WO2010010105A1 - Moyens de purge pour systeme a pile a combustible et mode de regulation associe - Google Patents

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WO2010010105A1
WO2010010105A1 PCT/EP2009/059393 EP2009059393W WO2010010105A1 WO 2010010105 A1 WO2010010105 A1 WO 2010010105A1 EP 2009059393 W EP2009059393 W EP 2009059393W WO 2010010105 A1 WO2010010105 A1 WO 2010010105A1
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WO
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purge
orifices
outlet
calibrated
fuel cell
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/059393
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Inventor
Sadok Garnit
Francis Roy
Guillaume Joncquet
Jean-Philippe Poirot-Crouvezier
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
Peugeot Citroen Automobiles S.A.
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Publication date
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Priority to CN200980129087XA priority patent/CN102160222A/zh
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Priority to BRPI0916854A priority patent/BRPI0916854A2/pt
Priority to US13/055,223 priority patent/US20110189552A1/en
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • This invention applies to the field of the fuel cell (PAC), and more particularly to applications operating at low temperature and using a membrane as electrolyte.
  • the cells concerned are those supplied with pure or almost pure hydrogen. Even in the so-called “recirculation” modes of operation where the hydrogen is reinjected into the cell, it is necessary to purge the system regularly to evacuate the pollutants and to prevent the increase of the nitrogen concentration from deteriorating the system performance. .
  • purge modes have been devised, the two main ones being the periodic opening of a purge valve, described as "dead end" or frontal mode by those skilled in the art, and the other the production of a calibrated orifice in depending on the desired purge rate.
  • the present invention relates to this second mode which theoretically has mainly the advantage over the first mode to avoid sudden variations in hydrogen flow inherent in the first mode.
  • prior art calibrated orifice bleeders have the disadvantage that the effluents which contain water in the liquid phase, which constitutes the majority of the operating cases, create irregularities in the purge flow which, finally, recreate the disadvantages of the first mode.
  • the following patent applications (US 2002/006534, US 2005/233191 and US 2006/086074) attempted to solve this problem by providing an adjustable purge function coupled with a phase separation function. These patents and patent applications, however, do not allow the purge flow rate to be adjusted throughout the operating range of a fuel cell.
  • WO 2007/010372 addressed this problem by providing two purge valves whose flow rates can be combined to extend the operating range. This improvement, however, does not provide sufficient flexibility to allow easy adaptation to the possible scenarios of use of the fuel cell.
  • the present invention solves this problem by providing purge means coupled with the phase separation function, said means being easily configurable to handle most possible scenarios of fuel cell use
  • the invention discloses a fuel or oxidant recycling circuit coupled to a fuel cell comprising means for purging the products of the reactions of the cells and means for separating the phases of said products, said purge means constituting a output of the phase separation means and comprising a plurality of calibrated output ports each controlled by an electromechanical valve whose opening and closing are controlled to select the group of active output ports at a given time, said recycling circuit being characterized in that said calibrated orifices are arranged in a housing whose inner face to the phase separation means is provided with at least one hole of dimensions adapted to the calibres of the outlet orifices and is able to move to conceal a portion of the calibrated orifices under control of selected means in the group of electrical and pneumatic means.
  • the housing has substantially the shape of a barrel and in that the movement of the inner face of said cavity is a rotating movement.
  • the inner face of the separation means is provided with a single hole whose position corresponds to either the activation of only one of the outlet or the complete passivation of the purge means.
  • the internal face of the phase separation means is provided with a single hole whose position corresponds either to the activation of at least two of the associated outlets or to complete passivation of the purge means.
  • a module is provided at the outlet of the purge means for performing effluent treatment chosen in the dilution, catalytic combustion group.
  • the invention also discloses a method for producing electric current in a fuel cell comprising a set of elementary cells having an anode and a cathode, said assembly being supplied with fuel and with oxidant, one or the other being constituted by a gas mixture recycling circuit, said method comprising a product purge step of the reactions of the cells whose effluent flow in the purge step is controlled by alternating opening / closing of several calibrated orifices, said method being characterized in that said calibrated orifices are arranged in a housing whose internal face to the phase separation means is provided with at least a hole of dimensions adapted to the calibres of the outlet orifices and in that said method comprises a step of setting said internal face of said housing in motion by means selected from the group of electrical and pneumatic means for concealing a portion of the calibrated orifices.
