WO2012104191A1 - Boucle de recyclage pour pile a combustible - Google Patents

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Gino Paganelli
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Compagnie Generale Des Etablissements Michelin
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Definitions

  • the present invention relates to fuel cells, particularly but not exclusively to electrolyte type fuel cells in the form of a polymer membrane (ie PEFC type for Polymer Electrolyte Fuel Cell).
  • a fuel cell generally comprises the series combination of unitary elements, which each consist essentially of an anode and a cathode separated by a polymer membrane allowing the passage of ions from the anode to the cathode .
  • the objective of the present invention is to achieve sophisticated management of gas recirculation and purges or atmospheres required, whether in operating in the regime or in the start-up or extinguishing phase, without multiplying the pumps which are rather bulky and expensive organs.
  • the invention proposes a recycle loop for a gas circuit of a fuel pi, the recycling loop forming a connecting pipe starting at the output of one of the two anode or cathode circuits of said fuel cell. and terminating on one of the two supply circuits, either on the fuel gas supply channel or on the combustion gas supply channel, respectively, said recycling loop ensuring the recycling of the gas contained in the anode circuits.
  • said recycling loop comprising a recirculation pump ensuring the recycling of the gas contained in the anode or cathode circuits of the fuel cell, characterized in that the recycling loop comprises a valve with several channels dividing said recycling loop into a first section and a second section, said multi-way valve having a first position of stable use, called positi recycling, ensuring continuity between the first and second sections of said recycling loop and having a second stable use position simultaneously ensuring the interruption of said continuity between the first and second sections of said recycling loop and an implementation contact with the atmosphere of said recycling loop operated by maneuvering said multi-way valve.
  • the multi-way valve is a three-way valve.
  • examples implementing such a valve will be described.
  • the present invention does not exclude the use of other types of valves, for example an arrangement of two two-way valves instead of a three-way valve, or any other arrangement of one or more multi valves. -voies.
  • the pump installed in the recycling loop is capable of ensuring the recycling of the gas contained in the anode or cathode circuits of the fuel cell when the valve is in the first position, and is capable of extracting or injecting gas when the valve is in second position;
  • the invention makes it possible to use a single pump to perform the functions of recycling in normal operation of the fuel cell and the function of extraction, of fuel gas, during particular phases of operation, such as a shutdown cycle. of the fuel cell.
  • This arrangement applies, on the anode circuit side, indifferently to the batteries supplied with atmospheric air as combustion gas and to the batteries supplied with oxygen for the cathode side.
  • the present invention relates both to pure oxygen supplied batteries for the cathode side, but also to the batteries supplied with atmospheric air for this cathode side.
  • the invention also makes it possible to use a single pump, to perform the stirring function for homogenization of the gas in the cathode circuit, as well as the air injection function during particular phases of operation such as a cycle. stopping the fuel cell.
  • This provision applies, on the cathodic circuit side, indifferently to the batteries supplied with atmospheric air as combustion gas and with the batteries supplied with pure oxygen.
  • the same pump also provides the recycling function in normal operation of the battery.
  • the invention also extends to a particular procedure for stopping a fuel cell comprising the characteristics described above, the shutdown procedure comprising the following actions:
  • Figure 1 is a diagram of a fuel cell according to the invention, supplied with pure oxygen;
  • Figure 2 is a diagram of a fuel cell according to the invention, supplied with ambient air;
  • Figure 3 is a diagram of an alternative embodiment of a fuel cell according to the invention, supplied with ambient air;
  • Figure 4 shows the evolution of different parameters during the extinction of a fuel cell as shown in Figure 1;
  • Figure 5 shows a flowchart of the stopping procedure of a fuel cell according to the invention.
  • a fuel cell 1a of the electrolyte type in the form of a polymer membrane (ie PEFC type for Polymer Electrolyte Fuel Cell or PEM for Proton Exchange Membrane).
  • the fuel cell 1a is supplied by two gases, namely the fuel (the hydrogen stored or manufactured on board the vehicle) and the oxidizer (in this example, pure oxygen) which feed the electrodes of the electrochemical cells.
  • An electric charge 14 is connected to the fuel cell 1a by an electrical line 10.
  • Figure 1 shows only the elements of the gas circuits useful for understanding the invention.
  • the installation illustrated in Figure 1 comprises a supply circuit 11 of fuel gas side anodes.
  • a tank 1 1T of pure hydrogen H 2 is connected to the inlet of the anode circuit of the fuel cell 1 by means of a supply pipe which passes through a shut-off valve 1 10, then by a valve of pressure regulation 117, then by an ejector 1 13, then by a supply channel 1 1A fuel gas leading to the anodes.
  • a pressure reducer (not shown) is placed between the tank 11 T and the shut-off valve 1 10.
  • Part of the supply circuit 11 hydrogen (fuel) a loop 1 1 R hydrogen recycling not consumed by the fuel cell, connected to the output of the anode circuit of the fuel cell 1a.
  • the recycle loop 1 1 R forms a connection line beginning at the output of the anode circuit of the fuel cell 1a and ends on the fuel gas supply channel 1 1A on the ejector 113.
  • the ejector 1 13 ensures the recycling of fuel gas not consumed by the fuel cell and the mixture with fresh fuel gas from the tank 1 1 T of pure hydrogen H 2 .
  • the recycling loop comprises a pump 1 15 for forced and controlled recycling of gas not consumed by the fuel cell.
  • the recycling loop comprises a three-way valve 1 19 dividing said recycling loop 11 R into a first section 11 R1 and a second section 11 January R2.
  • the pump 115 By positioning the three-way valve 119 on its first position (recycling position), the pump 115 is used for the recirculation function of the fraction of unused fuel gas during the crossing of the anode circuit of the Fuel cell.
  • the three-way valve 1 19 When stopping the fuel cell, it may be necessary to extract hydrogen forcibly out of the anode circuit. In this case, by positioning the three-way valve 1 19 in its second position, it ensures the interruption of the communication of the recycle loop to the ejector 113.
  • the first section 1 1 R1 is isolated from the second section 1 1 R 1 of the recycle loop 1 1 R.
  • the first section 1 1 R1 is then brought into contact with the atmosphere, via a first purge pipe 11 D which leads to an orifice 112 for venting.
  • the pump 1 15 is used for the function of extracting fuel gas during a stopping phase of the fuel cell.
  • the recycle loop 1 1 R comprises a water separator 114, installed on the first section 11 R1 of the recycle loop 1 1 R.
  • a second purge pipe 11 C is installed under the separator d 1 14.
  • a cut-off valve 1 18 is installed on this second purge pipe 1 1 C. This leads to the same orifice 1 12 venting.
