titre, la figure 1 illustre un exemple d’un tel système électrochimique 1 adapté à fonctionner en surpression. Il comporte une entrée Es et une sortie Ss d’air. Une ligne fluidique d’alimentation Las relie l’entrée Es au collecteur d’entrée cathodique Ce de la pile à combustible 2, et une ligne fluidique d’évacuation Les relie le collecteur de sortie Cs à la sortie Ss. Un compresseur 5 est disposé sur la ligne fluidique d’alimentation Las, et un régulateur de pression 4 est disposé sur la ligne fluidique d’évacuation Les. Ce régulateur de pression 4 permet de maintenir constante la pression à l’entrée cathodique Ce de la pile à combustible 2. Par ailleurs, un humidificateur 5 (par ex. à membrane) est habituellement disposé sur la ligne fluidique d’alimentation Las tout en étant raccordé à la ligne fluidique d’évacuation Les. Cependant, un tel système électrochimique est sujet à des phénomènes de dégradation des caractéristiques physico-chimiques de la pile à combustible, en particulier lorsqu’il génère une faible puissance électrique.
L’invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, et plus particulièrement de proposer un système électrochimique permettant de minimiser certains phénomènes de dégradation des caractéristiques physico-chimiques de la pile à combustible, en particulier lorsqu’il fonctionne à faible puissance électrique générée, voire d’autoriser une régénération de propriétés physico-chimiques de la pile à combustible du fait de la réversibilité de certains phénomènes de dégradation.
Pour cela, l’objet de l’invention est un système électrochimique adapté à fonctionner en dépression vis-à-vis d’une pression de référence, comportant :
  • une pile à combustible, comportant un entrée cathodique et une sortie cathodique adaptées à assurer un écoulement d’oxygène dans la pile à combustible ;
  • une première ligne fluidique d’alimentation, reliant une première entrée d’oxygène à la pression de référence à l’entrée cathodique ;
  • une première ligne fluidique d’évacuation, reliant la sortie cathodique à une première sortie ;
  • une pompe adaptée à imposer un débit d’oxygène dans les premières lignes fluidiques d’alimentation et d’évacuation.
Selon l’invention, le système électrochimique comporte un réducteur de pression, disposé sur la première ligne fluidique d’alimentation, et adapté à imposer à l’oxygène le traversant une pression inférieure à la pression de référence. De plus, la pompe est disposée sur la première ligne fluidique d’évacuation, de sorte qu’en fonctionnement en dépression, l’oxygène circule à partir de la première entrée jusqu’à la première sortie, la pression d’oxygène à l’entrée cathodique étant en dépression vis-à-vis de la pression de référence.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce système électrochimique sont les suivants.
Le réducteur de pression peut être, en outre, adapté à maintenir constante la pression d’air à l’entrée cathodique.
Le système électrochimique peut être adapté à commuter entre le fonctionnement en dépression et un fonctionnement dit en surpression vis-à-vis de la pression de référence. Il comporte alors :
  • une deuxième ligne fluidique d’alimentation, reliant une deuxième entrée d’oxygène à la pression de référence à l’entrée cathodique ;
  • une deuxième ligne fluidique d’évacuation, reliant la sortie cathodique à une deuxième sortie ;
  • un régulateur de pression, adapté à maintenir constante la pression d’oxygène à l’entrée cathodique, et disposé sur la deuxième ligne fluidique d’évacuation ;
  • la pompe étant adaptée à imposer un débit d’oxygène dans les deuxièmes lignes fluidiques d’alimentation et d’évacuation, et étant disposée sur la deuxième ligne fluidique d’alimentation ;
  • les deuxièmes lignes fluidiques d’alimentation et d’évacuation étant agencées de sorte qu’en fonctionnement en surpression, l’oxygène circule à partir de la deuxième entrée jusqu’à la deuxième sortie, la pression d’oxygène à l’entrée cathodique étant maintenue en surpression par rapport à la pression de référence.
La première entrée peut être distincte de la deuxième sortie, et la première sortie peut être distincte de la deuxième entrée.
Le réducteur de pression peut être distinct du régulateur de pression.
La première ligne fluidique d’alimentation et la deuxième ligne fluidique d’alimentation peuvent être raccordées à une même première ouverture de la pile à combustible formant le collecteur d’entrée ; et la première ligne fluidique d’évacuation et la deuxième ligne fluidique d’évacuation peuvent être raccordées à une même deuxième ouverture de la pile à combustible formant le collecteur de sortie.
La première ligne fluidique d’évacuation et la deuxième ligne fluidique d’alimentation peuvent être raccordées à une même première entrée de la pompe.
La première entrée et la deuxième sortie peuvent être confondues, et la première sortie et la deuxième entrée peuvent être distinctes.
La première ligne fluidique d’alimentation et la deuxième ligne fluidique d’évacuation peuvent être confondues et être raccordées à une même deuxième ouverture de la pile à combustible formant le collecteur d’entrée en mode dépression et formant le collecteur de sortie en mode surpression. La première ligne fluidique d’évacuation et la deuxième ligne fluidique d’évacuation peuvent être en partie distinctes, et être raccordées à une même première ouverture de la pile à combustible formant le collecteur de sortie en mode dépression et formant le collecteur d’entrée en mode surpression.
Le système électrochimique peut comporter une même pompe disposée sur la deuxième ligne fluidique d’alimentation et sur la première ligne d’évacuation ; ou comporter une première pompe disposée sur la deuxième ligne fluidique d’alimentation, et une deuxième pompe distincte de la première pompe et disposée sur la première ligne d’évacuation.
La première entrée et la deuxième sortie peuvent être confondues, et la première sortie et la deuxième entrée être confondues.
La première ligne fluidique d’évacuation et la deuxième ligne fluidique d’alimentation peuvent être confondues, et le système électrochimique peut comporter une même pompe.
Le réducteur de pression et le régulateur de pression peuvent être confondus.
La pompe peut être un compresseur.
