SYSTEME PILE A COMBUSTIBLE ET PROCEDE DE COMMANDE ASSOCIE
La présente invention concerne un système pile à combustible et un procédé de commande associé. Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile
Les piles à combustibles standard de type PEM ("Proton Exchange Membrane" en langue anglaise) comprennent des cellules élémentaires qui se composent notamment d'une plaque bipolaire et d'un assemblage électrodes/membrane couramment appelé MEA ("Membrane Electrodes Assembly" en langue anglaise)
Les réactions électrochimiques qui se déroulent dans la pile à combustible permettent de fournir de l'énergie électrique Une telle pile est alimentée en hydrogène à l'anode, par exemple par un reformeur ou un réservoir d'hydrogène, et en oxygène à la cathode, généralement par un groupe de compression d'air
Afin de réduire au maximum la consommation d'un système pile à combustible, ainsi que les émissions de dioxyde de carbone, on cherche à obtenir le meilleur rendement possible du système
L'optimisation du rendement d'un tel système est recherchée par la réduction des pertes de puissance engendrées par les différents éléments auxiliaires, et par une optimisation du rendement de fonctionnement de différents organes Plus particulièrement, le rendement du système dépend directement du choix initial de la tension de fonctionnement choisie pour la puissance maximale de la pile à combustible Généralement, la tension de fonctionnement choisie pour la puissance maximale de la pile est d'environ 0,6V, par compromis entre compacité et coût de la pile
Des condenseurs sont disposés en sortie de l'anode et de la cathode de la pile à combustible, permettant de condenser les gaz de sortie de la pile II est important de pouvoir augmenter la températuie de fin de condensation en sortie de la pile On entend par température
de fin de condensation, une température moyenne représentative des températures en sortie des condenseurs anodiques et cathodiques situés en sortie de la pile à combustible
En effet, plus la différence entre la température de fin de condensation et la température du fluide caloporteur de la boucle de circulation du système est élevée, plus la quantité de chaleur absorbable pai le fluide caloporteur est importante, et plus le volume des condenseuis peut être diminué
Une SUi -stœchiométπe Ra en hydrogène de la demi-réaction de réduction anodique (H2 — > 2H+ + 2e") et une sur-stœchiométπe Rc en oxygène de la demi-réaction d'oxydation cathodique
(— O2 +2H+ +2e~ — >H2O) permettent de s'affranchir de problèmes de performances globales de la pile et de stabilité de fonctionnement de la pile On entend par sur-stœchiométπe Ra en hydrogène et par sui- stœchiométπe Rc en oxygène, une quantité de réactifs apportés supérieure à la quantité qui serait strictement nécessaire aux réactions considérées (stoechiométπe 1)
Une augmentation de la sur-stœchiométπe en hydrogène de la demi-réaction de réduction anodique et/ou de la sur-stœchiométπe en oxygène de la demi-réaction d'oxydation cathodique entraînent une diminution du rendement global d'un tel système de pile à combustible
II existe néanmoins une limitation de la baisse de ces sur- stœchiométπes liée à la performance acceptable et la stabilité de la pile En effet, si ces sur-stœchiométπes sont trop basses, certaines tensions électπques de cellules peuvent trop fortement chuter, et même passer à des tensions électriques de signe inverse, engendrant un risque d'endommagement irréversible de la pile Le brevet US 6 586 123 (UTC Fuel cells) décrit une augmentation des sur-stœchiométπes en hydrogène de la demi-réaction de réduction anodique et en oxygène de la demi-réaction d'oxydation cathodique en fonction de la densité de courant délivrée par la pile à
combustible, au-dessus d' une valeur de seuil de 0,6 A/c m2, afin de préserver les performances de la pile à de fortes densités de courant
Cependant, pour de faibles valeurs de densité de courant, le rendement de la pile et les températures en fin de condensation anodique et cathodique ne sont pas optimisés