  • the additional accumulation chamber of fuel gas 1 16 could be disposed at any location of the fuel gas supply system, that is to say at any point between the valve 1 and the fuel cell 1, even on the recycle circuit 1 1 R, or on the circuit between the water separator 114 and the ejector 1 13. However it is interesting to place it at a location of the circuit where the pressure is higher to reduce the volume or, at the same volume, so as to store a larger amount of hydrogen. On the other hand, the position upstream of the pressure regulating valve makes possible a controlled discharge of said accumulation chamber.
  • the installation illustrated in Figure 1 comprises a pure oxygen supply circuit 12 used as a combustion gas.
  • a tank 12T of pure oxygen O 2 is connected to the input of the cathode circuit of the fuel cell 1a by means of a supply pipe 12A which passes through a shut-off valve 128 and then by a control valve pressure 127, then by an ejector 123, and leads to the cathodes of the fuel cell.
  • a pressure regulator (not shown) is placed between the tank 12T and the shut-off valve 128.
  • Part of the oxygen supply channel 12 is a 12Ra recycling loop of the gas contained in the cathode circuit of the fuel cell 1a, connected to the output of the cathode circuit of the fuel cell 1a.
  • the recycling loop 12Ra comprises a three-way valve 129 dividing said recycling loop 12Ra into a first section 12R1a and a second section 12R2a.
  • a water separator 124 is installed on the recycling loop 12Ra on the first section 12R1a of the recycling loop 12Ra upstream of the three-way valve 129.
  • a purge line 12C is connected under the water separator. This purge pipe 12C results in a shut-off valve 122 that is operated when it is necessary to purge the cathode circuit or empty the separator 124.
  • the recycling loop 12Ra forms a connecting line beginning at the output of the cathode circuit of the fuel cell 1a and ends on the supply channel 12A oxygen on the ejector 123.
  • the ejector 123 provides recycling unconsumed oxygen and mixing with fresh oxygen from the reservoir.
  • the recycle loop 12Ra includes a pump 125.
  • An air supply line 12D starting at a vent port 126, is connected to the three way valve
  • the pump 125 is used for the recirculation function of the gas contained in the cathode circuit of the fuel cell.
  • the battery In certain phases of operation of the battery, for example during a shutdown, it may be necessary to inject atmospheric air forcibly into the cathode circuit.
  • the three-way valve 129 By positioning the three-way valve 129 on its second position, it ensures the interruption of the communication of the recycling loop to the ejector 123.
  • the first section 12R1 is isolated from the second section 12R2a of the 12Ra recycling loop.
  • the second section 12R2a is then brought into contact with the atmosphere, via the pump 125 and the air supply line 12D.
  • the pump 125 is used for the air injection function.
  • the cathode circuit can be applied to both fuel cells supplied with pure oxygen fuel cells supplied with atmospheric air as an oxidizing gas. Let us examine below, based on FIGS. 2 and 3, the variants of implementation with fuel cells operating using atmospheric air as combustion gas.
  • the cathode circuit 12b For atmospheric air cells, the cathode circuit 12b, it should be noted that there is no recycling to the cathode during normal operation of the battery. Indeed, since the unconsumed gas is so low in oxygen (depleted air), it is not appropriate to recycle it. Recirculation operation is only used at the cathode during extinction of the fuel cell, not to mix the unconsumed gas with fresh gas but only to homogenize by stirring the gas contained in the cathode so as to achieve a complete consumption of oxygen without risk of oxygen concentration locally more high.
  • FIG. 2 illustrates an implementation of the invention for a fuel cell 1b supplied with atmospheric air. It can be seen that in this case, the specific elements of the present invention are implanted identically to FIG. 1 on the anode circuit side. At the cathode circuit, we see an air compressor 125b serving in normal use to supply the fuel cell with atmospheric air. Another difference is that the recycling circuit 12Rb of the cathode gas is directly connected to the supply channel 12A without passing through an ejector, a simple branch 123b in a bypass downstream of the air compressor 125b. In a normal operation, a pressure regulating valve 122b makes it possible to continuously exhaust the depleted air towards the atmosphere. The degree of opening of this pressure regulating valve 122b is controlled to maintain the pressure at the desired value in the cathode circuit.
  • the recycling circuit In normal operation of the fuel cell, the recycling circuit is not used, the pump 125 is stopped, and no gas flows in the recycling circuit 12Rb which becomes virtually nonexistent. The totality of gas not consumed by the cathodic reactor is directed to the atmosphere through the pressure regulating valve 122b. In the case where the pump 125 does not naturally provide the anti-return function when it is stopped, a non-return valve must be provided on the recycling circuit 12Rb so as to guarantee the passage of the whole of the pump. air supplied by the compressor to the cathode circuit of fuel cell 1 b.
  • the cutoff valve 128 isolates the cathode circuit of atmospheric air when the battery is stopped. This shutoff valve 128 can indifferently be placed upstream or downstream of the compressor.
  • FIG 3 there is shown an alternative embodiment of a fuel cell 1b supplied with atmospheric air, in which the recycling loop 12Rc of the cathode circuit comprises a three-way valve 129 just as in the mode of The recycling loop 12Rc also comprises a pump 125.
  • the three-way valve 129 divides the recycling loop 12Rc into a first section 12R1c and a second section 12R2c.
  • An air supply line 12D starting at another vent port 126c, is connected to the three way valve 129.
  • the pump 125 is used for the recirculation function of the cathode gas of the fuel cell.
  • the three-way valve 129 By positioning the three-way valve 129 in its first position, as in the first variant described above, the pump 125 is used for the recirculation function of the cathode gas of the fuel cell.
  • This variant is particularly useful if, as is generally done, the compressor 125b is supplied with electrical energy directly by the fuel cell itself. Indeed during the start and stop phases, the voltage on the fuel cell is not sufficient to power the compressor 125b. In addition, the size of the pump 125 is much smaller than that of the compressor 125b. It is then advantageous to have another air injection means for initiating the starting of the battery or for injecting the necessary air (in small quantities) with the nitrogen generation during the extinction of the battery. . The pump 125 is generally powered by a low voltage source still available even when the fuel cell is stopped. For all these reasons (electric voltage available, amount of air to be injected), it is preferable to use the pump 125 for the introduction of air during the stopping phase.
  • the procedure described below makes it possible to extinguish the fuel cell so as to ensure storage with a mixture of hydrogen and nitrogen inside, and this, without the need for a nitrogen tank.
  • the shutdown procedure consists essentially of the following phases:
  • neutralization step which occurs by filling the cathode nitrogen circuit; in the embodiment described here, nitrogen is that of atmospheric air; Forced air injection is then carried out, which again brings a small amount of oxygen, the consumption of which must be controlled by current withdrawal.
  • FIG. 5 schematically an example of sequencing essential commands of the shutdown procedure according to the invention.