L’invention porte également sur un procédé de fonctionnement du système électrochimique commutable selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant une mesure d’un paramètre d’intérêt représentatif de la pile à combustible, et une commutation entre :
  • une étape de fonctionnement en dépression lorsque le paramètre d’intérêt atteint une première valeur seuil prédéfinie ; et
  • une étape de fonctionnement en surpression lorsque le paramètre d’intérêt atteint une deuxième valeur seuil prédéfinie.
Le paramètre d’intérêt peut être un signal électrique représentatif de la puissance électrique générée par la pile à combustible ou de la tension électrique de la pile à combustible, ou être une durée de fonctionnement en dépression ou en surpression.
Le paramètre d’intérêt peut être représentatif de la puissance électrique générée par la pile à combustible, auquel cas il y a commutation entre : l’étape de fonctionnement en dépression lorsque le paramètre d’intérêt est inférieur ou égal à une valeur seuil prédéfinie ; et l’étape de fonctionnement en surpression lorsque le paramètre d’intérêt est supérieur à la valeur seuil prédéfinie.
Le paramètre d’intérêt peut être en outre représentatif d’une dégradation de propriétés physico-chimiques de la pile à combustible, auquel cas il y a commutation entre : l’étape de fonctionnement en dépression lorsque le paramètre d’intérêt atteint une première valeur seuil prédéfinie ; et l’étape de fonctionnement en surpression lorsque le paramètre d’intérêt atteint une deuxième valeur seuil prédéfinie ou lorsque une durée de fonctionnement en dépression est supérieure ou égale à une valeur seuil prédéfinie.
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1, déjà décrite, est une vue partielle et schématique d’un système électrochimique selon un exemple de l’art antérieur, dans lequel il est adapté à fonctionner en surpression ;
la figure 2 est une vue partielle et schématique d’un système électrochimique selon un premier mode de réalisation, dans lequel il est adapté à fonctionner en dépression ;
les figures 3A et 3B sont des vues partielles et schématiques d’un système électrochimique selon un deuxième mode de réalisation, dans lequel il est adapté à commuter entre les fonctionnements en dépression (fig.3A) et en surpression (fig.3B), et dans lequel il comporte des entrée et sortie d’air pour le fonctionnement en dépression distinctes des entrée et sortie d’air pour le fonctionnement en surpression ;
les figures 4A et 4B sont des vues partielles et schématiques de variantes du système électrochimique illustré sur les fig.3A, 3B, dans lesquelles le circuit fluidique est simplifié (fig.4A), et le réducteur de pression est simplifié et n’assure pas ici la régulation de la pression cathodique (fig.4B) ;
les figures 5A et 5B sont des vues partielles et schématiques d’un système électrochimique selon un troisième mode de réalisation, dans lequel il est adapté à commuter entre les fonctionnements en dépression (fig.5A) et en surpression (fig.5B), et dans lequel l’entrée d’air du fonctionnement en dépression est confondue avec la sortie d’air du fonctionnement en surpression ;
les figures 6A et 6B sont des vues partielles et schématiques d’une variante du système électrochimique illustré sur les fig.5A, 5B, adaptée à commuter entre les fonctionnements en dépression (fig.6A) et en surpression (fig.6B), et comportant deux compresseurs distincts ;
les figures 7A et 7B sont des vues partielles et schématiques d’un système électrochimique selon un quatrième mode de réalisation, dans lequel il est adapté à commuter entre les fonctionnements en dépression (fig.7A) et en surpression (fig.7B), et dans lequel l’entrée d’air du fonctionnement en dépression et la sortie d’air du fonctionnement en surpression sont confondues, et dans lequel l’entrée d’air du fonctionnement en surpression et la sortie d’air du fonctionnement en dépression sont confondues.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l’ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, les termes « compris entre … et … » et équivalents signifient que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.
L’invention porte sur un système électrochimique comportant une pile à combustible adapté à fonctionner en dépression, c’est-à-dire que le gaz comburant à l’entrée cathodique de la pile à combustible présente une pression inférieure à une pression de référence.
La pile à combustible est ici une pile à hydrogène : le gaz combustible est de l’hydrogène et le gaz comburant contient de l’oxygène. Il peut être de l’oxygène pur ou de l’air contenant de l’oxygène. Dans la suite de la description, on considérera que le gaz comburant est de l’air contenant de l’oxygène.
La pile à combustible comporte au moins une cellule électrochimique, et de préférence un empilement de cellules, chacune ayant un assemblage membrane électrodes. La membrane est un polymère solide qui forme un électrolyte. Les électrodes comportent chacune une couche active formée d’un catalyseur, de préférence du platine, disposé sur un support poreux électriquement conducteur, de préférence carboné, et d’un ionomère assurant la conductivité protonique.
Le gaz comburant à l’entrée du système électrochimique présente une pression de référence, qui peut être égale à la pression atmosphérique. Cette pression de référence est de préférence constante, que le système électrochimique fonctionne en dépression ou en suppression. De préférence, comme détaillé par la suite, le système électrochimique fonctionne en dépression lorsque la pile à combustible génère une faible puissance électrique, et, lorsqu’il est commutable entre des fonctionnements en dépression et en surpression, fonctionne en surpression lorsque la pile à combustible génère une puissance électrique d’une valeur supérieure à une valeur seuil prédéfinie.
La figure 2 illustre de manière schématique et partielle un système électrochimique 1 selon un premier mode de réalisation. Le système électrochimique 1 comportea minimaune pile à combustible 2 reliée à une entrée Ed et à une sortie Sd d’air par des lignes fluidiques, une pompe 3, ici un compresseur, et un réducteur de pression 6. D’une manière générale, une pompe est un dispositif adapté à aspirer et à refouler un fluide. Dans le cadre de l’invention, la pompe 3 est adaptée à imposer un débit d’oxygène dans les premières lignes fluidiques d’alimentation Lad et d’évacuation Led. La pompe peut, de préférence, être un compresseur ou être un éjecteur associé à une source de gaz comprimé.