On entend par densité de courant la valeur d' intensité locale par uni té de surface La densité de courant correspond à l ' intensité délivrée par la pile, divisée par la valeur de surface active d' une cellule de pile Plus la puissance déli vrée par la pile est faible, plus la densité de coui ant déli vrée par la pile est faible
Un but de l' invention est d' optimiser le fonctionnement de la pile et les températures en fin de condensations anodi que et cathodique, pour de faibles valeurs de densité de courant déli vrées par la pile Selon un aspect de l' invention, il est proposé un système pile a combustible comprenant des moyens pour alimenter en hydrogène l' anode de la pile, des moyens pour alimenter en oxygène la cathode de la pile, et une unité de commande Le système comprend également des premi ers moyens de commande de l ' alimentation en hydrogène de l ' anode de la pile et des deuxièmes moyens de commande de l ' alimentation en oxygène de la cathode de la pile En outre, le système compi end des premiers moyens de déterminati on d' une sur- stœchiométπe en hydrogène de la demi-réaction d' oxydation anodique, et des deuxièmes moyens de détermination d' une sur-stœchi ométπe en oxygène de la demi-réaction de réduction cathodique Lesdits premiers et deuxièmes moyens de commande sont respectivement aptes à adapter lesdites sur-stœchiométπes en hydrogène et en oxygène de la pile en fonction de la puissance demandée à la pile
La température en sortie des condenseurs situés en sortie de la pile à combusti ble est alors plus élevée, ce qui permet de limi ter le vol ume des condenseurs, et améliorer le rendement du système
Avantageusement, la puissance demandée à la pile est une fonction de la densité de courant demandée à la pile
La densité de courant délivrée par la pile est un paramètre que l'on sait bien manipuler, la demande de puissance passant par une commande en intensité ou densité de courant.
Dans un mode de réalisation préféré, lesdits premiers moyens de commande sont adaptés pour maintenir ladite sur-stœchiométπe en hydrogène constante lorsque la densité de courant demandée à la pile est inférieure à une première valeur, et croissante en fonction de la densité de courant demandée à la pile lorsque la densité de courant demandée à la pile est supérieure à ladite première valeur et inférieure à une deuxième valeur supérieure à ladite première valeur De plus, lesdits deuxièmes moyens de commande sont adaptés pour maintenir ladite sur-stœchiométπe en oxygène constante lorsque la densité de courant demandée à la pile est inférieure à ladite première valeur, et croissante en fonction de la densité de courant demandée à la pile lorsque la densité de courant demandée à la pile est supérieure à ladite première valeui et inférieure à ladite deuxième valeur
La température en sortie des condenseurs situés en sortie de la pile est alors plus élevée, ce qui limite le volume des condenseurs, et améliore le rendement du système Dans un mode de réalisation avantageux, lesdits premiers moyens de détermination comprennent des premiers moyens de calcul connectés à un premier débitmètre disposé en entrée de l'anode de la pile, et lesdits deuxièmes moyens de détermination comprennent des deuxièmes moyens de calcul connectés à un deuxième débitmètre disposé en entiée de la cathode de la pile
II est alors possible de bien gérer les débits d'alimentation de l'anode et de la cathode, ce qui permet de bien gérer les sur- stoechiométπes
Dans un mode de réalisation préféré, le système comprend un capteur de mesure de l'intensité délivrée par la pile 1
La densité de courant correspondante est calculée à partir de cette mesuie d'intensité et de la surface active d'une cellule de la pile
La présence d' un tel capteur permet de contrôler si l ' intensité demandée à la pile, et donc si la puissance demandée à la pile, est bien délivrée en sortie de la pile
