WO2012136936A1 - Systeme de production d'energie comprenant une pile a combustible et un systeme de regulation de pression - Google Patents

Systeme de production d'energie comprenant une pile a combustible et un systeme de regulation de pression Download PDF

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Serge Le Gonidec
Fabrice RUTARD
Moussa AMARI
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation system.
  • the present invention relates to an energy production system comprising a fuel cell, a first oxidant gas circulation circuit, a second fuel gas circulation circuit (reducer), and a control system of the fuel gas system. pressure differential between said first and second circuits.
  • a fuel cell implements an electrochemical redox reaction with simultaneous generation of electricity.
  • the fuel cell comprises two electrodes - an anode and a cathode - to circulate the electric current, and a membrane or other exchange wall blocking the passage of electrons and passing the ions.
  • the electrodes of the cell must be fed respectively with a fuel, usually hydrogen, and with an oxidant, namely oxygen (resulting for example from a flow of air introduced into the core of the cell). .
  • the cell is connected to a first combustion gas circulation circuit and to a second fuel gas circulation circuit.
  • the first circuit comprises a fuel supply line of the oxidizing gas and, at the outlet of the battery, a combustion gas evacuation pipe.
  • the second fuel gas circuit comprises a fuel supply line of the fuel gas and, at the outlet of the battery, a fuel gas discharge pipe.
  • Hydrogen does not exist: not in the natural state, it is generally produced in gaseous form by an auxiliary device called "reformer”, from a hydrocarbon compound such as methanol, ethanol, etc., reacting with water and / or air in the presence of a catalyst.
  • auxiliary device such as methanol, ethanol, etc.
  • the protons encounter the electrons and the oxygen (pure or from air) charged to the cathode, to form water, and gaseous residues (especially dioxygen).
  • Certain categories of fuel cells are very sensitive to the pressure differential between the fluid network connected to the anode (second fuel gas circulation circuit) and the fluid network connected to the cathode (first combustion gas circulation circuit). When this pressure differential is too great, it happens for example that the membrane of the fuel cell deteriorates.
  • Pressure regulating devices are already known in fuel cell power generation systems.
  • regulators respectively located on the fuel circulation circuit and on the battery oxidant circulation circuit and controlled by software or by hydromechanical mechanisms, act on valves of the circuit, at the battery outlet, to regulate pressure.
  • Pressure control involves blocking or loosening the gas in the circuits. Since the pressure drop in the fuel cell is low, it can generally be considered that the pressure at the stack outlet is substantially equal to that at the input of the battery. It is therefore customary to control the pressure at the stack outlet, as indicated previously, to adjust the pressure in the fuel cell.
  • the present invention relates to a power generation system comprising a fuel cell, a first combustion gas circulation circuit, and a second fuel gas circulation circuit, wherein the pressure differential between the fuel circuit and the oxidant circuit can be simply controlled without affecting the efficiency of the battery.
  • an energy production system comprising a fuel cell, a first circulation circuit for supplying the fuel cell with oxidant gas and recovering the combustion gas residues at an outlet of the battery, a second circulation circuit. for supplying fuel gas to the stack and recovering combustible gas residues at an outlet of the stack, and a pressure differential control system between said first and second circuits,
  • the energy generating system being characterized in that the control system comprises at least one pressure regulating device mounted on the first circuit, at the outlet of the fuel cell, the second circuit being devoid of a pressure regulator; and at least one pressure sensor connected to the second circuit, for measuring a pressure value in the second circuit, and in that the pressure regulating device is exerted on the first circuit as a function of the pressure value measured in the second circuit. second circuit, so as to maintain a constant pressure differential between the first and the second circuit.
  • the pressure differential may be zero or non-zero.
  • the pressure regulating device when the pressure differential must be maintained at a constant value and not zero, the pressure regulating device is prestressed according to the desired pressure differential.
  • the pressure regulation device is a non-controlled body from the outside (so-called passive body), that is to say operating without energy input and without external control.
  • the pressure regulating device may be a pressure regulator or a flow regulator operating autonomously, without automation, that is to say without controlled operation.
  • Such a control device is cheaper and easier to implement than systems using software and electrical actuations known from the prior art.
  • the pressure sensor is located upstream of the fuel cell.