La pile à combustible 2 comporte au moins une cellule électrochimique, et ici un empilement de cellules électrochimiques (non représentées). Chaque cellule comporte une anode et une cathode séparées l’une de l’autre par une membrane électrolytique, cet ensemble formant un assemblage membrane électrodes (AME). L’anode, la membrane et la cathode sont des éléments classiques connus de l’homme du métier et ne sont donc pas décrites en détail.
Chaque assemblage AME est séparé de celui des cellules adjacentes par des plaques bipolaires, adaptées à amener les espèces réactives à l’anode d’une première cellule d’une part et à la cathode d’une cellule adjacente d’autre part, et à évacuer les produits issus des réactions électrochimiques et les espèces non réactives, ainsi qu’à transmettre le courant électrique entre les cellules. Elle peut également assurer l’écoulement d’un fluide caloporteur entre les cellules de manière à permettre l’évacuation de la chaleur produite.
La pile à combustible 2 comporte deux collecteurs d’entrée distincts, l’un anodique et l’autre cathodique, destinés à assurer l’injection fluidique des gaz d’alimentation jusqu’aux cellules, et deux collecteurs de sorties distincts correspondants, permettant d’évacuer les gaz d’alimentation non réagis et des espèces non réactives hors des cellules électrochimiques et de la pile à combustible 2. Ainsi, l’air est injecté dans la pile à combustible 2 par le collecteur d’entrée cathodique Ce qui l’amène jusqu’aux cellules électrochimiques. L’air en excès et les espèces non réactives sont ensuite évacués par le collecteur de sortie Cs correspondant.
La pile à combustible 2 est alimentée en oxygène, ici en air, à partir d’une entrée Ed fournissant de l’air à une pression de référence, ici à la pression atmosphérique. Celle-ci est reliée au collecteur d’entrée cathodique Ce par une ligne fluidique d’alimentation Lad. Le collecteur de sortie cathodique Cs est relié à la sortie Sd par une ligne fluidique d’évacuation Led. De préférence, un humidificateur 5 est disposé sur la ligne fluidique d’alimentation Lad, et ici sur la ligne fluidique d’évacuation Led de manière à augmenter l’humidité de l’air entrant à la cathode de la pile à combustible 2.
La pile à combustible 2 peut être connectée à une charge électrique (non représentée) adaptée à imposer à la pile à combustible 2 un signal de commande correspondant à la valeur du courant électrique à fournir. La pile à combustible 2 fonctionne alors en régime dit de courant imposé. A titre illustratif, la charge électrique peut être un moteur électrique, une batterie électrique, un supercondensateur ou autre. Ainsi, la densité de courant électrique générée par la pile à combustible 2 dépend de la demande de la charge électrique, et la tension électrique prend une valeur définie par la courbe de polarisation correspondante. La courbe de polarisation exprime l’évolution de la tension électrique en fonction de la densité de courant d’une cellule électrochimique. Une telle courbe est fonction des caractéristiques physico-chimiques intrinsèques de la cellule électrochimique et des conditions opératoires.
Le réducteur de pression 6 est disposé sur la ligne fluidique d’alimentation Lad, entre l’entrée Ed et le collecteur d’entrée Ce, et ici en amont de l’humidificateur 5. Il est adapté à diminuer la pression de l’air le traversant. Ainsi, en amont du réducteur de pression 6, l’air est à la pression de référence (ici la pression atmosphérique), moyennant les pertes de charge associées au conduit de la ligne fluidique d’alimentation Lad, et l’air en aval, et notamment à l’entrée cathodique Ce, est à une pression inférieure à la pression de référence. Il est donc en dépression.
Le réducteur de pression 6 peut en outre être adapté à réguler la pression aval, en particulier la pression à l’entrée cathodique de la pile à combustible 2, pour la maintenir constante, et de préférence pour maintenir la tension électrique des cellules électrochimiques de la pile à combustible 2 à une valeur inférieure ou égale à 0.8V, et de préférence comprise entre 0.7V et 0.8V. En variante, une valeur de tension électrique des cellules électrochimiques de la pile à combustible 2 inférieure à 0.7 V, représentative d’une pénurie d’oxygène encore plus prononcée, peut également être avantageuse dans la mesure où elle peut permettre la régénération de la couche active cathodique par la réversibilité de certains phénomènes de dégradation, comme notamment l’oxydation du platine. Le réducteur de pression 6 peut être un détendeur.
La pompe 3, dans cet exemple un compresseur, est disposée sur la ligne fluidique d’évacuation Led, entre le collecteur de sortie Cs et la sortie Ss. Elle impose un débit d’air entre l’entrée Ed et la sortie Sd. Le fait qu’elle augmente ou diminue le débit d’air la traversant n’a pas ici de conséquence sur la pression de l’air dans la pile à combustible 2 qui est contrôlée/imposée par le réducteur de pression 6.
Ainsi, le système électrochimique 1 selon le premier mode de réalisation est adapté à fonctionner en dépression, dans le sens où le gaz comburant (ici de l’air) à l’entrée cathodique de la pile à combustible 2 présente une pression inférieure à la pression de référence, ici une pression inférieure à la pression atmosphérique.
Ce mode de fonctionnement en dépression permet de limiter la dégradation des caractéristiques physico-chimiques de la pile à combustible 2, dégradation issue de phénomènes de dégradation réversible ou irréversible, en particulier lorsque la pile à combustible 2 fonctionne à faible puissance électrique générée, par exemple lorsque la densité de courant électrique demandée à chaque cellule électrochimique est faible, par exemple inférieure ou égale à 0.2 A/cm2environ. En effet, dans ce cas de figure, la tension électrique peut alors être élevée, par exemple de l’ordre de 0.8V ou davantage, et des phénomènes notamment de corrosion du support carboné de la couche active et d’oxydation du platine peuvent avoir lieu.