  • the mode of control
  • the invention also has the advantage of providing greater compactness since two functions, realized in the prior art in two physically distinct devices, are integrated in a single assembly having the dimensions of the most bulky of them (the phase separator).
  • several embodiments allow wide operating power ranges, where appropriate by providing barrels carrying one or more orifices possibly controlled by one or more valves, each cylinder being optimized for one of the operating ranges.
  • FIG. 1 represents an architecture of the prior art of a heat pump with recirculation of hydrogen according to the patent application US200601 10640;
  • FIG. 2 represents the block diagram of a phase separator integrating a calibrated orifice for purging gas in one embodiment of the invention;
  • FIG. 3 represents a selector of one of three calibrated gas purge orifice in one embodiment of the invention
  • FIG. 4 represents a zero selector, one or two calibrated gas purge orifices out of five in one embodiment of the invention
  • FIG. 5 represents an example of the prior art of regulating the nitrogen concentration in the hydrogen line by periodic purge
  • FIG. 6 represents an example of regulation of the nitrogen concentration in the hydrogen line by opening and closing alternatively of a purge line incorporating a calibrated orifice in one embodiment of the invention.
  • FIG. 1 represents the architecture of a PAC 10 of the prior art with recirculation of hydrogen 30.
  • a PAC is a stack of elementary cells 20 in which an electrochemical reaction takes place between two reagents which are introduced continuously. The fuel is brought into contact with the anode, the oxidant in contact with the cathode. The reaction is subdivided into two half reactions (oxidation and reduction), which take place on the one hand at the anode / electrolyte interface and on the other hand at the cathode / electrolyte interface. They can only take place if there is an ionic conductor between the two electrodes (the electrolyte) and an electronic conductor (the external electrical circuit).
  • the stack of cells is only the place of the reaction: the reagents must be brought there, the products and the non-reactive species must be evacuated, just like the heat produced. Finally, the electrical circuit must be connected to the two terminals of the stack.
  • the air is fed to the cell by a compressor and passes through a series of components (filter, heat exchanger, humidifier, etc.) before entering the cell. battery at the cathode. At the cathode outlet, the air is generally charged with liquid water and steam. Part of this water is recovered for the purposes of humidification, then the residual gas is often discharged via a discharge device to maintain pressure line.
  • Anode side hydrogen can be from a large number of different sources, which are usually also sources of pressure to avoid the use of a gas compression device. It is therefore most often brought to the battery after passing through one or more regulators or solenoid valves applying the expected pressure in the line.
  • the gas leaving the anode is sufficiently pure and it can be partly reinjected into the battery inlet so as to ensure sufficient water supply to the battery, or it is simply purged at regular intervals to evacuate pollutants while minimizing the amount of hydrogen purged.
  • we speak of recirculation of hydrogen and it is the most common mode of operation on systems fed with hydrogen and air.
  • the passage of liquid water in the body driving the recycled gas can alter the operation of the battery or the auxiliary member due to the large difference in density between the hydrogen (very light ) and liquid water. Or at the battery outlet anode side of the liquid water is present in most cases of operation.
  • the purge is carried out continuously via a calibrated orifice, the passage of a two-phase fluid can also pose a problem by creating irregularities in the purge flow.
  • the water recovered at the outlet of the phase separator can be reinjected into the humidifier 60.
  • the humidification of the electrolytic membranes of the cells of the heat pump is indeed an essential function for its proper functioning.
  • a phase separator 50 is provided as a bypass of the recirculation circuit. .
  • An additional outlet is provided in the phase separator chamber and comprises a purge means 40.
  • the purge means is an orifice whose caliber is chosen according to the purge flow rate to ensure.
  • the orifice is located in an area near the outlet of the separator, where the gas is removed from all the liquid present at the inlet.
  • the gas purge flow rate for a 20 kW rated power cell, varies between 1 and 2 NL / min for gas and gas purges.
  • the purge rate can not be adjusted.