  • STOP command a stop command of the fuel cell
  • a control automaton of the fuel cell proceeds from the shutdown process by cutting off the supply of the gases. that is to say by closing, for example simultaneously, the shutoff valves 110 and 128.
  • FIG. 4 illustrates the sequence of the three phases during a shutdown actually measured on a fuel cell of 300 cm 2 active surface cells operating with pure oxygen, in accordance with the arrangement illustrated in FIG. 1.
  • the x-axis indicates the time in seconds with (0) the moment when the shutdown procedure begins.
  • This figure represents the evolution of the following quantities as a function of time during a stop with nitrogen generation: curve 1, whose ordinate axis is marked by "Stack current [A]”: current taken from the fuel cell, expressed in Amperes;
  • the purge valve 122 remains closed during the remainder of the extinguishing procedure and also during the rest so as to prevent air from entering the cathode.
  • the current I s is first set at 60A. From the moment when at least one cell passes below the threshold of 0.5V (see test on Ucellmin at the left branch), the PLC proceeds to the progressive reduction of the current l s (see “reduce ls" to the branch of left of Figure 5); shortly after the fuel cell begins to go down in tension. It is necessary to equip the fuel cell sensors and electrical connections necessary for individual monitoring of the voltage of the cells comprising the stack, at least some cells of the fuel cell.
  • the pump 125 alternately provides the recycling and air injection function. These alternations of function lead to the pressure ripple measured at the cathode and to the voltage ripple measured on the cells. Note that the cathode pressure and cell voltage ripples are in phase opposition (see respectively the third and second curves of FIG. 4). Indeed, during the air injection phases (three-way valve in position to perform the injection function), the cathode pressure increases, but the recycling function is not ensured during this time, the cathodic gas is no longer stirred causing a local shortage of oxygen in the cathode channels which results in a drop in voltage.
  • the cathode gas is stirred and the cathode channels are again better supplied with oxygen, which results in a rise in cell voltages, but as there is no more injected, the consumption of oxygen causes a drop in the pressure at the cathode.
  • Repeated air injections lead to a lower and lower voltage rise, as the presence of nitrogen in the cathode circuit becomes more dominant.
  • the first air injection starts at instant 11 s when the cathode pressure drops to 0.8bara and is maintained until the pressure at the cathode reaches 1.8bara.
  • the three-way valve 129 is controlled in the air injection position at the same time as the pump 125 is activated so as to pressurize the cathode circuit at a pressure which increases progressively, then the three-way valve 129 is controlled in the recycling position at the same time that the pump 125 is appropriately controlled.
  • the pressure of the cathode circuit thus oscillates between 1.8 bara and 1.6 bara, this average level being reached at about 15s.
  • the sampling current I s is initially set to a first constant level (approximately 60 amperes) and is then reduced in proportion to the lower of the voltages of the cells of the fuel cell. Conversely, it can be seen in FIG. 4 that the intensity of the current withdrawn rises again somewhat, concomitantly with each new increase in voltage.
  • the current finally vanishes when the voltage of the fuel cell approaches 0V, as shown by the "yes" output of the second test on the fuel cell voltage of the left branch of Figure 5.
  • the third curve of Figure 4 indicates that the pressure in the cathode compartment drops to less than 1000 mbara.
  • the pressure of hydrogen remains always above 1.1 bara until the phase of extraction thanks to the presence of the chamber of additional accumulation of fuel gas 1 16.
  • the pump 1 15 anode side is maintained in operation and the three-way valve 1 19 in the recycling position so as to stir the anodic gas and avoid any local shortage of hydrogen.
  • the shortage of hydrogen is avoided as indicated by the concentration of hydrogen represented on the fourth curve of Figure 4 which shows that the volume concentration of hydrogen remains greater than 90% in the anode circuit for the duration of the extinguishing procedure.
  • the hydrogen extraction phase is controlled by putting the three-way valve 1 19 on the extraction position (second position, see before last block of FIG.

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Abstract

Boucle de recyclage (11R ou 12Ra) pour circuit gaz d'une pile à combustible (1a), la boucle de recyclage formant une canalisation de liaison débutant à la sortie de l'un des deux circuits anodique ou cathodique de ladite pile à combustible (1) et aboutissant sur l'un des deux circuits d'alimentation, soit sur le canal d'alimentation en gaz carburant (11A), soit sur le canal d'alimentation en gaz comburant (12A), ladite boucle de recyclage assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, ladite boucle de recyclage comportant une pompe (115 ou 125) assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, la boucle de recyclage comportant une vanne à plusieurs voies (119 ou 129) divisant ladite boucle de recyclage en un premier tronçon (11R1 ou 12R1) et un second tronçon (11R2a ou 12R2a), ladite vanne à plusieurs voies ayant une première position d'utilisation stable assurant la continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et ayant une deuxième position d'utilisation stable assurant simultanément l'interruption de ladite continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et une mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manœuvre de ladite vanne à plusieurs voies.

Description

Boucle de recyclage pour pile à combustible
DOMAINE DE L'INVENTION
[001] La présente invention se rapporte aux piles à combustibles, en particulier mais non exclusivement aux piles à combustible du type à électrolyte sous la forme d'une membrane polymère (c'est à dire de type PEFC pour Polymer Electrolyte Fuel Cell).
ETAT DE LA TECHNIQUE
[002] On sait que les piles à combustibles permettent la production directe d'énergie électrique par une réaction électrochimique d'oxydoréduction à partir d'hydrogène (le carburant) et d'oxygène (le comburant) , sans passer par une conversion en énergie mécanique. Cette technologie semble prometteuse notamment pour des applications automobiles. Une pile à combustible comporte en général l'association en série d'éléments unitaires qui, chacun, sont constitués essentiellement d'une anode et d'une cathode séparées par une membrane polymère permettant le passage d'ions de l'anode à la cathode.
Dans le cas de circuit dits en « dead end », c'est-à-dire ne débouchant normalement pas vers l'ambiant, ce qui est généralement le cas du circuit anodique, et également le cas du circuit cathodique pour les piles fonctionnant à l'oxygène pur, le recyclage des gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible pendant le fonctionnent normal est nécessaire de façon à parvenir à une suralimentation nécessaire des circuits anodiques ou cathodiques sans surconsommation de gaz et également pour humidifier le gaz frais entrant grâce à l'eau contenu dans le gaz recirculé.
[003] La demande de brevet WO06/012953 ou la demande de brevet EP2017916 décrivent une pile à combustible, notamment leur canal d'alimentation en gaz. Dans certaines mises en œuvre de pile à combustible, on est conduit à multiplier le nombre de pompes et/ou compresseurs de fluide tout à la fois au circuit anodique et au circuit cathodique, pour pouvoir opérer des gestions de circuit gaz assez sophistiquées, plus particulièrement pendant les phases d'arrêt d'une pile à combustible. On consultera par exemple la demande de brevet FR2009/57644.