La corrosion du support carboné de la couche active est un phénomène de dégradation irréversible qui peut conduire à une perte du catalyseur du fait de la détérioration de son support. Cette réaction chimique a lieu en présence de carbone, d’oxygène et de vapeur d’eau. Elle s’accélère avec l’augmentation de la pression d’oxygène au contact des sites catalytiques et devient prépondérante pour un potentiel de pile supérieur à 0.8V. Par ailleurs, l’oxydation du platine est un phénomène de dégradation réversible qui conduit à une réduction de la surface des sites actifs. Il apparaît que la diminution de la concentration d’oxygène à la cathode permet de réduire la cinétique de ces réactions chimiques, et ainsi permet de limiter la dégradation des caractéristiques physico-chimiques de la pile à combustible 2, et donc de préserver les performances du système électrochimique 1.
Aussi, dans la mesure où l’air à l’entrée cathodique est en dépression, la pression partielle d’oxygène, et donc la concentration d’oxygène, est diminuée par rapport à sa valeur dans le cas d’un fonctionnement du système électrochimique 1 à la pression de référence ou en surpression. Cette diminution de la concentration d’oxygène à la cathode de la pile à combustible 2 permet ainsi, lorsque la pile à combustible 2 fonctionne à faible puissance électrique générée et en particulier à faible densité de courant générée, de réduire la cinétique des phénomènes de corrosion du support carboné et d’oxydation du platine, et de dissolution/redéposition du platine (conséquence de la corrosion du carbone et de l’oxydation du platine).
Une telle situation où la pile à combustible 2 fonctionne à faible puissance électrique générée, et en particulier à faible densité de courant générée, se trouve notamment lorsque le système électrochimique 1 est enstandby, c’est-à-dire que la pile à combustible 2 fournit un courant électrique dont la valeur permet de faire fonctionner essentiellement les organes du système électrochimique 1 tels que le compresseur 3, des vannes, une pompe etc…
Les figures 3A et 3B illustrent schématiquement et partiellement un système électrochimique 1 selon un deuxième mode de réalisation, dans lequel il est apte à commuter entre un fonctionnement en dépression (fig.3A) et un fonctionnement en surpression (fig.3B). Le système électrochimique 1 est alors dit commutable.
En fonctionnement, le système électrochimique 1 est alors apte à commuter entre les fonctionnements en dépression et en surpression en fonction d’une valeur seuil prédéterminée de la puissance électrique, ou d’un paramètre équivalent, par exemple la densité de courant électrique ou la tension de pile. Ainsi, lorsque la puissance électrique générée est inférieure ou égale à une valeur seuil, par exemple est inférieure ou égale de 10% ou 20% de la puissance électrique nominale, le système électrochimique 1 commute dans le fonctionnement en dépression, et lorsqu’elle est supérieure à cette valeur seuil, le système électrochimique 1 commute dans le fonctionnement en surpression. A titre illustratif, la commutation peut être effectuée selon que la densité de courant électrique est inférieure ou supérieure à une valeur de l’ordre de 0.2A/cm2, et/ou que la tension électrique des cellules (ou tension moyenne) est supérieure ou égale à 0.8V.
Le système électrochimique commutable 1 comporte ici des premières entrée Ed et sortie Sd d’air pour le fonctionnement en dépression, et des deuxièmes entrée Es et sortie Ss d’air pour le fonctionnement en surpression. Dans ce deuxième mode de réalisation illustré sur les fig.3A et 3B, les premières entrée et sortie Ed, Sd sont distinctes des deuxièmes entrée et sortie Es, Ss.
Il comporte également des premières lignes fluidiques d’alimentation Lad et d’évacuation Led pour le fonctionnement en dépression, et des deuxièmes lignes fluidiques Las d’alimentation et d’évacuation Les pour le fonctionnement en surpression. Plus précisément, les lignes fluidiques d’alimentation Lad et Las relient respectivement l’entrée Ed et l’entrée Es au collecteur d’entrée Ce, et les lignes fluidiques d’évacuation Led et Les relient le collecteur de sortie Cs à, respectivement, la sortie Sd et la sortie Ss. Ici, le collecteur d’entrée Ce correspond à la même ouverture de la pile à combustible 2, quel que soit le type de fonctionnement (dépression ou surpression). Il en est de même pour le collecteur de sortie Cs.
Les premières lignes fluidiques Lad et Led sont chacune au moins en partie distinctes des deuxièmes lignes fluidiques Las et Les. De plus, les lignes fluidiques d’alimentation Lad et Las comportent chacune une partie propre et une partie commune entre elles. Les parties propres s’étendent respectivement entre l’entrée Es et l’entrée Ed et une vanne trois voies 7.1, et la partie commune s’étend de la vanne trois voies 7.1 jusqu’au collecteur d’entrée Ce.
Le système électrochimique commutable 1 comporte ici un réducteur de pression 6 disposé sur la partie propre de la ligne fluidique d’alimentation Lad, donc entre l’entrée Ed et la vanne trois voies 7.1 ; et un compresseur 3 disposé sur une partie commune de la ligne fluidique d’évacuation Led et de la ligne fluidique d’alimentation Las, entre une vanne trois voies 7.2 et une vanne trois voies 7.3. Il comporte également un régulateur de pression 4, lequel est disposé ici sur la ligne fluidique d’évacuation Les, ici sur une partie commune des lignes fluidiques d’évacuation Les et Led, mais il peut être situé sur la partie de la ligne d’évacuation Les qui est distincte de la ligne Led (par ex. entre Ss et la vanne 8). Dans ce mode de réalisation, le réducteur de pression 6 est distinct du régulateur de pression 4. Par ailleurs, un humidificateur 5 est disposé sur la partie commune des lignes fluidiques d’alimentation Lad et Las et sur une partie commune des lignes fluidiques d’évacuation Led et Les.