Dans un mode de réali sation avantageux, ladite première valeur est sensi blement égale à 0,2 A/cm2, et ladite deuxième valeur est sensiblement égale à 0,6 A/cm2
En outi e, lesdits premiers moyens de commande sont adaptés pour maintenu ladite sur-stœchiométπe en hydrogène linéairement croissante loi sque la densité de courant demandée à la pile est supérieure à l adite première valeur et inférieure à ladite deuxième valeur De pl us , lesdits deuxièmes moyens de commande sont adaptés pour maintenu ladite sur-stœchiométπe en oxygène linéairement croissante loi sque la densité de courant demandée à la pile est supérieure à ladite deuxième valeur et inférieure à ladite première valeur
Sel on un autre aspect de l' invention, il est également proposé un procède de commande d' un système de pile à combustible, caractéri sé pai le fait que l' on alimente en hydrogène l ' anode de la pile et en ox ygène la cathode de la pile, de manière à adapter respectivement les sur-stœchiométπes en hydrogène de l a demi- réaction d' oxydation anodique et en oxygène de là demi-réacti on de réduction cathodique en fonction de la puissance demandée à la pi le
Dan s un mode de mise en œuvre préféré, la puissance demandée à la pile est une fonction de la densité de courant demandée à la pile Dans un mode de mise en œuvre avantageux, on maintient ladite sur-stœc hiométπe en hydrogène constante lorsque la densité de courant demandée à la pile est inférieure à une première valeur, et croissante en fonction de la densité de courant demandée à la pile lorsque la den si té de courant demandée à la pile est supérieure à ladite première valeur et inférieure à une deuxième valeur En outre, on maintient l adi te sur-stœchiométπe en oxygène constante lorsque la densité de coui ant demandée à la pile est inférieure à ladi te première valeur, et croi ssante en fonction de la densité de courant demandée à
la pile loisque la densité de courant demandée à la pile est supérieure à ladite premieie valeur et inférieure à ladite deuxième valeur
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront a la lecture de la description suivante, de quelques exemples nullement limitatifs, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma synoptique d'un système selon un aspect de l'invention , la figure 2 illustre un procédé selon un aspect de l'invention , et - la figure 3 illustre une adaptation des sur-stœchiométπes anodique et cathodique selon un aspect de l'invention
La figuie 1 représente un système selon l'invention, embarque dans un véhicule automobile Le système comprend une pile à combustible 1 comprenant une partie anode A et une partie cathode C, un reformeur 2 pour alimenter en hydrogène la pile à combustible 1 Le système comprend également un brûleur 3 permettant de chauffer l'ensemble du système, lors de la phase de démarrage, ainsi que de réguler la température lors du fonctionnement nominal La pile à combustible 1 est conçue de manière à ce que la tension électrique choisie pour la puissance maximale soit de 0,7V Le brûleur 3 apporte également l'énergie nécessaire à la réaction de reformage et permet d'oxyder l'hydiogène quand il utilise un retour des gaz de sortie de l'anode de la pile à combustible 1 Le brûleur 3 permet également de fournir l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau et du carburant nécessaires au ieformeur 2.
Le système comprend également un groupe de compression d'air 4, qui alimente en oxygène, généralement sous forme d'air comprimé, la pile à combustible 1, et le brûleur 3, respectivement par des conduits 5 et 6 Le groupe de compression d'air 4 alimente également en air un réacteur d'oxydation préférentielle 7 par un conduit 8 Le système comprend, en outre, une unité de commande électronique 9 utilisée également pour d'autres buts tels que le contrôle de stabilité du véhicule ou du freinage, connectée au
reformeui 2, au brûleur 3, à la pile à combustible 1 et au groupe de compression d'air 4 respectivement par des connexions 10, 11, 12 et 13.