  • the pressure regulating device remains downstream of the fuel cell, but the taking of information on the fuel gas circulation circuit is performed upstream of the battery. This allows a more reliable regulation in the case where the pressure drop in the fuel cell is important.
  • the term pressure sensor means any device for measuring a pressure or more generally to collect information representative of the pressure to be measured.
  • the pressure sensor may be a pressure tap on the circuit whose pressure is to be measured.
  • the pressure sensor is located downstream of the fuel cell. This arrangement improves the response time of the control system.
  • a heat exchanger can be provided at the stack outlet in order to recover the thermal energy contained in the gaseous effluents, which thermal energy can be used for example in a heating system.
  • a combustion chamber may also be provided to burn the residual gases, the heat exchanger for recovering the heat resulting from this combustion.
  • a combustion chamber is located downstream of the fuel cell and coupled to a heat exchanger, said combustion chamber being fed by the first and second gas circulation circuits.
  • the system comprises an oxidizing gas deflection circuit from the first circuit to another component, the pressure regulating device being adapted to deflect a portion of the oxidizing gas flowing in the first circuit to said deflection circuit .
  • the system comprises a premix chamber upstream of the combustion chamber, and such an oxidizing gas deflection circuit from the first circuit to said premix chamber, the premix chamber being supplied with fuel gas by the second gas circulation circuit and combustion gas by said deflection circuit.
  • the supply circuit of the pre-mixing chamber with oxidizing gas can generate a constant air flow, which facilitates the ignition in the premix chamber.
  • the fuel cell according to the invention is of the solid oxide type also commonly called SOFC ("for Solid Oxid Fuel Cell”).
  • FIG. 1 is a schematic representation of a power generation system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a power generation system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates an example of a pressure regulating device that can be used in the present invention. Detailed description of exemplary embodiments
  • FIG. 1 diagrammatically shows a power generation system 100 according to a first exemplary embodiment of the invention, comprising a fuel cell 10 provided with an anode 61, a cathode 62, a separate circuit for the electrons 64, and a membrane 66 separating the anode 61 and the cathode 62.
  • the anode and the cathode of the fuel cell are fed respectively with a fuel gas, in this case hydrogen, and with an oxidizing gas, here oxygen.
  • a fuel gas in this case hydrogen
  • an oxidizing gas here oxygen
  • the system 100 comprises a pipe 121 for supplying the battery 10 with oxidizing gas and a pipe 141 for supplying the battery 10 with a fuel gas.
  • the system 100 comprises, at the outlet of the stack 10, a pipe 122 for discharging oxidizing gas and a pipe 142 for discharging combustible gas.
  • the gaseous residues are conveyed to a combustion chamber 22, to be burned there, the heat resulting from the combustion being recovered in a heat exchanger 20.
  • the "oxidizer line” 12 will be called the circulation circuit for oxidizing gas intended to feed the stack 10 with oxidizing gas and to recover the combustion gas residues. It is constituted, in the example, conduits 121 and 122.
  • the "fuel line” 14 will be called the circulation circuit for fuel gas intended to feed the fuel gas stack and to recover the fuel gas residues. It consists, in the example, lines 141 and 142.
  • Two conditions that must be observed for the proper functioning of the fuel cell 10 are the maintenance, in the oxidizer line 12, of a pressure PA greater than that of the fuel line PH, and the maintenance of a pressure differential ⁇ between the oxidizer lines 12 and fuel 14 constant and below a certain limit value, for example 50 mBar.
  • the fuel cell 10 according to the present invention is of the solid oxide type also commonly called SOFC ("for Solid Oxid Fuel Cell”) or any other type of fuel cell in which the pressure stress is not essential. (ie the pressure differential ⁇ needs to be regulated, but the pressure values PA and PH in the oxidizer and fuel lines can vary substantially without this being a problem).
  • SOFC Solid Oxid Fuel Cell
  • the system 100 further comprises a regulation system 30.
  • the regulation system 30 comprises a pressure sensor 32 of the pressure PH on the fuel line 14.
  • this pressure sensor 32 is located downstream of the fuel cell 10, on the pipe 142 for discharging combustible gas.