Autrement dit, la ligne fluidique d’alimentation Lad comporte, dans le sens allant de l’entrée Ed au collecteur d’entrée Ce, le réducteur de pression 6, la vanne trois voies 7.1, et l’humidificateur 5. La ligne fluidique d’alimentation Las comporte, dans le sens allant de l’entrée Es au collecteur d’entrée Ce, une vanne trois voies 7.2, le compresseur 3, une vannée trois voies 7.3, la vanne trois voies 7.1, et l’humidificateur 5. La ligne fluidique d’évacuation Led comporte, dans le sens allant du collecteur de sortie Cs vers la sortie Sd, l’humidificateur 5, le régulateur de pression 4, la vanne trois voies 7.2, le compresseur 3, et la vanne trois voies 7.3. La ligne fluidique d’évacuation Les comporte, dans le sens allant du collecteur de sortie Cs vers la sortie Ss, l’humidificateur 5, le régulateur de pression 4, et une vanne simple 8.
Aussi, il en ressort de cette configuration fluidique que l’écoulement d’air au sein de la pile à combustible 2 ne change pas de sens selon que le système électrochimique 1 fonctionne en dépression (fig.3A) ou en surpression (3B). De plus, l’écoulement d’air dans le compresseur 3 garde également le même sens. Ceci a pour avantage, par rapport à un mode inversé, d’accélérer la phase de transition jusqu’à l’obtention du niveau dépression cible dans la pile à combustible.
En référence à la fig.3A, lorsque le système électrochimique 1 fonctionne en dépression, ici lorsque la pile à combustible 2 fonctionne à faible puissance électrique générée, par exemple en régime de courant imposé avec une faible densité de courant électrique générée, l’air à la pression de référence (ici la pression atmosphérique) entre dans la ligne fluidique d’alimentation Lad par l’entrée Ed. Il traverse le réducteur de pression 6 (qui maintient en outre la pression à l’entrée cathodique Ce de la pile à combustible 2), et présente en sortie une pression prédéfinie inférieure à la pression atmosphérique. Il est alors en dépression. Il traverse ensuite la vanne 7.1 qui l’oriente vers l’humidificateur 5 puis vers le collecteur d’entrée Ce. Après avoir traversé la pile à combustible 2, l’air appauvri en oxygène s’écoule à partir du collecteur de sortie Cs, traverse l’humidificateur 5, puis le régulateur de pression 4 qui ici est totalement ouvert, c’est-à-dire passant et ne contrôle pas la pression puisque que cette fonction de régulation de pression est assurée par le réducteur de pression 6, rejoint la vanne 7.2 dans la mesure où la vanne 8 est fermée, traverse le compresseur 3, puis la vanne 7.3 qui oriente l’air jusqu’à la sortie Sd. Ainsi, l’air étant en dépression à la cathode de la pile à combustible 2, la concentration en oxygène est réduite, ce qui contribue à limiter les phénomènes de dégradation mentionnés précédemment.
En référence à la fig.3B, lorsque le système électrochimique 1 fonctionne en surpression, c’est-à-dire ici lorsque la pile à combustible 2 fournit une puissance électrique supérieure à celle requise pour un fonctionnement en dépression, l’air à la pression de référence (ici la pression atmosphérique) entre par l’entrée Es dans la ligne fluidique d’alimentation Las. Il traverse la vanne 7.2 puis le compresseur 3 qui augmente la pression de l’air. La pression de sortie est alors en surpression. Il traverse ensuite la vanne 7.3 puis la vanne 7.1, l’humidificateur 5 puis rejoint le collecteur d’entrée Ce. Après avoir traversé la pile à combustible 2, l’air s’écoule à partir du collecteur de sortie Cs, traverse l’humidificateur 5, puis le régulateur de pression 4 qui ici maintient constante la pression à l’entrée cathodique de la pile à combustible 2, et rejoint la sortie Ss via la vanne 8. Ainsi, par le fait que l’air à l’entrée cathodique de la pile à combustible 2 est en surpression, on accroît la puissance électrique maximale délivrée par l’empilement de cellules électrochimiques. Le système électrochimique 1 présente ainsi une configuration simple permettant une commutation entre des fonctionnements en dépression et en surpression, ce qui permet d’optimiser les performances électrochimiques (en surpression) et de minimiser les dégradations des caractéristiques physico-chimiques de la pile à combustible 2 (en dépression). Notons par ailleurs que le fonctionnement en dépression permet d’accélérer la vitesse des gaz et favorise l’évacuation de l’eau des cellules électrochimiques, ce qui contribue également à réduire la cinétique chimique de la corrosion du support carboné (laquelle nécessite la présence d’eau).
Le système électrochimique 1 peut comporter un contrôleur (non représenté), connecté à la charge électrique, ainsi qu’aux vannes 7 (i.e. les vannes 7.1, 7.2, 7.3) et 8. Il mesure par exemple le courant électrique imposé à la pile à combustible 2 et le compare à la valeur seuil prédéfinie, par exemple à 0.2A/cm2. Il est alors adapté à assurer la commutation du système électrochimique 1 du fonctionnement en dépression au fonctionnement en surpression, et inversement, selon que le courant électrique mesuré est supérieur ou inférieur à une valeur seuil prédéfinie.
Notons par ailleurs, que la commutation entre les fonctionnements en dépression et en surpression, c’est-à-dire la fermeture/ouverture des vannes 7, 8, n’est pas immédiate, et peut alors se traduire par un régime transitoire de quelques secondes dans laquelle la pile à combustible 2 n’est pas alimentée en gaz comburant, ou est sous-alimentée. Cette pénurie d’oxygène peut être avantageuse dans la mesure où elle peut permettre la régénération de la couche active cathodique par la réversibilité de certains phénomènes de dégradation, comme notamment l’oxydation du platine.
Par ailleurs, pour limiter l’impact de la pénurie d’oxygène sur la puissance électrique générée, le système électrochimique 1 comporte avantageusement une source électrique complémentaire, telle qu’une batterie ou un supercondensateur, par exemple connectée en parallèle de la pile à combustible 2, et adaptée à suppléer à la pile à combustible 2 en cas de diminution brusque et momentanée de la puissance électrique générée par cette dernière. Différentes architectures électriques sont possibles de la pile à combustible 2 alors hybridée à la source électrique complémentaire.