[004] L'objectif de la présente invention est de parvenir à assurer une gestion sophistiquée du recyclage de gaz et des purges ou mises à l'atmosphère nécessaires, que ce soit en fonctionnement en régime ou en phase de démarrage ou d'extinction, sans multiplier les pompes qui sont des organes assez encombrants et coûteux.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
[005] L'invention propose une boucle de recyclage pour circuit gaz d'une pi le à combustible, la boucle de recyclage formant une canalisation de liaison débutant à la sortie de l'un des deux circuits anodique ou cathodique de ladite pile à combustible et aboutissant sur l'un des deux circuits d'alimentation, soit sur le canal d'alimentation en gaz carburant, respectivement soit sur le canal d'alimentation en gaz comburant, ladite boucle de recyclage assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, ladite boucle de recyclage comportant une pompe de re-circulation assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, caractérisée en ce que la boucle de recyclage comporte une vanne à plusieurs voies divisant ladite boucle de recyclage en un premier tronçon et un second tronçon, ladite vanne à plusieurs voies ayant une première position d'utilisation stable, dite position de recyclage, assurant la continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et ayant une deuxième position d'utilisation stable assurant simultanément l'interruption de ladite continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et une mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manœuvre de ladite vanne à plusieurs voies.
[006] Dans une réalisation préférentielle de l'invention, la vanne à plusieurs voies est une vanne trois voies. Dans la suite de la description, des exemples mettant en œuvre une telle vanne seront décrits. Toutefois, la présente invention n'exclut pas l'utilisation d'autres types de vannes, par exemple un agencement de deux vannes deux voies en lieu et place d'une vanne trois voies, ou tout autre agencement d'une ou plusieurs vannes multi-voies.
[007] Dans une réalisation particulière de l'invention, la pompe installée dans la boucle de recyclage est capable d'assurer le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible lorsque la vanne est en première position, et est capable d'assurer l'extraction ou l'injection de gaz lorsque la vanne est en deuxième position ; [008] L'invention permet d'utiliser une seule pompe pour réaliser les fonctions de recyclage en fonctionnement normal de la pile à combustible et la fonction d'extraction, de gaz carburant, pendant des phases particulières de fonctionnement comme un cycle d'arrêt de la pile à combustible. Cette disposition s'applique, côté circuit anodique, indifféremment aux piles alimentées en air atmosphérique comme gaz comburant et aux piles alimentées en oxygène pour le coté cathode. La présente invention concerne à la fois les piles alimentées en oxygène pur pour le côté cathode, mais également les piles alimentées en air atmosphérique pour ce côté cathode.
[009] L'invention permet également d'utiliser une seule pompe, pour réaliser la fonction de brassage pour homogénéisation du gaz dans le circuit cathodique, ainsi que la fonction d'injection d'air pendant des phases particulières de fonctionnement comme un cycle d'arrêt de la pile à combustible. Cette disposition s'applique, côté circuit cathodique, indifféremment aux piles alimentées en air atmosphérique comme gaz comburant et aux piles alimentées en oxygène pur. En outre dans le cas de piles alimentées en oxygène pur, pour le circuit cathodique, la même pompe assure en plus la fonction de recyclage en fonctionnement normal de la pile.
[0010] L'invention s'étend aussi à une procédure particulière d'arrêt d'une pile à combustible comportant les caractéristiques décrites ci-dessus, la procédure d'arrêt comprenant les actions suivantes :
• (i) coupure de l'alimentation en gaz carburant et en gaz comburant,
• (ii) positionner la vanne trois voies de chacun des deux circuits anodique ou cathodique en séquence sur les positions successives suivantes :
o en position permettant de réaliser, au circuit cathodique, la fonction d'injection d'air en pilotage de la pompe de façon appropriée, et permettant de réaliser, au circuit anodique, la fonction de vidange d'hydrogène en pilotage de la pompe de façon appropriée,
o en position permettant de réaliser, à chacun des deux circuits anodique et cathodique, la fonction de recyclage ou brassage des gaz en pilotage de chacune des pompes de façon appropriée.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [001 1] La suite de la description permet de bien faire comprendre tous les aspects de l'invention au moyen des dessins joints dans lesquels :
la figure 1 est un schéma d'une pile à combustible selon l'invention, alimentée en oxygène pur ;
la figure 2 est un schéma d'une pile à combustible selon l'invention, alimentée en air ambiant ;
la figure 3 est un schéma d'une variante de réalisation d'une pile à combustible selon l'invention, alimentée en air ambiant ;
la figure 4 montre l'évolution de différents paramètres au cours de l'extinction d'une pile à combustible telle qu'illustré à la figure 1 ;
la figure 5 montre un organigramme de la procédure d'arrêt d'une pile à combustible selon l'invention.
DESCRIPTION DE MEILLEURS MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
[0012] A la figure 1 , on voit une pile à combustible 1 a du type à électrolyte sous la forme d'une membrane polymère (c'est à dire de type PEFC pour Polymer Electrolyte Fuel Cell ou PEM pour Proton Exchange Membrane). La pile à combustible 1 a est approvisionnée par deux gaz, à savoir le carburant (l'hydrogène stocké ou fabriqué à bord du véhicule) et le comburant (dans cet exemple, de l'oxygène pur) qui alimentent les électrodes des cellules électrochimiques. Une charge électrique 14 est branchée à la pile à combustible 1a par une ligne électrique 10. Pour simplifier, la figure 1 ne représente que les éléments des circuits de gaz utiles à la compréhension de l'invention.
Description du circuit anodique :
[0013] L'installation illustrée à la figure 1 comporte un circuit d'alimentation 11 en gaz carburant coté anodes. On voit un réservoir 1 1T d'hydrogène pur H2 relié à l'entrée du circuit anodique de la pile à combustible 1 au moyen d'une canalisation d'alimentation qui passe par une vanne de coupure 1 10, puis par une vanne de régulation de pression 117, puis par un éjecteur 1 13, puis par un canal d'alimentation 1 1A en gaz carburant aboutissant aux anodes. Dans le cas d'un stockage à haute pression, un détendeur de pression (non représenté) est placé entre le réservoir 11 T et la vanne de coupure 1 10. Fait partie du circuit d'alimentation 11 en hydrogène (le carburant) une boucle de recyclage 1 1 R de l'hydrogène non consommé par la pile à combustible, branché à la sortie du circuit anodique de la pile à combustible 1a.