Le système comprend également un dispositif d'alimentation en carburant 14, comprenant un réservoir de carburant, relié à l'unité de commande électronique 9 par une connexion 15 Ce dispositif d'alimentation en carburant 14 permet d'alimenter en carburant le brûleur 3 et un vaporisateur 16 qui vaporise l'eau et le carburant en entrée du reloimeur 2 Le brûleur 3 et le vapoπsateui 16 sont respectivement alimentés en carburant par des conduits 17 et 18 En sortie du refoi meur 2 sont présents deux réacteurs 19 et 20 de réaction de gaz à l'eau lespectivement à haute et basse température Ces deux réacteurs 19 et 20, ainsi que le réacteur 7 d'oxydation préférentielle permettent de diminuer fortement la teneur en monoxyde de carbone CO du reformat alimentant la pile à combustible 1, car le monoxyde de carbone CO empoisonne les piles à combustible Divers échangeurs de chaleur 21, 22 et 23 sont présents pour refroidir des courants gazeux Le système comprend également divers condenseurs 24, 25 et 26 permettant de iecuperer de l'eau et de l'envoyer, respectivement par des conduits 27 28 et 29 dans un dispositif d'alimentation en eau 30, comprenant un îéservoir d'eau, permettant notamment d'alimentei le vapoπsateui 16 en eau par un conduit 31 Les gaz de sortie du brûleur 3 sont amenés au vaporisateur 16 par un conduit 32 permettant de fournir l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau et du carburant fournis au refoimeur 2 par un conduit 33 Le reformât est ensuite amené successivement aux réacteurs 19, 20 et 7 pour être fortement appauvri en monoxyde de carbone, par des conduits 34, 35 et 36 Enfin, le refoimât, en sortie du réacteur d'oxydation préférentielle 7, est amené au condenseur 24 par un conduit 37. Le reformât en sortie du condenseui 24 alimente alors la partie anode A de la pile à combustible 1 par un conduit 38
Les gaz de sortie de l'anode A sont amenés au condenseur 25 par un conduit 39 Les gaz de sortie du condenseur 25 alimentent alors le brûleui 3 pai un conduit 40 Les gaz de sortie de la partie cathode C
de la pile à combustible 1, sont amenés au condenseur 26 par un conduit 41, avant d'être mélangés, par un conduit 42, aux gaz de sortie de l'échangeui 23 Le mélange est alors amené à la turbine 4 Le dispositif d'alimentation en eau 30 est également commandé pai l'unité de commande électronique 9 par l'intermédiaire d'une connexion 43
L'unité de commande électronique 9 comprend un premier module 44 de commande de l'alimentation en hydrogène dans la pile, par exemple en agissant sur le reformeur 2, ainsi qu'un deuxième module 45 de commande de l'alimentation en oxygène de la cathode de la pile, par exemple en agissant sur le groupe de compression d'air 4
L'unité de commande électronique 9 comprend en outre un premier module 46 de détermination d'une sur-stœchiométπe Ra en hydrogène de la demi-réaction d'oxydation anodique, et un deuxième module 47 de détermination d'une sur-stœchiométπe Rc en oxygène de la demi-réaction de réduction cathodique. Les premier et deuxième modules 46 et 47 déterminent les sur-stœchiométπes respectives Ra et Rc, en fonction des différents débits alimentant la pile 1, fournis par exemple par des débitmètres respectifs 48 et 49. Le débitmètre 48 est situé en entrée de l'alimentation en hydrogène de l'anode A de la pile
1, et le débitmètre 49 est situé en entrée de l'alimentation en oxygène de la cathode C de la pile 1. Les débitmètres 48 et 49 sont respectivement connectés à l'unité de commande électronique 9 par des connexions 50 et 51 En outre l'énergie électrique fournie par la pile par un câble de sortie 52 est mesurée par un capteur d'intensité 53 relié à l'unitc de commande électronique 9 par une connexion 54 L'unité de commande électronique calcule la densité de courant correspondant à l'intensité fournie par le capteur 53.