Par ailleurs, en cas d’oscillations et de forte dynamique de la sollicitation en puissance du système électrochimique 1, le contrôleur peut prévoir une temporisation, par exemple d’une dizaine de secondes, pour éviter une commutation intempestive ou trop fréquente. De plus, toujours pour éviter les commutations intempestives, il est préférable que la consommation électrique des éléments auxiliaires du système électrochimique 1 (vannes, régulateur de pression, réducteur de pression 6…) en fonctionnement en dépression soit inférieure à celle des éléments auxiliaires en fonctionnement en surpression.
La figure 4A illustre de manière schématique et partielle un système électrochimique 1 selon une variante du deuxième mode de réalisation, dans le cas d’un fonctionnement en dépression (le fonctionnement en surpression n’est pas décrit en détail mais se déduit aisément de la fig.3B et de la fig.4B). Dans cet exemple, la vanne 8 est absente et est remplacée par le régulateur de pression 4. Celui-ci est alors adapté à bloquer ou autoriser l’écoulement d’air, selon que le système électrochimique 1 fonctionne respectivement en dépression (fig.4A) ou en surpression (fig.4B). Il peut être ici connecté au contrôleur mentionné précédemment. Par ailleurs, la vanne 7.3 est omise et la vanne 7.1 est remplacée par une vanne quatre voies 9 qui comporte une entrée raccordée au compresseur 3, une entrée raccordée au réducteur de pression 6, une sortie raccordée à la sortie Sd et une sortie raccordée à l’humidificateur 5. Ainsi, en fonctionnement en dépression, la vanne quatre voies 9 reçoit l’air provenant du réducteur de pression 6 et l’oriente vers l’humidificateur 5. Par ailleurs, elle reçoit également l’air provenant du compresseur 3 et l’oriente vers la sortie Sd. En fonctionnement en surpression, comme l’indique la fig.4B, la vanne quatre voies 9 est fermée dans son raccord avec le réducteur de pression 6 et dans son raccord avec la sortie Sd. En revanche, elle reçoit l’air provenant du compresseur 3 et l’oriente vers l’humidificateur 5.
La figure 4B illustre de manière schématique et partielle un système électrochimique 1 selon une autre variante du deuxième mode de réalisation, dans le cas d’un fonctionnement en surpression (le fonctionnement en dépression n’est pas décrit en détail mais se déduit aisément de la fig.3A et de la fig.4A). Dans cet exemple, le réducteur de pression 6 n’est pas un détendeur ou un organe équivalent adapté à réguler la pression aval, mais un conduit fluidique induisant une perte de charge prédéfinie. Ainsi, en fonctionnement en dépression, la pression de l’air en sortie du réducteur de pression 6 est inférieure à la pression atmosphérique de l’air entrant d’une constante prédéfinie. L’air est alors effectivement en dépression à l’entrée cathodique de la pile à combustible 2. Cette variante de réalisation peut être choisie notamment lorsque le débit d’air dans les lignes fluidiques est constant ou quasi constant, de manière à induire dans le réducteur de pression 6, une perte de charge de valeur également constante ou quasi constante. Celle-ci est de préférence prédéfinie de manière à maintenir une tension électrique de la pile à combustible 2 à une valeur inférieure ou égale à 0.8V, et de préférence comprise entre 0.7V et 0.8V. Cependant, en variante, une valeur de tension électrique de cellules de la pile à combustible 2 inférieures à 0.7 V, représentative d’une pénurie d’oxygène encore plus prononcée, peut également être avantageuse dans la mesure où elle peut permettre la régénération de la couche active cathodique par la réversibilité de certains phénomènes de dégradation, comme notamment l’oxydation du platine. La vanne quatre voies 9 présente un fonctionnement identique à celui décrit en référence à la fig.4A.
Les figures 5A et 5B illustrent schématiquement et partiellement un système électrochimique 1 selon un troisième mode de réalisation, dans lequel il est également apte à commuter entre un fonctionnement en dépression (fig.5A) et un fonctionnement en surpression (fig.5B).
Le système électrochimique commutable 1 selon ce mode de réalisation se distingue de celui illustré sur les fig.3A et 3B essentiellement en ce que l’entrée Ed est confondue avec la sortie Ss. En revanche, l’entrée Es est distincte de la sortie Sd. Il en ressort que la ligne fluidique d’alimentation Lad est confondue avec la ligne fluidique d’évacuation Les. En revanche, la ligne fluidique d’alimentation Las est au moins en partie distincte de la ligne fluidique d’évacuation Led.
La ligne fluidique Lad, Les relie l’entrée Ed et la sortie Ss à une deuxième ouverture de la pile à combustible qui joue le rôle de collecteur d’entrée Ce lors du fonctionnement en dépression et de collecteur de sortie Cs lors du fonctionnement en surpression. Elle comporte un réducteur/régulateur de pression 6 qui est adapté à réduire la pression et à réguler la pression aval lors du fonctionnement en dépression, et à réguler la pression amont lors du fonctionnement en surpression.
Par ailleurs, la ligne fluidique d’alimentation Las relie l’entrée Es à une première ouverture de la pile à combustible qui joue le rôle de collecteur d’entrée Ce lors du fonctionnement en surpression et de collecteur de sortie Cs lors du fonctionnement en dépression. Elle comporte, à partir de l’entrée Es, une vanne trois voies 7.5 qui comporte une entrée raccordée à une vanne trois voies 7.4, le compresseur 3, une vanne trois voies 7.3 qui comporte une sortie raccordée à la sortie Sd, et la vanne trois voies 7.4 qui comporte une sortie raccordée à la vanne 7.5. En variante, les vannes 7.3 et 7.4 peuvent ne former qu’une seule vanne quatre voies.
Dans cette configuration, la pile à combustible 2 change de sens d’écoulement d’air lors de la commutation entre les fonctionnements en dépression (fig.5A) et en surpression (fig.5B), alors que le compresseur 3 ne change pas de sens.