[0014] La boucle de recyclage 1 1 R forme une canalisation de liaison débutant à la sortie du circuit anodique de la pile à combustible 1 a et aboutit sur le canal d'alimentation en gaz carburant 1 1A sur l'éjecteur 113. L'éjecteur 1 13 assure le recyclage du gaz carburant non consommé par la pile à combustible et le mélange avec du gaz carburant frais en provenance du réservoir 1 1 T d'hydrogène pur H2. La boucle de recyclage comporte une pompe 1 15 assurant un recyclage forcé et contrôlé du gaz non consommé par la pile à combustible. La boucle de recyclage comporte une vanne à trois voies 1 19 divisant ladite boucle de recyclage 11 R en un premier tronçon 11 R1 et un second tronçon 1 1 R2.
[0015] En positionnant la vanne à trois voies 119 sur sa première position (position de recyclage), la pompe 115 est utilisée pour la fonction de re-circulation de la fraction de gaz carburant non consommé lors de la traversée du circuit anodique de la pile à combustible.
[0016] Lors de l'arrêt de la pile à combustible, on peut être conduit à devoir extraire l'hydrogène de façon forcée hors du circuit anodique. Dans ce cas, en positionnant la vanne à trois voies 1 19 sur sa deuxième position, on assure l'interruption de la communication de la boucle de recyclage vers l'éjecteur 113. Le premier tronçon 1 1 R1 se trouve isolé du second tronçon 1 1 R2 de la boucle de recyclage 1 1 R. Le premier tronçon 1 1 R1 est alors mis en contact avec l'atmosphère, via une première canalisation de purge 11 D qui aboutit à un orifice 112 de mise à l'atmosphère. Dans ce cas, la pompe 1 15 est utilisée pour la fonction d'extraction de gaz carburant lors d'une phase d'arrêt de la pile à combustible.
[0017] Notons encore que la boucle de recyclage 1 1 R comporte un séparateur d'eau 114, installé sur le premier tronçon 11 R1 de la boucle de recyclage 1 1 R. Une seconde canalisation de purge 11 C est installée sous le séparateur d'eau 1 14. Une vanne de coupure 1 18 est installée sur cette seconde canalisation de purge 1 1 C. Celle-ci aboutit au même orifice 1 12 de mise à l'atmosphère. En commandant la vanne de coupure 1 18, on peut assurer la double fonction de vidange du séparateur d'eau 114 et de purge du circuit anodique lorsque cela est nécessaire. [0018] On voit aussi une chambre d'accumulation additionnelle de gaz carburant 1 16 disposée sur la tuyauterie du circuit d'alimentation 1 1 en gaz carburant, entre la vanne de coupure 110 et une vanne de régulation de pression 1 17.
[0019] Notons que la chambre d'accumulation additionnelle de gaz carburant 1 16 pourrait être disposée à n'importe quel endroit du circuit d'alimentation en gaz carburant, c'est-à-dire à n'importe quel endroit entre la vanne de coupure 1 10 et la pile à combustible 1 , même sur le circuit de recyclage 1 1 R, ou sur le circuit entre le séparateur d'eau 114 et l'éjecteur 1 13. Cependant il est intéressant de la placer à un endroit du circuit où la pression est plus élevée afin d'en réduire le volume ou, à volume identique, de façon à stoker une plus grande quantité d'hydrogène. D'autre part, la position en amont de la vanne de régulation de pression rend possible une décharge contrôlée de ladite chambre d'accumulation.
Description du circuit cathodique
[0020] Décrivons maintenant comment on peut mettre en œuvre l'invention au circuit cathodique d'une pile à combustible.
[0021] L'installation illustrée à la figure 1 comporte un circuit d'alimentation 12 en oxygène pur utilisé comme gaz comburant. On voit un réservoir 12T d'oxygène pur 02 relié à l'entrée du circuit cathodique de la pile à combustible 1a au moyen d'une canalisation d'alimentation 12A qui passe par une vanne de coupure 128, puis par une vanne de régulation de pression 127, puis par un éjecteur 123, et aboutit aux cathodes de la pile à combustible. Dans le cas d'un stockage haute pression, un détendeur de pression (non représenté) est placé entre le réservoir 12T et la vanne de coupure 128. Fait partie du canal d'alimentation 12 en oxygène une boucle de recyclage 12Ra du gaz contenu dans le circuit cathodique de la pile à combustible 1a, branchée à la sortie du circuit cathodique de la pile à combustible 1a. La boucle de recyclage 12Ra comporte une vanne à trois voies 129 divisant ladite boucle de recyclage 12Ra en un premier tronçon 12R1a et un second tronçon 12R2a. Un séparateur d'eau 124 est installé sur la boucle de recyclage 12Ra, sur le premier tronçon 12R1a de la boucle de recyclage 12Ra en amont de la vanne à trois voies 129. Une canalisation de purge 12C est branchée sous le séparateur d'eau. Cette canalisation de purge 12C aboutit à une vanne de coupure 122 que l'on manœuvre lorsqu'il est nécessaire de purger le circuit cathodique ou de vider le séparateur 124. [0022] La boucle de recyclage 12Ra forme une canalisation de liaison débutant à la sortie du circuit cathodique de la pile à combustible 1a et aboutit sur le canal d'alimentation 12A en oxygène sur l'éjecteur 123. L'éjecteur 123 assure le recyclage de l'oxygène non consommé et le mélange à l'oxygène frais en provenance du réservoir. La boucle de recyclage 12Ra comporte une pompe 125. Une canalisation d'alimentation en air 12D, débutant à un orifice 126 de mise à l'atmosphère, est branchée à la vanne à trois voies 129.
[0023] En positionnant la vanne à trois voies 129 sur sa première position, on a indiqué qu'est assurée la continuité entre les premier 12R1 a et second 12R2a tronçons de ladite boucle de recyclage 12Ra. Dans ce cas, la pompe 125 est utilisée pour la fonction de recirculation du gaz contenu dans le circuit cathodique de la pile à combustible.
[0024] Dans certaines phases de fonctionnement de la pile, par exemple lors d'un arrêt, on peut être conduit à devoir injecter de l'air atmosphérique de façon forcée dans le circuit cathodique. Dans ce cas, en positionnant la vanne à trois voies 129 sur sa deuxième position, on assure l'interruption de la communication du la boucle de recyclage vers l'éjecteur 123. Le premier tronçon 12R1 a se trouve isolé du second tronçon 12R2a de la boucle de recyclage 12Ra. Le second tronçon 12R2a est alors mis en contact avec l'atmosphère, via la pompe 125 et la canalisation d'alimentation en air 12D. Dans ce cas, la pompe 125 est utilisée pour la fonction d'injection d'air.
[0025] Soulignons que l'invention, au circuit cathodique, peut être appliquée aussi bien aux piles à combustible alimentées en oxygène pur qu'aux piles à combustible alimentées en air atmosphérique comme gaz comburant. Examinons ci-dessous, en s'appuyant sur les figures 2 et 3, les variantes de mise en œuvre aux piles à combustible fonctionnant en utilisant l'air atmosphérique comme gaz comburant.