  • the control system 30 further comprises a pressure regulating device 34 for controlling and regulating the pressure PA in the oxidizer line 12 as a function of the pressure value PH measured by the pressure sensor 32.
  • the pressure regulating device 34 is advantageously a pneumomechanical device, in particular a pressure-controlled pressure limiter observed on line 14. An example of such a device will be described in more detail with reference to FIG.
  • the pressure in the oxidizer line 12 is modified in accordance with the evolution of the pressure of the fuel line 14, regardless of the flow rates, and the pressure differential ⁇ between the oxidant lines 12 and fuel 14 can be mastered.
  • an air stream is further taken on the oxidizer line 12 and deflected to a parallel circuit 36 to feed a pre-mixing chamber 24 located upstream of the combustion chamber 22, where it is mixed with all the excess hydrogen from the fuel cell 10.
  • a restriction 55 on the circuit 36 allows to take only a debit air Q, which does not affect the pressure value in the oxidizer circulation circuit 12.
  • a premix can be made upstream of the combustion chamber 22 of the heat exchanger 20, as illustrated in FIG. 1 by the junction between the circuits 36 and 14 inside the premix chamber 24.
  • This premix facilitates combustion. It makes it possible to optimize the homogeneity of the fuel / oxidant mixture necessary for the combustion stability in the combustion chamber 22. More precisely, this premix can contribute to obtaining a mixture closer to a stoichiometric point allowing establish the equivalent of a pilot at the outlet of the premix chamber 24 and then finish the combustion in the chamber 22 with the residual air from the line 122.
  • the flow rate Q inside the parallel circuit 36 depends on the pressure differential ⁇ between the fuel and oxidant lines, and the flow section in the line 36.
  • a constant and differential flow section of constant pressure, the flow rate in this parallel circuit is constant.
  • the control system 30 thus indirectly makes it possible to guarantee a constant flow rate in the line 36, while maintaining a constant pressure differential ⁇ between the fuel circulation circuits 14 and the oxidizer 12. It is however necessary for the flow rate to in this parallel circuit 36 is constant and in the right direction, that the pressure differential ⁇ between the oxidizer line 12 and the fuel line 14 is non-zero and positive.
  • the flow section in the line 36 may be varied under the effect of a controlled microvalve or a controlled flow regulator (ie controlled from the outside), depending on the pressure or flow in the fuel line, so as to remain in an acceptable fuel / oxidant ratio inside the premix chamber 24.
  • the device 34 here comprises a mechanical actuation system 40 of a valve 50 placed on the oxidizer line 12.
  • the actuating system 40 comprises two chambers 41, 42, separated from each other by a plate 44 pivotally mounted about an axis 45, and delimited respectively by bellows 41a, 42a.
  • the first chamber 41 is supplied with combustible gas by the pressure tap 32 on the fuel line 14.
  • the second chamber 42 is subjected to a reference pressure which is that of the oxidizer line 12, to which it is connected by a pressure tap 38.
  • the plate 44 is connected, by a hinge 46, to an actuating rod 48 which is slidably mounted in an opening of the conduit of the oxidizer line 12 and which is terminated by a valve 52 able to close said duct.
  • the rod 48 ends with a flared portion 52 adapted to close an orifice 54, the valve 52 and the orifice 54 forming a valve for controlling the flow section on the oxidizer line.
  • the pressure regulating device 34 may also be associated with a preload (or offset) representative of the desired pressure differential ⁇ .
  • this prestress corresponds to an additional effort applied to the component which ensures the balance of the pressure field between the fuel and oxidant lines.
  • the plate 44 provides this balance, and can for example be prestressed by means of a mass, of a spring.
  • one of the bellows may have by default a predetermined pressure.
  • the prestressing applied to the pressure regulating device makes it possible, if necessary, to guarantee a minimum flow rate Q in the deflection circuit 36, which feeds the premix chamber 24 with oxidizing gas.
  • FIG. 2 illustrates a power generation system 100 'equipped with a fuel cell 10, according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the structural elements identical to those of the first embodiment have the same reference numerals.
  • This second embodiment differs from that of Figure 1 only in that the pressure tap on the fuel line 14 is formed upstream of the stack 10, on the pipe 141 for supplying the fuel gas stack 10. This is particularly advantageous when the pressure drop in the fuel cell 10 is large, so that a pressure measurement performed downstream of the cell would not be sufficiently representative of the situation inside the cell.