  • purge lines with calibrated orifices of different section can be implanted on the separator.
  • Each purge line thus created can be connected to a valve that will make it active or not during the operation of the system.
  • an orifice selection device can be implanted directly in the phase separator. If the orifices are arranged on the same line can be used a pierced plate that is translated so as to coincide the hole or holes in the plate with one or more calibrated orifices. Nevertheless the most advantageous configuration, especially in terms of compactness is that where the orifices are arranged in a circle. The selector is then a pierced disk that simply rotate so that the hole or holes it contains coincide with one or more orifices.
  • Figures 3 and 4 show two examples of selectors that provide a better understanding of the operation of this device.
  • the disk on the inner face of the barrel is provided with a single hole whose diameter is greater than that of the largest calibrated orifices of the separator. It can take three open positions, each corresponding to one of the orifices, the purge being deactivated in all other positions of the disc.
  • the disc also has a single hole but a particular configuration that ensures the opening of two connected ports simultaneously, which allows to select five different rates.
  • all calibrated can be 0.15, 0.2 and 0.25 mm in diameter. This diameter distribution will control the purge flow in all life situations.
  • the hydrogen pressure is low so the selector will be positioned on the largest hole. When the pressure increases, the selector will change position to ensure a regular purge flow. This dimensioning depends on the pressures, temperatures and battery core technology used.
  • the separators incorporating one or more orifices as described above can be connected directly to an air dilution module or to a catalytic burner. This connection can also be done via a valve which will ensure a tight closure of the purge in certain operating phases.
  • a phase separator such as those described above may be integrated with the cylinder head or one of the end plates of the fuel cell to which it is connected, in order to further reduce the compactness of the PAC system.
  • the separators incorporating one or more orifices as described above can be connected directly to an air dilution module or to a catalytic burner. This connection can also be done via a valve which will ensure a tight closure of the purge in certain operating phases.
  • the purge flow rate depends only on the hydrogen pressure in the phase separator.
  • One way to modulate this flow may be to vary the pressure in the hydrogen line: it will vary depending on the power provided by the battery; in this case a low pressure will be used for low power operation because the performance of the system is improved by a decrease in the purge rate; if necessary, it will also be possible for weak powers to return to a mode of operation by periodically opening a valve downstream of the orifice; with several orifices, the flow variations are simple to achieve using a selector such as those described above.
  • the selector may be moved by electrical and / or pneumatic means; it is possible to associate as in the previous case a variation of the hydrogen pressure as a function of the power level provided by the battery; a mode of operation by periodic opening of a valve downstream of the orifices is also possible here.
  • the periodic opening of a valve located downstream of the orifices makes it possible to finely regulate the concentration of nitrogen in the hydrogen line. It differs from the purge systems used in the prior art because the rate of decrease in concentration during the opening phase of the valve is much lower, which makes the regulation more precise.
  • Figure 5 shows an example of the prior art of regulating the nitrogen concentration in the hydrogen line by periodic purge.
  • the nitrogen concentration in the hydrogen line drops sharply (from 60% to zero) when the purge valve opens, while it slowly increases when the valve is closed. It is therefore possible to take advantage of this slow kinetics by associating a purge valve with a calibrated orifice device as described above.
  • the periodic closing of the purge valve greatly reduces the outflow (for example by a factor of 2 for a ratio of opening time / closing time). of 1), while regulating the nitrogen concentration in a range compatible with efficient operation of the fuel cell. We are then in the presence of a system almost equivalent to a smaller orifice.
  • FIG. 6 represents an example of this mode of operation of the hydrogen line by opening and closing an alternative purge line incorporating a calibrated orifice in one embodiment of the invention.
  • the opening and closing times of the orifice are closer and the range of variation of the nitrogen concentration remains narrow (here between 30 and 40%).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de purge pour pile à combustible (PAC). Les effluents d'une PAC à hydrogène comprenant un circuit de recirculation doivent être purgés régulièrement pour garantir un fonctionnement optimal. Les dispositifs de purge de l'art antérieur sont caractérisés par des variations importantes de la concentration en hydrogène des effluents. L'invention consiste à intégrer les moyens de purge dans le dispositif de séparation des phases liquide et gazeuse des effluents. Avantageusement, des moyens de régulation fine du débit de purge sont prévus, ce qui permet de limiter les les pertes d’hydrogène les effluents purgés.

