FR3118322A1 - Dispositif de purge de compartiment anodique d'une pile a combustible - Google Patents

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Abstract

Dispositif de purge de compartiment anodique d’une pile à combustible L’invention concerne un dispositif de purge de compartiment anodique d’une cellule électrochimique d’une pile à combustible, comportant un volume tampon de récupération de rejets de fluide compartiment anodique, un premier clapet anti-retour connecté à une entrée du compartiment anodique et un deuxième clapet anti-retour connecté à une sortie du compartiment anodique. Dans ce dispositif, le volume tampon (26), le premier clapet anti-retour (28) et le deuxième clapet anti-retour (30) sont intégrés dans un seul bloc monolithique, ledit bloc comportant une première sortie (36) associée audit premier clapet anti-retour (28) et une première entrée (38) associée audit deuxième clapet anti-retour (30). Figure pour l'abrégé : figure 2

Description

Dispositif de purge de compartiment anodique d’une pile à combustible
La présente invention concerne un dispositif de purge de compartiment anodique d’une cellule électrochimique de pile à combustible.
L’invention se situe dans le domaine des piles à combustibles, qui sont des convertisseurs d’énergie chimique en énergie électrique, utilisées dans divers secteurs, par exemple dans l’alimentation électrique des véhicules de transport ou dans la génération d’électricité d’appoint.
De manière connue, une pile à combustible à membrane d’échange de protons est constituée d’un assemblage de cellules électrochimiques, chaque cellule électrochimique comprenant une anode séparée d’une cathode par un électrolyte, qui est par exemple une membrane en polymère. La cellule électrochimique est alimentée par des combustibles, qui sont deux gaz différents, par exemple de l’hydrogène injecté au contact de l’anode, et de l’oxygène qui est injecté au contact de la cathode.
L’hydrogène se décompose en ions hydrogène et électrons au contact de l’anode. La membrane d’échange de protons en polymère permet de séparer les combustibles introduits dans la cellule électrochimique, tout en permettant la circulation des ions hydrogène produits au niveau de l’anode vers la cathode. L’oxygène réduit au contact de la cathode pour former de l’eau. L’oxydation de l’hydrogène produit des électrons circulant de l’anode vers la cathode, via un circuit électrique permettant d’alimenter une charge externe. Les gaz d’alimentation respectifs (e.g. hydrogène et oxygène) sont fournis par des canaux d’alimentation reliés à des circuits de circulation de gaz, anodique et cathodique, qui permettent également d’évacuer des produits des réactions électrochimiques. On appelle compartiment anodique le volume d’une cellule électrochimique dans lequel a lieu la réaction électrochimique d’anode, et compartiment cathodique le volume d’une cellule électrochimique dans lequel a lieu la réaction électrochimique de cathode.
Dans une cellule électrochimique à hydrogène telle que brièvement décrite ci-dessus, l’alimentation en hydrogène est effectuée à partir d’un réservoir à hydrogène dédié, alors que l’oxygène peut être prélevé dans l’air ambiant.
Les performances d’une cellule électrochimique à hydrogène sont dégradées par un taux d’humidité trop important dans le compartiment anodique, qui est susceptible de former un film liquide sur la surface de l’anode, et de dégrader la réaction électrochimique d’oxydation de l’hydrogène. De plus, une concentration importante de gaz inerte dans le compartiment anodique, par exemple de l’azote présent dans l’air ambiant, amené dans le compartiment cathodique, et éventuellement diffusé dans le compartiment anodique à travers la membrane, a également une influence sur la performance de fonctionnement.
Ainsi, il est connu de prévoir une purge régulière des gaz inertes et de l’eau accumulés dans un compartiment anodique d’une cellule électrochimique.
Le brevet EP 3 105 808 B1 décrit un circuit de purge d’un compartiment anodique de cellule à combustible de pile électrochimique, comprenant des moyens pour contenir un gaz de récupération comprenant une entrée et une sortie. Il comporte également un premier clapet anti-retour connecté à la sortie des moyens pour contenir un gaz de récupération, de manière à empêcher l’introduction d’un gaz par cette sortie, ainsi qu’un second clapet anti-retour connecté à l’entrée des moyens de récupération de gaz. Enfin, le circuit comporte un capteur de pression permettant de mesurer la pression d’un fluide présent dans le circuit, et des moyens permettant ou interdisant la circulation d’un gaz vers l’entrée du compartiment anodique en fonction de la mesure de pression. Ce circuit permet la recirculation passive de gaz de récupération, notamment de l’hydrogène, vers l’entrée du compartiment anodique, sans nécessité d’introduire un compresseur. Il permet également une purge des gaz inertes et de l’eau.