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Abstract

La présente invention concerne un système de production d'énergie comprenant une pile à combustible (10), un premier circuit de circulation (12) pour un gaz comburant, un second circuit de circulation (14) pour un gaz combustible, et un système de régulation (30) du différentiel de pression (ΔΡ) entre lesdits premier et second circuits. Le système de régulation (30) comporte au moins un dispositif de régulation de pression (34) monté sur le premier circuit (12), en sortie de la pile à combustible (10), le second circuit (14) étant dépourvu de dispositif de régulation de pression, et au moins un capteur de pression (32) relié au second circuit (14), pour mesurer une valeur de pression dans le second circuit (14). Le dispositif de régulation de pression (34) s'exerce sur le premier circuit (12) en fonction de la valeur de pression mesurée dans le second circuit (14), de façon à conserver un différentiel de pression (ΔΡ) constant entre le premier et le second circuit.

Description

SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE COMPRENANT UNE PILE A COMBUSTIBLE ET UN SYSTEME DE REGULATION DE PRESSION
Domaine technique
La présente invention concerne un système de production d'énergie.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un système de production d'énergie comprenant une pile à combustible, un premier circuit de circulation de gaz comburant (oxydant), un second circuit de circulation de gaz combustible (réducteur), et un système de régulation du différentiel de pression entre lesdits premier et second circuits.
Arrière-plan de l'invention
Une pile à combustible met en œuvre une réaction d'oxydoréduction électrochimique avec production simultanée d'électricité. A cette fin, la pile à combustible comprend deux électrodes - une anode et une cathode - pour faire circuler le courant électrique, et une membrane ou autre paroi d'échange bloquant le passage des électrons et laissant passer les ions.
Les électrodes de la pile doivent être alimentées respectivement avec un combustible, en général de l'hydrogène, et avec un comburant, à savoir de l'oxygène (issu par exemple d'un flux d'air introduit dans le cœur de la pile).
A cet effet, la pile est reliée à un premier circuit de circulation de gaz comburant et à un second circuit de circulation de gaz combustible. Le premier circuit comporte une conduite d'alimentation de la pile en gaz comburant et, en sortie de la pile, une conduite d'évacuation de gaz comburant. Le second circuit de gaz combustible comporte une conduite d'alimentation de la pile en un gaz combustible et, en sortie de la pile, une conduite d'évacuation de gaz combustible.
L'hydrogène n'existant: pas à l'état naturel, il est généralement produit sous forme gazeuse par un dispositif auxiliaire appelé « reformeur », à partir d'un composé hydrocarboné tel que du méthanol, de l'éthanol, etc., réagissant avec de l'eau et/ou de l'air en présence d'un catalyseur. Le principe de fonctionnement de la pile à combustible est bien connu : L'hydrogène arrivé à l'anode, il se dissocie en protons et en électrons, lesquels électrons, bloqués par la membrane, sont contraints d'emprunter un circuit extérieur, ce qui génère un courant électrique.
Les protons rencontrent, eux, les électrons et le dioxygène (pur ou provenant de l'air) chargé à la cathode, pour former de l'eau, et des résidus gazeux (dioxygène notamment).
Certaines catégories de piles à combustible sont très sensibles au différentiel de pression entre le réseau fluide relié à l'anode (second circuit de circulation de gaz combustible) et le réseau fluide relié à la cathode (premier circuit de circulation de gaz comburant). Lorsque ce différentiel de pression est trop important, il arrive par exemple que la membrane de la pile à combustible se détériore.
Pour garantir un bon fonctionnement de la pile à combustible, il est donc nécessaire de conserver entre ces deux réseaux un différentiel de pression raisonnable, par exemple compris entre 0 et 50 mbar, et maîtrisé.
On connaît déjà des dispositifs de régulation de la pression dans les systèmes de production d'énergie à pile à combustible. Dans ces systèmes, des régulateurs situés respectivement sur le circuit de circulation de combustible et sur le circuit de circulation de comburant de la pile et pilotés par logiciel ou par des mécanismes hydromécaniques, agissent sur des vannes du circuit, en sortie de pile, pour réguler la pression.