Description

MOYENS DE PURGE POUR SYSTEME A PILE A COMBUSTIBLE ET MODE DE REGULATION ASSOCIE
Cette invention s'applique au domaine de la pile à combustible (PAC), et plus particulièrement aux applications fonctionnant à basse température et utilisant une membrane comme électrolyte. Les piles concernées sont celles alimentées avec de l'hydrogène pur ou quasi-pur. Même dans les modes de fonctionnement dits « à recirculation » où l'hydrogène est réinjecté dans la pile, il est nécessaire de purger régulièrement le système pour évacuer les polluants et éviter que l'augmentation de la concentration en azote ne détériore les performances du système. Plusieurs modes de purge ont été imaginés, les deux principaux étant l'ouverture périodique d'une vanne de purge, mode qualifié de « dead end » ou frontal par les hommes du métier, et l'autre la réalisation d'un orifice calibré en fonction du débit de purge souhaité. La présente invention se rapporte à ce deuxième mode qui présente en théorie principalement l'avantage par rapport au premier mode d'éviter les variations brutales de débit d'hydrogène inhérentes au premier mode. Les dispositifs de purge à orifice calibré de l'art antérieur présentent cependant l'inconvénient que les effluents qui contiennent de l'eau en phase liquide, ce qui constitue la majorité des cas de fonctionnement, créent des irrégularités dans le débit de purge qui, finalement, recréent les inconvénients du premier mode. Les demandes de brevets suivantes (US 2002/006534, US 2005/233191 et US 2006/086074) ont tenté de résoudre ce problème en prévoyant une fonction de purge réglable couplée avec une fonction de séparation de phase. Ces brevets et demandes de brevets ne permettent cependant pas d'ajuster le débit de purge dans toute l'étendue de la plage de fonctionnement d'une pile à combustible. Le document WO 2007/010372 a adressé ce problème en prévoyant deux vannes de purge dont les débits peuvent être combinés pour étendre la plage de fonctionnement. Cette amélioration ne procure cependant pas une souplesse suffisante pour permettre une adaptation facile aux scénarios envisageables d'utilisation de la pile à combustible.
La présente invention résout ce problème en prévoyant des moyens de purge couplés avec la fonction de séparation de phase, lesdits moyens étant paramétrables de manière simple pour traiter la plupart des scénarios envisageables d'utilisation de la pile à combustible
A cet effet, l'invention divulgue un circuit de recyclage de carburant ou de comburant couplé à une pile à combustible comprenant des moyens de purge des produits des réactions des cellules et des moyens de séparation des phases desdits produits, lesdits moyens de purge constituant une sortie des moyens de séparation des phases et comprenant plusieurs orifices de sortie calibrés contrôlés chacun par une vanne électromécanique dont l'ouverture et la fermeture sont commandées pour choisir le groupe des orifices de sortie actifs à un instant donné, ledit circuit de recyclage étant caractérisé en ce que lesdits orifices calibrés sont disposés dans un logement dont la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'au moins un trou de dimensions adaptées aux calibres des orifices de sortie et est apte à faire mouvement pour occulter une partie des orifices calibrés sous commande de moyens choisis dans le groupe des moyens électriques et pneumatiques.
Avantageusement, le logement a sensiblement la forme d'un barillet et en ce que le mouvement de la face interne de ladite cavité est un mouvement tournant. Avantageusement, la face interne aux moyens de séparation est dotée d'un trou unique dont la position correspond soit à l'activation d'un seul des orifices de sortie soit à la passivation complète des moyens de purge. Avantageusement, la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'un trou unique dont la position correspond soit à l'activation d'au moins deux des orifices de sortie connexes soit à la passivation complète des moyens de purge.