Néanmoins, il est nécessaire de gérer les connexions et interfaces entre les divers éléments, les connexions étant effectuées via des canaux de connexion, dont les parois internes sont étanches aux fluides transportés.
Un des objets de la présente invention est d’améliorer le circuit de purge d’un compartiment anodique, en particulier pour faciliter sa mise en œuvre dans des assemblages comprenant de nombreuses cellules électrochimiques.
A cet effet, l’invention propose un dispositif de purge de compartiment anodique d’une cellule électrochimique d’une pile à combustible, comportant un volume tampon de récupération de rejets de fluide du compartiment anodique, un premier clapet anti-retour connecté à une entrée du compartiment anodique et un deuxième clapet anti-retour connecté à une sortie du compartiment anodique. Ce dispositif de purge est tel que le volume tampon, le premier clapet anti-retour et le deuxième clapet anti-retour sont intégrés dans un seul bloc monolithique, ledit bloc comportant une première sortie associée audit premier clapet anti-retour et une première entrée associée audit deuxième clapet anti-retour.
Avantageusement, l’intégration du volume tampon, du premier clapet anti-retour et du deuxième clapet anti-retour dans un seul bloc monolithique permet de réduire l’encombrement du dispositif de purge, et de faciliter l’interfaçage avec le compartiment anodique.
Le dispositif de purge selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou selon toutes combinaisons techniquement acceptables.
Le fluide de récupération comporte au moins un gaz de récupération et au moins un liquide de récupération, le dispositif étant adapté à recevoir ledit fluide de récupération via ladite première entrée lorsque le deuxième clapet anti-retour est ouvert, et à fournir ledit gaz de récupération en entrée du compartiment anodique via ladite première sortie lorsque le premier clapet anti-retour est ouvert, lesdits premier et deuxième clapets anti-retour n’étant pas ouverts en même temps.
Le dispositif de purge comporte en outre une deuxième sortie de gaz de récupération et une troisième sortie de liquide de récupération, lesdites deuxième sortie et troisième sortie étant distinctes.
Le dispositif de purge comporte en outre un dispositif de mesure du volume de liquide de récupération présent dans le volume tampon, et d’ouverture de ladite troisième sortie de liquide de récupération en fonction dudit volume de liquide.
Le dispositif de purge comporte en outre un capteur et un actionneur permettant d’actionner l’ouverture de la deuxième sortie de gaz de récupération.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une cellule électrochimique de pile à combustible, comportant un compartiment anodique et un compartiment cathodique, un circuit de circulation de gaz connecté au compartiment anodique. Cette cellule électrochimique comporte un dispositif de purge de compartiment anodique tel que brièvement décrit ci-dessus.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
la est une représentation schématique d’une cellule électrochimique d’une pile à combustible;
la représente schématiquement un circuit de circulation de gaz et un dispositif de purge de compartiment anodique selon un mode de réalisation ;
la représente schématiquement un circuit de circulation de gaz et un dispositif de purge de compartiment anodique selon une variante.
La illustre schématiquement une cellule électrochimique 2, à laquelle est connectée une charge électrique 4, qui consomme l’électricité produite par la cellule électrochimique 2.
En pratique, une pile à combustible est constituée d’un ensemble de telles cellules électrochimiques assemblées, ou « cell stack assembly » en anglais. La cellule électrochimique 2 comporte une cathode 6, une anode 8, séparées par une membrane électrolyte 10.
La membrane 10 est par exemple une membrane polymère, par exemple en PTFE.
La cellule électrochimique est alimentée par des combustibles, qui sont des gaz G1 et G2.
Un premier gaz G1, par exemple de l’oxygène, est fourni en entrée d’un compartiment cathodique 12 via un circuit de circulation d’oxygène 14, et des fluides de récupération R1 sont évacués par une voie de sortie.
La cellule électrochimique 2 comporte également circuit 22 de circulation d’un deuxième gaz G2, connecté à un compartiment anodique 20 comportant la cathode 8, en entrée duquel est fourni le deuxième gaz G2, par exemple de l’hydrogène ou un gaz à forte concentration en hydrogène, de préférence supérieure à 99%. Dans le cas où l’hydrogène est mélangé à un autre gaz, cet autre gaz est par exemple de l’azote, et/ou du dioxyde de carbone et/ou du méthane.
Le circuit de circulation de gaz 22 qui comporte un dispositif de purge 24. Des fluides de récupération R2, notamment eau et gaz inertes, par exemple azote, sont rejetés en sortie du dispositif de purge 24 du compartiment anodique.
La illustre schématiquement un circuit de circulation de gaz 22 pour compartiment anodique, comportant un dispositif de purge 24 pour compartiment anodique selon un mode de réalisation de l’invention.