Les figures 6A et 6B illustrent de manière schématique et partielle un système électrochimique 1 selon une variante du troisième mode de réalisation, en fonctionnement en dépression (fig.6A) et en surpression (fig.6B). Dans cet exemple, le système électrochimique 1 se distingue de celui illustré sur les fig.5A et 5B essentiellement en ce qu’il comporte deux compresseurs distincts 3.1, 3.2. Un premier compresseur 3.1 est situé sur la ligne fluidique d’alimentation Las, entre l’entrée Es et une vanne trois voies V3 raccordée à la première ouverture. Le deuxième compresseur 3.2 est situé sur la ligne fluidique d’évacuation Led, entre la vanne V3 et la sortie Sd.
En référence à la fig.6A, la ligne fluidique d’évacuation Led comporte, à partir du collecteur de sortie Cs, l’humidificateur 5, une vanne trois voies 7.6, et le compresseur 3.2, et rejoint la sortie Sd. En référence à la fig.6B, la ligne fluidique d’alimentation Las comporte, à partir de l’entrée Es, le compresseur 3.1, la vanne trois voies 7.6, l’humidificateur 5, et rejoint le collecteur d’entrée Ce. Ainsi, l’écoulement d’air dans la pile à combustible 2 change de sens avec la commutation entre les fonctionnements en dépression et en surpression ; en revanche, le sens d’écoulement d’air dans les compresseurs 3.1, 3.2 reste le même.
Les figures 7A et 7B illustrent schématiquement et partiellement un système électrochimique 1 selon un quatrième mode de réalisation, dans lequel il est apte à commuter entre un fonctionnement en dépression (fig.3A) et un fonctionnement en surpression (fig.3B).
Le système électrochimique commutable 1 se distingue de celui illustré sur les figures 5A et 5B essentiellement en ce que l’entrée Ed est confondue avec la sortie Ss, et l’entrée Es est confondue avec la sortie Sd.
Il en ressort que la ligne fluidique d’alimentation Lad est confondue avec la ligne fluidique d’évacuation Les, et que la ligne fluidique d’alimentation Las est également confondue avec la ligne fluidique d’évacuation Sed.
Le régulateur de pression et le réducteur de pression 6 sont un même élément, disposé sur la ligne fluidique Lad, Les. Un seul compresseur 3 est ici présent, disposé sur la ligne fluidique Las, Led.
Dans cette configuration, la pile à combustible 2 ainsi que le compresseur 3 change de sens d’écoulement d’air lors de la commutation entre les fonctionnements en dépression (fig.5A) et en surpression (fig.5B), tout comme le compresseur 3.
Des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l’homme du métier.
Ainsi, comme indiqué précédemment, la commutation peut être effectuée selon que la densité de courant électrique est inférieure ou supérieure à une valeur de l’ordre de 0.2A/cm2, et/ou que la tension électrique des cellules (ou tension moyenne) est supérieure ou égale à 0.8V. La commutation dépend ainsi de la valeur d’un paramètre d’intérêt, qui peut être représentatif de la puissance électrique générée par la pile à combustible, de la densité de courant ou de la tension électrique. Ce paramètre d’intérêt peut également être une durée de fonctionnement dans le régime en surpression ou en dépression. Il peut également être représentatif d’une dégradation de propriétés physico-chimiques de la pile à combustible. Ainsi, il peut y avoir commutation dans le régime en dépression lorsque la tension électrique des cellules (ou tension moyenne) est inférieure de 30 mV par rapport à celle non dégradée ou régénérée, de manière à assurer une régénération de propriétés physico-chimiques de la pile à combustible, notamment de l’oxydation du platine (phénomène réversible). Il peut ensuite y avoir commutation dans le régime en surpression notamment lorsque la durée de fonctionnement de la pile à combustible dans le régime en dépression atteint une valeur prédéfinie.

Claims (18)

  1. Système électrochimique (1), adapté à fonctionner en dépression vis-à-vis d’une pression de référence, comportant :
    • une pile à combustible (2), comportant un entrée cathodique (Ce) et une sortie cathodique (Cs) adaptées à assurer un écoulement d’oxygène dans la pile à combustible (2) ;
    • une première ligne fluidique d’alimentation (Lad), reliant une première entrée (Ed) d’oxygène à la pression de référence à l’entrée cathodique (Ce) ;
    • une première ligne fluidique d’évacuation (Led), reliant la sortie cathodique (Cs) à une première sortie (Sd) ;
    • une pompe (3) adaptée à imposer un débit d’oxygène dans les premières lignes fluidiques d’alimentation (Lad) et d’évacuation (Led) ;
    • caractérisé en ce que :
      • il comporte un réducteur de pression (6), disposé sur la première ligne fluidique d’alimentation (Lad), et adapté à imposer à l’oxygène le traversant une pression inférieure à la pression de référence ;
      • la pompe (3) étant disposée sur la première ligne fluidique d’évacuation (Led), de sorte qu’en fonctionnement en dépression, l’oxygène circule à partir de la première entrée (Ed) jusqu’à la première sortie (Sd), la pression d’oxygène à l’entrée cathodique (Ce) étant en dépression vis-à-vis de la pression de référence.
  2. Système électrochimique (1) selon la revendication 1, dans lequel le réducteur de pression (6) est en outre adapté à maintenir constante la pression d’air à l’entrée cathodique (Ce).
  3. Système électrochimique (1) selon la revendication 1 ou 2, adapté à commuter entre le fonctionnement en dépression et un fonctionnement dit en surpression vis-à-vis de la pression de référence, comportant :
    • une deuxième ligne fluidique d’alimentation (Las), reliant une deuxième entrée (Es) d’oxygène à la pression de référence à l’entrée cathodique (Ce) ;
    • une deuxième ligne fluidique d’évacuation (Les), reliant la sortie cathodique (Cs) à une deuxième sortie (Ss) ;
    • un régulateur de pression (4), adapté à maintenir constante la pression d’oxygène à l’entrée cathodique (Ce), et disposé sur la deuxième ligne fluidique d’évacuation (Les) ;
    • la pompe (3) étant adaptée à imposer un débit d’oxygène dans les deuxièmes lignes fluidiques d’alimentation (Las) et d’évacuation (Les), et étant disposée sur la deuxième ligne fluidique d’alimentation (Las) ;
      • les deuxièmes lignes fluidiques d’alimentation (Las) et d’évacuation (Les) étant agencées de sorte qu’en fonctionnement en surpression, l’oxygène circule à partir de la deuxième entrée (Es) jusqu’à la deuxième sortie (Ss), la pression d’oxygène à l’entrée cathodique (Ce) étant maintenue en surpression par rapport à la pression de référence.