Avantageusement, un module est prévu en sortie des moyens de purge pour effectuer un traitement des effluents choisi dans le groupe dilution, brûlage catalytique. L'invention divulgue également un procédé de production de courant électrique dans une pile à combustible comprenant un ensemble de cellules élémentaires dotées d'une anode et d'une cathode, ledit ensemble étant alimenté en carburant et en comburant, l'un ou l'autre étant constitué d'un circuit de recyclage du mélange gazeux, ledit procédé comprenant une étape de purge des produits des réactions des cellules dont le débit d'effluents en sortie de l'étape de purge est contrôlé par ouverture/fermeture alternative de plusieurs orifices calibrés, ledit procédé étant caractérisé en ce que lesdits orifices calibrés sont disposés dans un logement dont la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'au moins un trou de dimensions adaptées aux calibres des orifices de sortie et en ce que ledit procédé comprend une étape de mise en mouvement de ladite face interne dudit logement par des moyens choisis dans le groupe des moyens électriques et pneumatiques pour occulter une partie des orifices calibrés. Avantageusement, le mode de contrôle du débit d'effluents en sortie de l'étape de purge est combiné avec une variation de la pression dans la ligne d'alimentation en hydrogène.
L'invention présente en outre l'avantage de procurer une plus grande compacité dès lors que deux fonctions, réalisées dans l'art antérieur dans deux dispositifs physiquement distincts, sont intégrées dans un seul ensemble ayant les dimensions du plus encombrant d'entre eux (le séparateur de phase). En outre, plusieurs variantes de réalisation autorisent des gammes de puissance de fonctionnement larges, le cas échéant en prévoyant des barillets portant un ou plusieurs orifices éventuellement contrôlés par une ou plusieurs vannes, chaque barillet étant optimisé pour une des gammes de fonctionnement. Enfin, il ressortira de la description que le concept et l'organe sont simples et peu coûteux à produire, à maintenir et à piloter.
L'invention sera mieux comprise, ses différentes caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de plusieurs exemples de réalisation et de ses figures annexées dont :
- La figure 1 représente une architecture de l'art antérieur d'une PAC avec recirculation d'hydrogène selon la demande de brevet US200601 10640 ; - La figure 2 représente le schéma de principe d'un séparateur de phase intégrant un orifice calibré de purge de gaz dans un mode de réalisation de l'invention ;
- La figure 3 représente un sélecteur d'un orifice calibré de purge de gaz parmi trois dans un mode de réalisation de l'invention ; - La figure 4 représente un sélecteur de zéro, un ou deux orifices calibrés de purge de gaz parmi cinq dans un mode de réalisation de l'invention ;
- La figure 5 représente un exemple de l'art antérieur de régulation de la concentration d'azote dans la ligne d'hydrogène par purge périodique ;
- La figure 6 représente un exemple de régulation de la concentration d'azote dans la ligne d'hydrogène par ouverture et fermeture alternative d'une ligne de purge intégrant un orifice calibré dans un mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente l'architecture d'une PAC 10 de l'art antérieur avec recirculation d'hydrogène 30. Une PAC est un empilement de cellules élémentaires 20 dans lesquelles a lieu une réaction électrochimique entre deux réactifs qui sont introduits de manière continue. Le combustible est apporté au contact de l'anode, le comburant au contact de la cathode. La réaction est subdivisée en deux demi-réactions (une oxydation et une réduction), qui ont lieu d'une part à l'interface anode / électrolyte et d'autre part à l'interface cathode / électrolyte. Elles ne peuvent avoir lieu que s'il existe un conducteur ionique entre les deux électrodes (l'électrolyte) et un conducteur électronique (le circuit électrique externe). L'empilement de cellules n'est que le lieu de la réaction : les réactifs doivent y être apportés, les produits et les espèces non réactives doivent en être évacués, tout comme la chaleur produite. Enfin, le circuit électrique doit être connecté aux deux bornes de l'empilement. Dans les systèmes utilisant de l'hydrogène et de l'air atmosphérique comme réactifs, l'air est amené à la pile par un compresseur et traverse une série de composants (filtre, échangeur thermique, humidificateur, etc.) avant de pénétrer dans la pile à la cathode. En sortie de cathode l'air est généralement chargé en eau liquide et vapeur. Une partie de cette eau est récupérée pour les besoins de l'humidification, puis le gaz résiduel est