Le circuit 22 de la , est connecté à un compartiment anodique 20.
Le dispositif de purge 24 intègre dans un seul bloc 25 ou volume monolithique un volume tampon 26, adapté à recevoir des fluides de récupération, gaz ou liquide, en provenance du compartiment anodique 20, un premier clapet anti-retour 28 et un deuxième clapet anti-retour 30.
Le bloc 25 est par exemple un conteneur de forme géométrique donnée, par exemple parallélépipédique.
Le volume tampon 26 est adapté à recevoir des fluides de récupération comprenant du liquide 32, par exemple de l’eau et des gaz de récupération 34.
Le volume tampon est adapté à contenir entre 500 ml et 22 l de fluide de récupération.
Le premier clapet anti-retour 28 est disposé en amont, dans le sens d’écoulement des gaz indiqué par les flèches, d’une entrée 20A du compartiment anodique 20, et forme une première sortie 36 du dispositif de purge 24. Ce premier clapet anti-retour 28 permet un écoulement de fluide du volume tampon 26 vers le compartiment anodique 20, mais empêche une circulation de fluide du compartiment anodique vers le volume tampon.
Le deuxième clapet anti-retour 30 est disposé en aval, dans le sens d’écoulement des gaz, d’une sortie 20B du compartiment anodique 20, et forme une première entrée 38 du dispositif de purge 24. Ce deuxième clapet anti-retour 30 permet un écoulement de fluide du compartiment anodique 20 vers le volume tampon 26, mais empêche une circulation de fluide du volume tampon vers le compartiment anodique 20.
Les premier et deuxième clapets anti-retour peuvent être identiques et sont par exemple du type à soufflet, ou à bille ou à disque concentrique.
De plus, dans le mode de réalisation de la , le dispositif de purge 24 comporte une deuxième sortie 40, permettant d’évacuer des gaz inertes, par exemple de l’azote, accumulés dans le volume tampon, ainsi qu’une troisième sortie 42 permettant d’évacuer de l’eau à l’état liquide 32.
Le dispositif de purge comporte un dispositif de mesure de volume d’eau 44, par exemple sous forme de flotteur. Ainsi, il est possible de commander l’ouverture de la sortie 42 pour évacuer le liquide de récupération présent dans le volume tampon en fonction du volume de liquide.
Le circuit de circulation de gaz 22 comporte également un capteur de pression 50, adapté à mesurer la pression dans le circuit 22, par exemple connecté entre la sortie 20B du compartiment anodique et le deuxième clapet anti-retour 30 du dispositif de purge 24. Le capteur de pression 50 peut être placé en tout point de circuit 22.
Une vanne 52, par exemple une électrovanne de type « tout ou rien » est pilotée en fonction des mesures de pression, par l’intermédiaire d’un actionneur 54 commandé par des moyens de commande 56.
Les moyens de commande 56 sont par exemple constitués d’un micro-ordinateur, ou un micro-processeur spécialement programmé à cet effet, ou un automate. Des valeurs de seuil de pression, respectivement une première valeur minimale V1 et un deuxième valeur maximale V2, sont préalablement choisies et mémorisées, en fonction de la membrane 10, de sorte que la différence de pression entre l’anode 8 et la cathode 6 reste dans une plage prédéterminée, considérée acceptable. Une différence de pression considérée acceptable est telle que le risque de dégradation mécanique de la membrane est faible, inférieur à un seuil prédéterminé.
Lorsque le capteur 50 détecte une valeur de pression, en sortie du compartiment anodique, supérieure à la deuxième valeur de seuil V2, la vanne 52 est fermée. Lorsque le capteur 50 détecte une valeur de pression, en sortie du compartiment anodique, inférieure à la première valeur de seuil V1, la vanne 52 est ouverte.
Le circuit 22 comporte également un élément 58 permettant l’entrée des gaz dans le compartiment anodique 20, par exemple un raccord à trois branches, une première branche 58A étant connectée au premier clapet anti-retour 30, une deuxième branche 58B étant connectée à l’entrée 20A du compartiment anodique 20, et une troisième branche 58C étant connectée à une sortie 52B de la vanne 52.
Une entrée 52A de la vanne 52 est connectée à une entrée de gaz G2, par exemple à un dispositif d’alimentation en hydrogène sous pression (non représenté).
Optionnellement, l’entrée 52A de la vanne 52 est connectée à un détendeur 60, connecté entre l’entrée de gaz G2 et la vanne 52. Avantageusement le détendeur permet de limiter la pression dans le compartiment anodique tout en permettant des débits de gaz importants.
En fonctionnement, lorsque la vanne 52 et les premier et deuxième clapets anti-retour 28, 30 sont fermés, la quantité d’hydrogène dans le compartiment anodique diminue du fait de la réaction électrochimique d’oxydation de l’hydrogène et de migration des ions oxydés vers la cathode.