Variations pour d'autres mises en œuyre de l'invention :
[0026] Pour les piles à air atmosphérique, au circuit cathodique 12b, il faut noter qu'il n'y a pas de recyclage à la cathode pendant le fonctionnement normal de la pile. En effet, le gaz non consommé étant tellement pauvre en oxygène (air appauvri), il ne convient pas de le recycler. Un fonctionnement en recyclage n'est utilisé à la cathode que pendant l'extinction de la pile à combustible, non pas pour mélanger le gaz non consommé avec du gaz frais mais uniquement pour homogénéiser par brassage le gaz contenu à la cathode de façon à parvenir à une consommation complète de l'oxygène sans risque de concentration en oxygène localement plus élevée.
[0027] La figure 2 illustre donc une mise en œuvre de l'invention pour une pile à combustible 1 b alimentée en air atmosphérique. On voit que dans ce cas, les éléments spécifiques de la présente invention sont implantés de façon identique à la figure 1 côté circuit anodique. Au circuit cathodique, on voit un compresseur d'air 125b servant en usage normal à alimenter la pile à combustible en air atmosphérique. Une autre différence est que le circuit de recyclage 12Rb du gaz cathodique est directement branché au canal d'alimentation 12A sans passer par un éjecteur, par un simple branchement 123b en dérivation en aval du compresseur d'air 125b. Une vanne régulatrice de pression 122b permet, en fonctionnement normal, de faire échapper en continu l'air appauvri vers l'atmosphère. Le degré d'ouverture de cette vanne régulatrice de pression 122b est contrôlé pour maintenir la pression à la valeur souhaitée dans le circuit cathodique.
[0028] En fonctionnement normal de la pile à combustible, le circuit de recyclage n'est pas utilisé, la pompe 125 est à l'arrêt, et aucun gaz ne circule dans le circuit de recyclage 12Rb qui devient virtuellement inexistant. La total ité du gaz non consommé par le ci rcuit cathodique est dirigé vers l'atmosphère à travers la vanne régulatrice de pression 122b. Dans le cas où la pompe 125 n'assure pas naturellement la fonction d'anti-retour lorsqu'elle est arrêtée, il faut prévoir un clapet anti-retour sur le circuit de recyclage 12Rb de façon à garantir le passage de la totalité de l'air fourni par le compresseur vers le circuit cathodique de la pile à combustible 1 b.
[0029] La vanne de coupure 128 permet d'isoler le circuit cathodique de l'air atmosphérique lorsque la pile est à l'arrêt. Cette vanne de coupure 128 peut indifféremment être placée en amont ou en aval du compresseur.
[0030] A la figure 3, on a représenté une variante de réalisation d'une pile à combustible 1 b alimenté en air atmosphérique, dans laquelle la boucle de recyclage 12Rc du circuit cathodique comporte une vanne trois voies 129 tout comme dans le mode de réalisation illustré à la figure 1. La boucle de recyclage 12Rc comporte aussi une pompe 125. La vanne à trois voies 129 divise la boucle de recyclage 12Rc en un premier tronçon 12R1 c et un second tronçon 12R2c. Une canalisation d'alimentation en air 12D, débutant à un autre orifice 126c de mise à l'atmosphère, est branchée à la vanne à trois voies 129.
[0031] En positionnant la vanne à trois voies 129 sur sa première position, tout comme dans la première variante décrite ci-dessus, la pompe 125 est utilisée pour la fonction de recirculation du gaz cathodique de la pile à combustible. Lorsque l'on souhaite injecter de l'air atmosphérique de façon forcée dans le circuit cathodique, pendant l'exécution d'une procédure d'extinction de celle-ci, en positionnant la vanne à trois voies 129 sur sa deuxième position, on assure simultanément l'interruption de la communication de la boucle de recyclage vers le branchement 123b et la mise en contact avec l'atmosphère du second tronçon 12R2c, via la pompe 125 et la canalisation d'alimentation en air 12D. Dans ce cas, la pompe 125 est utilisée pour la fonction d'injection d'air.
[0032] Les autres éléments apparaissant à la figure 3 sont de rôle identique à ce qui a été décrit ci-dessus.
[0033] Cette variante est particulièrement utile si , comme on le fait généralement, le compresseur 125b est alimenté en énergie électrique directement par la pile à combustible elle-même. En effet lors des phases de démarrage et d'arrêt, la tension sur la pile à combustible n'est pas suffisante pour alimenter le compresseur 125b. Par ailleurs, la taille de la pompe 125 est bien inférieure à celle du compresseur 125b. Il est alors avantageux de disposer d'un autre moyen d'injection d'air pour initier le démarrage de la pile ou pour injecter l'air nécessaire (en faible quantité) à la génération d'azote lors de l'extinction de la pile. La pompe 125 est en général alimentée par une source basse tension toujours disponible même lorsque la pile à combustible est à l'arrêt. Pour toutes ces raisons (tension électrique disponible, quantité d'air à injecter), il est préférable d'utiliser la pompe 125 pour l'introduction d'air pendant la phase d'arrêt.
Description de la procédure d'extinction
[0034] La procédure décrite ci-dessous permet d'éteindre la pile à combustible de façon à garantir un stockage avec un mélange d'hydrogène et d'azote à l'intérieur, et cela, sans nécessiter de réservoir d'azote. [0035] La procédure d'arrêt est composée essentiellement des phases suivantes :
1ere phase : phase de consommation de l'oxygène résiduel, qui se produit à partir de la coupure de l'alimentation en gaz carburant et en gaz comburant, et par un prélèvement de courant ls aux bornes de la pile à combustible ; on maintient ce prélèvement de courant ls tant qu'un révélateur approprié indique que le gaz comburant dans le système d'alimentation en gaz comburant n'est pas suffisamment consommé ; un révélateur approprié est par exemple la tension présente aux bornes de la pile à combustible ;
- 2eme phase : phase de neutralisation, qui se produit en remplissant le circuit cathodique d'azote ; dans le mode de réalisation décrit ici, l'azote est celui de l'air atmosphérique ; on procède donc à une injection forcée d'air atmosphérique, ce qui apporte à nouveau un peu d'oxygène dont il faut contrôler la consommation par prélèvement de courant;
- 3eme phase : phase d'extraction forcée pendant laquelle, après l'arrêt total des processus électrochimiques, on retire de façon forcée un éventuel excès de gaz carburant (ici, extraction forcée de l'hydrogène excédentaire) ; soulignons que, grâce à l'invention, cette extraction ne se fait qu'après avoir amené la pile à combustible dans un état où l'on a pris les précautions permettant d'éviter la sous alimentation en hydrogène dont on connaît les graves inconvénients.