souvent évacué par l'intermédiaire d'un déverseur permettant le maintien en pression de la ligne. Côté anode l'hydrogène peut être issu d'un grand nombre de sources différentes, qui sont en général également des sources de pression permettant d'éviter le recours à un dispositif de compression du gaz. Il est donc le plus souvent amené à la pile après avoir traversé un ou plusieurs détendeurs ou électrovannes appliquants la pression prévue dans la ligne. En sortie de pile, plusieurs scénarios sont possibles : soit le gaz sortant de l'anode est suffisamment pur et il peut être en partie réinjecté en entrée de pile de manière à assurer un apport d'eau suffisant à la pile, soit il est simplement purgé à intervalle régulier afin d'évacuer les polluants tout en minimisant la quantité d'hydrogène purgé. Dans le premier cas on parle de recirculation de l'hydrogène, et c'est le mode fonctionnement le plus courant sur les systèmes alimentés en hydrogène et air. Le transfert d'azote au travers de la membrane entre le côté cathodique et le côté anodique est la principale raison pour laquelle l'un de ces deux modes de fonctionnement doit être appliqué à l'anode. Et même dans le cas de la recirculation, une purge est nécessaire pour éviter que la concentration d'azote n'atteigne des valeurs dégradant fortement les performances de la pile. Le fonctionnement le plus courant cumule donc recirculation et purge. Sur la figure 1 , la vanne de purge 40 est montée en dérivation sur le circuit de recirculation 30. Dans cette réalisation de l'art antérieur, il n'est pas prévu de séparateur de phase. Cependant, ce composant est généralement indispensable au bon fonctionnement du système PAC intégrant une recirculation. En effet, le passage d'eau liquide dans l'organe entraînant le gaz recyclé (pompe ou éjecteur) peut altérer le fonctionnement de la pile ou de l'organe auxiliaire du fait de la grande différence de densité entre l'hydrogène (très léger) et l'eau liquide. Or en sortie de pile côté anode de l'eau liquide est présente dans la majorité des cas de fonctionnement. De plus si la purge est réalisée en continu par l'intermédiaire d'un orifice calibré, le passage d'un fluide diphasique peut également poser problème en créant des irrégularités dans le débit de purge. En outre, l'eau récupérée en sortie du séparateur de phases peut être réinjectée dans l'humidificateur 60. L'humidification des membranes électrolytiques des cellules de la PAC est en effet une fonction indispensable à son bon fonctionnement.
Comme indiqué sur la figure 2 qui représente le schéma de principe d'un séparateur de phase intégrant un orifice calibré de purge de gaz, dans un mode de réalisation de l'invention, un séparateur des phases 50 est prévu en dérivation du circuit de recirculation. Une sortie supplémentaire est ménagée dans la chambre du séparateur de phases et comprend un moyen de purge 40. Dans cet exemple, le moyen de purge est un orifice dont le calibre est choisi en fonction du débit de purge à assurer. Avantageusement, l'orifice est situé dans une zone proche de la sortie du séparateur, là où le gaz est débarrassé de tout le liquide présent à l'entrée. A titre indicatif le débit de purge des gaz, pour une pile de puissance nominale de 20 kW, varie entre 1 et 2 NL/min pour les purges de gaz et de
10 et 60 ml/min pour les purges d'eau.
Dans cette réalisation, le débit de purge ne peut être ajusté.
11 est cependant possible de prévoir une vanne d'ouverture/fermeture périodique en aval de l'orifice calibré qui permettra un réglage fin. En ajustant les temps d'ouverture et de fermeture de la vanne, il est possible de réduire les pertes d'hydrogène.
Dans les cas où une régulation plus fine du débit de purge serait nécessaire, typiquement ΛA à 3A Nl/min de gaz de purge selon le point de fonctionnement, plusieurs conduits de purges avec des orifices calibrés de section différente peuvent être implantés sur le séparateur. Chaque ligne de purge ainsi créée peut être reliée à une vanne qui va la rendre active ou non au cours du fonctionnement du système. Alternativement, un dispositif de sélection de l'orifice peut être implanté directement dans le séparateur de phase. Si les orifices sont disposés sur une même ligne on peut utiliser une plaque percée que l'on translate de manière à faire coïncider le ou les trous dans la plaque avec un ou plusieurs orifices calibrés. Néanmoins la configuration la plus avantageuse, notamment en terme de compacité est celle où les orifices sont disposés en cercle. Le sélecteur est alors un disque percé qu'il suffit de faire tourner pour que le ou les trous qu'il contient coïncident avec un ou plusieurs orifices.