Un procédé selon un aspect de l'invention est décrit sur la figure 2 La puissance demandée à la pile 1 est, par exemple, une fonction de la densité de courant demandée à la pile 1 Les premiers et deuxièmes moyens de commande 44 et 45 testent (étape 60) si la densité de courant demandée à la pile 1 est inférieure à la première valeur
Si la densité de courant demandée à la pile 1 est inférieure à la première valeur, les premiers et deuxièmes moyens de commande 44 et 45 maintiennent les sur-stœchiométries Ra et Rc constantes en fonction de la densité de courant demandée à la pile 1 (étape 61 ). Si la densité de courant demandée à la pile 1 est supérieure ou égale à la première valeur, les premiers et deuxièmes moyens de commande 44 et 45 testent (étape 62) si la densité de courant demandée à la pile 1 est inférieure à la deuxième valeur.
Si la densité de courant demandée à la pile 1 est supérieure ou égale à la première valeur et inférieure à la deuxième valeur, les premiers et deuxièmes moyens de commande 44 et 45 maintiennent les sur-stœchiométries Ra et Rc croissantes en fonction de la densité de courant demandée à la pile 1 (étape 63) .
Si la densité de courant demandée à la pile 1 est supérieure ou égale à la deuxième valeur, les premiers et deuxièmes moyens de commande 44 et 45 maintiennent les sur-stœchiométries Ra et Rc constantes en fonction de la densité de courant demandée à la pile 1
(étape 64) .
De manière classique, la sur-stœchiométrie Ra en hydrogène de la demi-réaction d' oxydation anodique a pour valeur 1 ,30 , et la sur-stœchiométri e Rc en oxygène de la demi-réaction de réduction cathodique a pour valeur 1 , 8.
L' inventi on permet d' adapter les sur-stœchiométries respecti ves Ra et Rc, en fonction de la densité de courant déli vrée par la pile à combustible 1.
Un exemple d' une telle adaptation des sur-stœchiométries en fonction de la densité de courant demandée à la pile est illustré par la figure 3.
Dans cet exemple, la première valeur de densité de courant vaut 0,2 A/cm2, et i a deuxième valeur de densité de courant vaut 0,6 A/cm2.
Pour des valeurs de densité de courant comprises entre 0 et 0,2 A/cm2, les sui -stœchi ométries Ra et Rc sont maintenues constantes en fonction de la densité de courant demandée à la pile 1 (étape 61 ), de valeurs Ra= I . 15 A/cm2, et Rc = I , 4 A/cm2.
Pour des valeurs de densité de courant comprises entre 0,2 et 0,6 A/cm2, les sur-stœchiométries Ra et Rc sont maintenues croissantes en fonction de la densité de courant demandée à la pile 1 (étape 63 ), ici linéairement croissantes en fonction de la densité de courant demandée à la pile 1 , et d'équations respectives
Ra=O, 375J + 1 , 075 , et Rc=j + 1 ,2, dans lesquelles j représente la variable densité de courant demandée la pile à combustible 1.
Enfin, pour des valeurs de densité de courant supérieures à 0,6 A/cm2, les sur-stœchiométries Ra et Rc sont maintenues constantes en fonction de la densité de courant demandée à la pile 1 (étape 64), de valeurs respectives Ra= I , 3 A/cm2, et Rc= I , 8 A/cm2.
Dans un tel système, le brûleur 3 peut être uniquement alimenté par les gaz provenant de la sortie anodique de la pile à combustible 1 , ou, si le reformeur 2 a besoin de plus d' énergie thermique, le brûleur 3 peut en outre être alimenté par du carburant. L' expression du rendement du système varie alors en fonction de l ' alimentation du brûleur 3.
L' i nvention permet d' augmenter d' environ 2 à 5 % le rendement du système de pile à combustible, et de diminuer de 2 à 4% la consommati on du dispositif d' alimentation en air du système de pile à combustible, à faible demande de puissance à la pile.
En out re, la température de fin de condensation est augmentée de 4 à 80C, ce qui permet de diminuer le volume des con denseurs de sortie de la pi l e à combustible.