  4. Système électrochimique (1) selon la revendication 3, dans lequel la première entrée (Ed) est distincte de la deuxième sortie (Ss), et la première sortie (Sd) est distincte de la deuxième entrée (Es).
  5. Système électrochimique (1) selon la revendication 4, dans lequel le réducteur de pression (6) est distinct du régulateur de pression (4).
  6. Système électrochimique (1) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la première ligne fluidique d’alimentation (Lad) et la deuxième ligne fluidique d’alimentation (Las) sont raccordées à une même première ouverture de la pile à combustible (2) formant le collecteur d’entrée (Ce) ; et dans lequel la première ligne fluidique d’évacuation (Led) et la deuxième ligne fluidique d’évacuation (Les) sont raccordées à une même deuxième ouverture de la pile à combustible (2) formant le collecteur de sortie (Cs).
  7. Système électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la première ligne fluidique d’évacuation (Led) et la deuxième ligne fluidique d’alimentation (Las) sont raccordées à une même première entrée de la pompe (3).
  8. Système électrochimique (1) selon la revendication 3, dans lequel la première entrée (Ed) et la deuxième sortie (Ss) sont confondues, et la première sortie (Sd) et la deuxième entrée (Es) sont distinctes.
  9. Système électrochimique (1) selon la revendication 8, dans lequel la première ligne fluidique d’alimentation (Lad) et la deuxième ligne fluidique d’évacuation (Les) sont confondues et sont raccordées à une même deuxième ouverture de la pile à combustible (2) formant le collecteur d’entrée (Ce) en mode dépression et formant le collecteur de sortie (Cs) en mode surpression ; et dans lequel la première ligne fluidique d’évacuation (Led) et la deuxième ligne fluidique d’évacuation (Les) sont en partie distinctes, et sont raccordées à une même première ouverture de la pile à combustible (2) formant le collecteur de sortie (Cs) en mode dépression et formant le collecteur d’entrée (Ce) en mode surpression.
  10. Système électrochimique (1) selon la revendication 8 ou 9, comportant une même pompe (3) disposée sur la deuxième ligne fluidique d’alimentation (Las) et sur la première ligne d’évacuation (Led) ; ou comportant une première pompe (3.1) disposée sur la deuxième ligne fluidique d’alimentation (Las), et une deuxième pompe (3.2) distincte de la première pompe (3.1) et disposée sur la première ligne d’évacuation (Led).
  11. Système électrochimique (1) selon la revendication 3, dans lequel la première entrée (Ed) et la deuxième sortie (Ss) sont confondues, et la première sortie (Sd) et la deuxième entrée (Es) sont confondues.
  12. Système électrochimique (1) selon la revendication 11, dans lequel la première ligne fluidique d’évacuation (Led) et la deuxième ligne fluidique d’alimentation (Las) sont confondues, et comporte une même pompe (3).
  13. Système électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel le réducteur de pression (6) et le régulateur de pression (4) sont confondus.
  14. Système électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel la pompe (3) est un compresseur.
  15. Procédé de fonctionnement du système électrochimique commutable selon l’une quelconque des revendications 2 à 14, comportant une mesure d’un paramètre d’intérêt représentatif de la pile à combustible (2), et une commutation entre :
    • une étape de fonctionnement en dépression lorsque le paramètre d’intérêt atteint une première valeur seuil prédéfinie ; et
    • une étape de fonctionnement en surpression lorsque le paramètre d’intérêt atteint une deuxième valeur seuil prédéfinie.
  16. Procédé de fonctionnement selon la revendication 15, dans lequel le paramètre d’intérêt est un signal électrique représentatif de la puissance électrique générée par la pile à combustible (2) ou de la tension électrique de la pile à combustible (2), ou est une durée de fonctionnement en dépression ou en surpression.
  17. Procédé de fonctionnement selon la revendication 15 ou 16, dans lequel le paramètre d’intérêt est représentatif de la puissance électrique générée par la pile à combustible (2), auquel cas il y a commutation entre : l’étape de fonctionnement en dépression lorsque le paramètre d’intérêt est inférieur ou égal à une valeur seuil prédéfinie ; et l’étape de fonctionnement en surpression lorsque le paramètre d’intérêt est supérieur à la valeur seuil prédéfinie.
  18. Procédé de fonctionnement selon l’une quelconque des revendications 15 à 17, dans lequel le paramètre d’intérêt est en outre représentatif d’une dégradation de propriétés physico-chimiques de la pile à combustible, auquel cas il y a commutation entre : l’étape de fonctionnement en dépression lorsque le paramètre d’intérêt atteint une première valeur seuil prédéfinie ; et l’étape de fonctionnement en surpression lorsque le paramètre d’intérêt atteint une deuxième valeur seuil prédéfinie ou lorsque une durée de fonctionnement en dépression est supérieure ou égale à une valeur seuil prédéfinie.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001185181A (ja) * 1999-12-28 2001-07-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 発電装置
US20020034669A1 (en) * 2000-07-18 2002-03-21 Tomoki Kobayashi Gas-supplying apparatus for fuel cell
US20100221642A1 (en) * 2007-09-27 2010-09-02 Airbus Operations Gmbh Fuel cell system with suction operation for an aircraft

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001185181A (ja) * 1999-12-28 2001-07-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 発電装置
US20020034669A1 (en) * 2000-07-18 2002-03-21 Tomoki Kobayashi Gas-supplying apparatus for fuel cell
US20100221642A1 (en) * 2007-09-27 2010-09-02 Airbus Operations Gmbh Fuel cell system with suction operation for an aircraft

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