[0036] La figure 5 schématise un exemple d'enchaînement des commandes essentielles de la procédure d'arrêt selon l'invention. D'autres modes de commande sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. On voit que, à partir d'un ordre d'arrêt de la pile à combustible (instruction STOP), un automate de commande de la pile à combustible procède au départ du processus d'arrêt en coupant l'alimentation des gaz, c'est-à-dire en fermant, par exemple simultanément, les vannes de coupure 110 et 128.
[0037] La figure 4 illustre l'enchaînement des trois phases lors d'un arrêt réellement mesuré sur une pile à combustible de 20 cellules de 300cm2 de surface active fonctionnant à l'oxygène pur, conforme à l'arrangement illustré à la figure 1. L'axe des abscisses indique le temps en secondes avec comme référence (0) l'instant où la procédure d'arrêt commence. Cette figure représente l'évolution des grandeurs suivantes en fonction du temps lors d'un arrêt avec génération d'azote : - courbe 1 , dont l'axe des ordonnées est repéré par « Stack current [A] » : courant prélevé sur la pile à combustible, exprimé en Ampères ;
- courbe 2, dont l'axe des ordonnées est repéré par « Average cell voltage [V] » :
tension électrique moyenne aux bornes des cellules de la pile à combustible, exprimée en Volts ;
- courbe 3, dont l'axe des ordonnées est repéré par « Pressure out [bar] » :
pression régnant dans le compartiment anode (hydrogène : trait continu) et dans le compartiment cathode (oxygène : trait pointillé), exprimées en bara (comme cela est d'usage dans le domaine des piles à combustible, « mbara » signifie « milli bar absolu, la dernière lettre « a » signifiant « absolu »);
- courbe 4, dont l'axe des ordonnées est repéré par « Anode H2 concentration [%] » : concentration d'hydrogène dans le compartiment anode, exprimée en pourcentage volumique.
[0038] Lors de la première phase de l'extinction (0 à 1 1s, marquée « Oxygen depletion » à la figure 4), à partir du moment où l'alimentation en oxygène est coupée (en fermant la vanne de coupure 128, au même instant que la fermeture de la vanne de coupure 1 10 coupant l'alimentation en hydrogène, voir le premier bloc de la branche de droite de la figure 5), l'oxygène pur résiduel dans la pile à combustible est d'abord partiellement évacué à l'atmosphère par l'ouverture momentanée de la vanne de purge 122.
[0039] Par la suite, le restant est consommé en prélevant un courant ls au cours d'une phase de neutralisation qui va être explicitée ci-dessous. La vanne de purge 122 reste fermée pendant le reste de la procédure d'extinction et également pendant le repos de façon à éviter la pénétration d'air à la cathode.
[0040] Comme l'indique la première courbe de la figure 4 et le début de la branche de gauche de la figure 5, le courant ls est d'abord établi à 60A. A partir du moment où au moins une cellule passe sous le seuil des 0.5V (voir test sur Ucellmin à la branche de gauche), l'automate procède à la réduction progressive du courant ls (voir « réduire ls » à la branche de gauche de la figure 5); peu après la pile à combustible commence à descendre en tension. Il convient d'équiper la pile à combustible des capteurs et branchements électriques nécessaire au suivi individuel de la tension des cellules composant l'empilage, au moins de certaines cellules de la pile à combustible. A partir du moment où la pression p au circuit cathodique de la pile à combustible est inférieure à une valeur de seuil ps choisie expérimentalement (voir le test sur la pression d'oxygène à la branche de droite de la figure 5, ici, 0.8 bara, survenant environ après 11 secondes comme le montre la figure 4), la phase de neutralisation commence (11 à 41 s, marquée « Nitrogen Génération » à la figure 4).
[0041] Pendant la phase de neutralisation, le recyclage et l'injection d'air ne peuvent pas être simultanés. En fonction de la position de la vanne trois voies, on a soit le recyclage (première position), soit l'injection (deuxième position). Cette alternance dans le pilotage de l'extinction apparaît bien dans la seconde partie de la branche de droite de la figure 5, qui montre que la vanne trois voies est d'abord en position d'injection (deuxième position) tant que la pression au circuit cathodique reste inférieur au seuil de 1 ,8 bara puis qui montre que la vanne trois voies est ensuite en position de recyclage (première position) et, maintien du recyclage tant que la pression au circuit cathodique reste supérieure au seuil de 1 ,6 bara et retour à une phase d'injection dès que la pression au circuit cathodique dépasse le seuil de 1 ,6 bara. Il en résulte une extinction par palier, chacun de ces paliers étant l'alternance d'une injection et d'un recyclage. Dès que la tension moyenne des cellules s'est sensiblement annulée, signe d'un appauvrissement quasi total en oxygène, la phase de neutralisation est terminée, comme le montre la sortie « oui » du test sur Ucellavg de la branche de droite de la figure 5.
[0042] Par ailleurs, pendant la phase « nitrogen génération » la pompe 125 assure alternativement la fonction de recyclage et d'injection d'air. Ces alternances de fonction conduisent aux ondulations de pression mesurées à la cathode et aux ondulations de tension mesurées sur les cellules. A noter que les ondulations de pression cathode et de tension cellules sont en opposition de phase (voir respectivement la troisième et la deuxième courbe de la figure 4). En effet, pendant les phases d'injection d'air (vanne trois voies en position permettant de réaliser la fonction d'injection), la pression à la cathode augmente, mais la fonction de recyclage n'étant pas assurée pendant ce temps, le gaz cathodique n'est plus brassé engendrant une pénurie locale d'oxygène dans les canaux cathodiques ce qui se traduit par une chute de la tension. Inversement, lorsque la pompe assure la fonction de recyclage (vanne trois voies en position recyclage), le gaz cathodique est brassé et les canaux cathodiques se trouvent à nouveau mieux alimentés en oxygène ce qui se traduit par une remontée des tensions de cellule, mais comme il n'y a plus d'ai r i njecté, la consommation d'oxygène engendre une baisse de la pression à la cathode. [0043] Les injections d'air répétées conduisent à une élévation de tension de moins en moins élevée, à mesure que la présence d'azote dans le circuit cathode devient de plus en dominante. Dans l'exemple illustré ici, à l'aide des courbes en figure 4, la première injection d'air commence à l'instant 11 s lorsque la pression à la cathode descend à 0.8bara et est maintenue jusqu'à ce que la pression à la cathode atteigne 1.8bara. La vanne trois voies 129 est commandée en position injection d'air en même temps que la pompe 125 est activée de façon à pressuriser le circuit cathodique à une pression qui augmente progressivement, puis la vanne trois voies 129 est commandée en position recyclage en même temps que la pompe 125 est pilotée de façon appropriée. La pression du circuit cathodique oscille ainsi entre 1.8 bara et 1.6 bara, ce niveau moyen étant atteint à environ 15s.