Les figures 3 et 4 présentent deux exemples de sélecteurs qui permettent de mieux comprendre le fonctionnement de ce dispositif. Sur la figure 3, le disque situé sur la face interne du barillet est doté d'un seul trou dont le diamètre est supérieur à celui du plus grand des orifices calibrés du séparateur. Il peut prendre trois positions d'ouverture, chacune correspondant à un des orifices, la purge étant désactivée dans toutes les autres positions du disque. Sur la figure 4, le disque comporte également un seul trou mais d'une configuration particulière qui permet d'assurer l'ouverture de deux orifices connexes de manière simultanée, ce qui permet de sélectionner cinq débits différents. A titre indicatif, pour une pile de 20 kW, les tous calibrés peuvent être de 0.15, 0.2 et 0.25 mm de diamètre. Cette répartition de diamètre permettra de maîtriser le débit de purge dans toutes les situations de vies. On notera que lors du démarrage, la pression d'hydrogène est faible donc le sélecteur se positionnera sur le plus grand trou. Quand la pression augmentera, le sélecteur changera de position pour assurer un débit de purge régulier. Ce dimensionnement dépend des pressions, températures et technologie cœur de pile utilisée.
Les séparateurs intégrant un ou plusieurs orifices tels que décrits ci-dessus peuvent être reliés directement à un module de dilution dans l'air ou à un brûleur catalytique. Cette connexion peut également se faire par l'intermédiaire d'une vanne qui assurera une fermeture étanche de la purge dans certaines phases de fonctionnement. Enfin un séparateur de phase comme ceux décrits ci-dessus pourra être intégré à la culasse ou à une des plaques terminales de la pile à combustible à laquelle il est connecté, afin de gagner encore en compacité du système PAC. Les séparateurs intégrant un ou plusieurs orifices tels que décrits ci-dessus peuvent être reliés directement à un module de dilution dans l'air ou à un brûleur catalytique. Cette connexion peut également se faire par l'intermédiaire d'une vanne qui assurera une fermeture étanche de la purge dans certaines phases de fonctionnement.
La gestion de la purge avec les différents séparateurs de phase décrits ci- dessus est plus ou moins souple selon les cas décrits : avec un orifice unique, le débit de purge ne dépend que de la pression d'hydrogène dans le séparateur de phase. Un moyen de moduler ce débit peut être de faire varier la pression dans la ligne hydrogène : celle-ci variera en fonction de la puissance fournie par la pile ; dans ce cas on utilisera une pression faible pour un fonctionnement à faible puissance, car la performance du système est améliorée par une diminution du débit de purge ; au besoin on pourra également pour des puissances faibles revenir à un mode de fonctionnement par ouverture périodique d'une vanne en aval de l'orifice ; avec plusieurs orifices, les variations de débit sont simples à réaliser à l'aide d'un sélecteur tel que ceux décrits ci-dessus. Le sélecteur pourra être mis en mouvement par des moyens électriques et/ou pneumatiques ; on peut y associer comme dans le cas précédent une variation de la pression d'hydrogène en fonction du niveau de puissance fourni par la pile ; un mode de fonctionnement par ouverture périodique d'une vanne en aval des orifices est également envisageable ici.
L'ouverture périodique d'une vanne située en aval des orifices permet de réguler finement la concentration d'azote dans la ligne hydrogène. Elle se distingue des systèmes de purge employés dans l'art antérieur du fait que la vitesse de diminution de la concentration pendant la phase d'ouverture de la vanne est beaucoup plus faible, ce qui rend la régulation plus précise.