Lorsque la différence de pression entre le volume tampon 26 et le compartiment anodique 20 est inférieure à la pression de tarage du premier clapet anti-retour 28, le premier clapet 28 s’ouvre, alors que le deuxième clapet 30 reste fermé. Le gaz de récupération 34 contenu dans le volume tampon va circuler vers l’entrée 20B du compartiment anodique, dans une phase dite de recirculation de gaz. Ce gaz de récupération contient un pourcentage d’hydrogène et un pourcentage de gaz inerte, en particulier d’azote, par exemple 20% d’hydrogène et 80% d’azote.
La pression dans le compartiment anodique décroît, et lorsqu’elle est inférieure à la première valeur de seuil V1, une commande d’ouverture de la vanne 52 est envoyée, et du gaz G2, par exemple de l’hydrogène compressé, est fourni en entrée du compartiment anodique.
La pression augmente dans le compartiment anodique 20 ce qui entraîne la fermeture du premier clapet anti-retour 28. Ensuite le deuxième clapet anti-retour 30 est ouvert lorsque la pression dans le compartiment anodique 20 dépasse la pression dans le volume tampon 26. Les fluides, gaz et liquide, du compartiment anodique sont alors purgés vers le dispositif de purge 24.
Lorsque la pression du compartiment anodique 20 atteint la deuxième valeur de seuil V2, la vanne 52 est fermée, et la pression d’hydrogène commence à diminuer dans le compartiment anodique 20 suite à la réaction électrochimique d’oxydation de l’hydrogène, ce qui conduit à un nouveau cycle de fonctionnement.
Le circuit 22 permet la recirculation d’hydrogène dans le compartiment anodique et la purge de fluides vers de dispositif de purge 24.
Le dispositif de purge 24 est adapté à purger l’eau accumulée, par exemple en fonction du volume d’eau accumulé.
Dans une variante de mise en œuvre illustrée à la , le dispositif de purge 24 comporte en outre un deuxième capteur de pression 70 permettant de mesurer la pression de gaz dans le volume tampon 26, et adapté à actionner via un actionneur 72 l’ouverture de la deuxième sortie de gaz 40.

Claims (7)

  1. Dispositif de purge de compartiment anodique d’une cellule électrochimique d’une pile à combustible, comportant un volume tampon de récupération de rejets de fluide du compartiment anodique, un premier clapet anti-retour connecté à une entrée du compartiment anodique et un deuxième clapet anti-retour connecté à une sortie du compartiment anodique, caractérisé en ce que le volume tampon (26), le premier clapet anti-retour (28) et le deuxième clapet anti-retour (30) sont intégrés dans un seul bloc monolithique (25), ledit bloc (25) comportant une première sortie (36) associée audit premier clapet anti-retour (28) et une première entrée (38) associée audit deuxième clapet anti-retour (30).
  2. Dispositif de purge selon la revendication 1, dans lequel le fluide de récupération comporte au moins un gaz de récupération (34) et au moins un liquide de récupération (32), le dispositif étant adapté à recevoir ledit fluide de récupération via ladite première entrée (38) lorsque le deuxième clapet anti-retour (30) est ouvert, et à fournir ledit gaz de récupération (34) en entrée (20A) du compartiment anodique (20) via ladite première sortie (36) lorsque le premier clapet anti-retour (28) est ouvert, lesdits premier (28) et deuxième (30) clapets anti-retour n’étant pas ouverts en même temps.
  3. Dispositif de purge selon la revendication 2, comportant en outre une deuxième sortie (40) de gaz de récupération (34) et une troisième sortie (42) de liquide de récupération (32), lesdites deuxième sortie (40) et troisième sortie (42) étant distinctes.
  4. Dispositif de purge selon l’une des revendications 2 ou 3, comportant en outre un dispositif de mesure (44) du volume de liquide de récupération (32) présent dans le volume tampon, et d’ouverture de ladite troisième sortie (42) de liquide de récupération (32) en fonction dudit volume de liquide.
  5. Dispositif de purge selon l’une des revendications 2 à 4, comportant en outre un capteur (70) et un actionneur (72) permettant d’actionner l’ouverture de la deuxième sortie (40) de gaz de récupération.
  6. Dispositif de purge selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les premier et deuxième clapets anti-retour sont du type à soufflet, ou à bille ou à disque concentrique.
  7. Cellule électrochimique de pile à combustible, comportant un compartiment anodique et un compartiment cathodique, un circuit de circulation de gaz connecté au compartiment anodique, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif de purge de compartiment anodique conforme aux revendications 1 à 6.
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