[0044] Le prélèvement de courant ls est d'abord établi à un premier niveau constant (environ 60 Ampère) puis il est réduit proportionnellement à la plus faible des tensions des cellules de la pile à combustible. Inversement, on voit à la figure 4 que l'intensité du courant prélevé s'élève à nouveau quelque peu, concomitamment à chaque nouvelle élévation de tension. On voit le pilotage du prélèvement de courant dans la seconde partie (voir « réduire ls ») de la branche de gauche de la figure 5, en fonction de tests sur la tension de la pile à combustible). Le courant s'annule finalement lorsque la tension de la pile à combustible approche de 0V, comme le montre la sortie « oui » du deuxième test sur la tension de la pile à combustible de la branche de gauche de la figure 5.
[0045] La troisième courbe de la figure 4 indique que la pression dans le compartiment cathodique descend à moins de 1000 mbara. Par contre, en dépit de la consommation liée à la production de courant, la pression d'hydrogène demeure toujours au dessus de 1.1 bara jusqu'à la phase d' extraction grâce à la présence de la chambre d'accumulation additionnelle de gaz carburant 1 16.
[0046] Dés le début de la procédure d'extinction et jusqu'à l'instant 41 s, la pompe 1 15 coté anode est maintenue en fonctionnement et la vanne trois voies 1 19 en position recyclage de façon à brasser le gaz anodique et éviter toute pénurie locale d'hydrogène. Pendant toute la durée de l'extinction, la pénurie d'hydrogène est évitée comme l'indique la concentration d'hydrogène représentée sur la quatrième courbe de la figure 4 qui montre que la concentration volumique d'hydrogène reste supérieure à 90% dans le circuit anodique pendant toute la durée de la procédure d'extinction. [0047] A l'instant 41s, la phase d' extraction d'hydrogène est commandée en mettant la vanne trois voies 1 19 sur la position extraction (deuxième position, voir avant dernier bloc de la figure 5) permettant de réaliser l'extraction de gaz carburant en actionnant la pompe 1 15 tant que la pression au circuit anodique n'est pas inférieure au seuil de 0,5 bara. Enfin, lorsque la pression au circuit anodique est inférieure audit seuil de 0,5 bara, la procédure d'arrêt se termine par l'arrêt des pompes 115 et 125 et le positionnement en position de recyclage (première position) des vannes trois voies 119 et 129.
[0048] Dans cet exemple, après six (6) alternances d'injections d'air/re-circulation, la cathode se trouve essentiellement remplie d'azote, la tension des cellules est quasiment nulle. Ceci n'est qu'un exemple de mode de pilotage de l'alternance d'injections d'air/recirculation ; d'autres modes de pilotage conduisant à une alternance d'injections d'air/recirculation sont possibles.

Claims

REVENDICATIONS
1. Boucle de recyclage (11 R ou 12Ra ou 12Rb ou 12Rc) pour circuit gaz d'une pile à combustible (1), la boucle de recyclage formant une canalisation de liaison débutant à la sortie de l'un des deux circuits anodique ou cathodique de ladite pile à combustible (1) et aboutissant sur l'un des deux circuits d'alimentation, soit sur le canal d'alimentation en gaz carburant (11A), soit sur le canal d'alimentation en gaz comburant (12A), ladite boucle de recyclage assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, ladite boucle de recyclage comportant une pompe (1 15 ou 125) assurant le recyclage du gaz contenu dans les circuits anodiques ou cathodiques de la pile à combustible, caractérisée en ce que la boucle de recyclage comporte une vanne à plusieurs voies (119 ou 129) divisant ladite boucle de recyclage en un premier tronçon (11 R1 ou 12R1 a ou 12R1 c) et un second tronçon (1 1 R2 ou 12R2a ou 12R2c), ladite vanne à plusieurs voies ayant une première position d'utilisation stable assurant la continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et ayant une deuxième position d'utilisation stable assurant simultanément l'interruption de ladite continuité entre les premier et second tronçons de ladite boucle de recyclage et une mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manœuvre de ladite vanne à plusieurs voies.
2. Boucle de recyclage (11 R) selon la revendication 1 , pour circuit gaz carburant d'une pile à combustible (1), ladite boucle de recyclage comportant un séparateur d'eau (1 14), caractérisée en ce que ladite pompe (1 15) est installée sur le premier tronçon (1 1 R1), en amont de la vanne à plusieurs voies (1 19) et en ce qu'une première canalisation de purge (11 D) est branchée à la vanne à plusieurs voies (1 19) pour assurer ladite mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manœuvre de ladite vanne à plusieurs voies.
3. Boucle de recyclage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une seconde canalisation de purge (1 1 C) est installée sous le séparateur d'eau (1 14), et en ce que lesdites canalisation de purge (11 C et 1 1 D) aboutissant à un même orifice (112) de mise à l'atmosphère.
4. Boucle de recyclage selon la revendication 1 , pour circuit gaz comburant d'une pile à combustible (1), caractérisée en ce que ladite pompe (125) est installée sur le second tronçon (12R2a ou 12R2c), en aval de la vanne à plusieurs voies (129) et en ce qu'une canalisation d'alimentation en air (12D) est branchée à la vanne à plusieurs voies (129) pour assurer ladite mise en contact avec l'atmosphère de ladite boucle de recyclage opérée par manœuvre de ladite vanne à plusieurs voies.
5. Boucle de recyclage selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'une canalisation de purge (12C) est branchée sur le premier tronçon (12R1a ou 12R1 c) de la boucle de recyclage (12Ra ou 12Rc), en amont de la vanne à plusieurs voies (129), ladite canalisation de purge (12C) aboutissant à une vanne ce coupure (122).
6. Boucle de recyclage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la vanne à plusieurs voies (1 19 ou 129) est une vanne à trois voies.
7. Procédure d'arrêt d'une pile à combustible (1) selon la revendication 1 , la procédure d'arrêt comprenant les actions suivantes :
• (i) coupure de l'alimentation en gaz carburant et en gaz comburant,
• (ii) positionner la vanne trois voies de chacun des deux circuits anodique ou cathodique en séquence sur les positions successives suivantes :
o en position permettant de réaliser, au circuit cathodique, la fonction d'injection d'air en pilotage de la pompe (125) de façon appropriée, et permettant de réaliser, au circuit anodique, la fonction de vidange d'hydrogène en pilotage de la pompe (115) de façon appropriée,
o en position permettant de réaliser, à chacun des deux circuits anodique et cathodique, la fonction de recyclage des gaz en pilotage de chacune des pompes (115 et 125) de façon appropriée.
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