La figure 5 représente un exemple de l'art antérieur de régulation de la concentration d'azote dans la ligne d'hydrogène par purge périodique. La concentration en azote dans la ligne d'hydrogène chute brutalement (de 60% à zéro) à l'ouverture de la vanne de purge, tandis qu'elle augmente lentement lorsque la vanne est fermée. Il est donc possible de tirer parti de cette cinétique lente en associant une vanne de purge avec un dispositif à orifice calibré tel que décrit ci-dessus. Pour limiter la perte d'hydrogène par cet orifice dans certaines phases de fonctionnement, la fermeture périodique de la vanne de purge permet de réduire fortement le débit sortant (par exemple d'un facteur 2 pour un ratio temps d'ouverture / temps de fermeture de 1 ), tout en régulant la concentration d'azote dans une gamme compatible avec un fonctionnement efficace de la pile à combustible. On se trouve alors en présence d'un système quasiment équivalent à un orifice plus petit.
La figure 6 représente un exemple de ce mode de fonctionnement de la ligne d'hydrogène par ouverture et fermeture alternative d'une ligne de purge intégrant un orifice calibré dans un mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, les durées d'ouverture et de fermeture de l'orifice sont plus proches et la plage de variation de la concentration d'azote reste étroite (ici entre 30 et 40%). Les exemples décrits ci-dessus sont donnés à titre d'illustration de modes de réalisation de l'invention. Ils ne limitent en aucune manière le champ de l'invention qui est défini par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit de recyclage de carburant ou de comburant (30) couplé à une pile à combustible (10) comprenant des moyens de purge (40) des produits des réactions des cellules et des moyens de séparation des phases (50) desdits produits, lesdits moyens de purge constituant une sortie des moyens de séparation des phases et comprenant plusieurs orifices de sortie calibrés contrôlés chacun par une vanne électromécanique dont l'ouverture et la fermeture sont commandées pour choisir le groupe des orifices de sortie actifs à un instant donné, ledit circuit de recyclage étant caractérisé en ce que lesdits orifices calibrés sont disposés dans un logement dont la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'au moins un trou de dimensions adaptées aux calibres des orifices de sortie et est apte à faire mouvement pour occulter une partie des orifices calibrés sous commande de moyens choisis dans le groupe des moyens électriques et pneumatiques.
2 Circuit de recyclage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le logement a sensiblement la forme d'un barillet et en ce que le mouvement de la face interne de ladite cavité est un mouvement tournant.
3 Circuit de recyclage selon la revendication 2 caractérisé en ce que la face interne aux moyens de séparation est dotée d'un trou unique dont la position correspond soit à l'activation d'un seul des orifices de sortie soit à la passivation complète des moyens de purge.
4 Circuit de recyclage selon la revendication 2 caractérisé en ce que la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'un trou unique dont la position correspond soit à l'activation d'au moins deux des orifices de sortie connexes soit à la passivation complète des moyens de purge.
5 Circuit de recyclage selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un module est prévu en sortie des moyens de purge pour effectuer un traitement des effluents choisi dans le groupe dilution, brûlage catalytique.
6 Procédé de production de courant électrique dans une pile à combustible comprenant un ensemble de cellules élémentaires dotées d'une anode et d'une cathode, ledit ensemble étant alimenté en carburant et en comburant, l'un ou l'autre étant constitué d'un circuit de recyclage du mélange gazeux, ledit procédé comprenant une étape de purge des produits des réactions des cellules dont le débit d'effluents en sortie de l'étape de purge est contrôlé par ouverture/fermeture alternative de plusieurs orifices calibrés, ledit procédé étant caractérisé en ce que lesdits orifices calibrés sont disposés dans un logement dont la face interne aux moyens de séparation des phases est dotée d'au moins un trou de dimensions adaptées aux calibres des orifices de sortie et en ce que ledit procédé comprend une étape de mise en mouvement de ladite face interne dudit logement par des moyens choisis dans le groupe des moyens électriques et pneumatiques pour occulter une partie des orifices calibrés.
7 Procédé de production de courant électrique selon la revendication 6 caractérisé en ce que le circuit de recyclage est réalisé selon la revendication 2.
8 Procédé de production de courant électrique selon la revendication 7 caractérisé en ce que le mode de contrôle du débit d'effluents en sortie de l'étape de purge est combiné avec une variation de la pression dans la ligne d'alimentation en hydrogène.
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