Ces systèmes permettent de maintenir constant le différentiel de pression entre les circuits de circulation de combustible et de comburant, en contrôlant la pression moyenne dans chacun des deux circuits.
Le contrôle de pression implique le blocage ou le relâchement du gaz dans les circuits. Comme la chute de pression dans la pile à combustible est faible, on peut généralement considérer que la pression en sortie de pile est sensiblement égale à celle à l'entrée de la pile. Il est donc usuel de contrôler la pression en sortie de pile, comme indiqué précédemment, pour régler la pression dans la pile à combustible.
En régulant la pression à la fois dans le circuit de circulation de combustible et dans celui de comburant, les systèmes de l'art antérieur risquent cependant d'entraîner une réduction excessive du débit dans le circuit de circulation de combustible, ce qui peut conduire à une baisse de rendement de la pile à combustible. Par ailleurs, ces systèmes connus sont, pour la plupart, automatisés, ce qui les rend complexes à fabriquer et relativement onéreux.
Objet et résumé de l'invention
Au vu de ce qui précède, la présente invention concerne un système de production d'énergie comprenant une pile à combustible, un premier circuit de circulation de gaz comburant, et un second circuit de circulation de gaz combustible, dans lequel le différentiel de pression entre le circuit de combustible et le circuit de comburant peut être maîtrisé simplement, sans toutefois influer sur le rendement de la pile.
Ce but est atteint grâce à un système de production d'énergie comprenant une pile à combustible, un premier circuit de circulation pour alimenter la pile en gaz comburant et récupérer les résidus de gaz comburant à une sortie de la pile, un second circuit de circulation pour alimenter la pile en gaz combustible et récupérer les résidus de gaz combustible à une sortie de la pile, et un système de régulation du différentiel de pression entre lesdits premier et second circuits, le système de production d'énergie étant caractérisé en ce que le système de régulation comporte au moins un dispositif de régulation de pression monté sur le premier circuit, en sortie de la pile à combustible, le second circuit étant dépourvu de régulateur de pression ; et au moins un capteur de pression relié au second circuit, pour mesurer une valeur de pression dans le second circuit, et en ce que le dispositif de régulation de pression s'exerce sur le premier circuit en fonction de la valeur de pression mesurée dans le second circuit, de façon à conserver un différentiel de pression constant entre le premier et le second circuit.
La pression n'étant pas régulée dans le second circuit de circulation de combustible, il n'y a pas de risque pour que le débit de combustible en sortie de pile soit réduit de manière excessive et que le combustible soit bloqué dans la pile.
Dans toute la présente demande, et sauf indication contraire, le différentiel de pression peut être nul ou non nul.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, lorsque le différentiel de pression doit être maintenu à une valeur constante et non nulle, le dispositif de régulation de pression est précontraint en fonction du différentiel de pression souhaité. Selon un autre exemple de réalisation, le dispositif de régulation de pression est un organe non commandé de l'extérieur (organe dit passif), c'est-à-dire fonctionnant sans apport d'énergie et sans contrôle externe. Par exemple, le dispositif de régulation de pression peut être un régulateur de pression ou un régulateur de débit fonctionnant de façon autonome, sans automatisation, c'est-à-dire sans actionnement commandé. Un tel dispositif de régulation est moins cher et plus simple de mise en œuvre que les systèmes utilisant des logiciels et des actionnements électriques connus de l'art antérieur.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le capteur de pression est situé en amont de la pile à combustible. Dans ce cas, le dispositif de régulation de pression reste en aval de la pile à combustible, mais la prise d'informations sur le circuit de circulation de gaz combustible est réalisée en amont de la pile. Ceci permet d'avoir une régulation plus fiable dans le cas où la chute de pression dans la pile à combustible est importante.
Selon la présente invention, on entend par capteur de pression tout dispositif permettant de mesurer une pression ou plus généralement de recueillir des informations représentatives de la pression à mesurer. Notamment, le capteur de pression peut être un piquage de pression sur le circuit dont on souhaite mesurer la pression.
Selon un autre exemple de réalisation de l'invention, le capteur de pression est situé en aval de la pile à combustible. Cette disposition permet d'améliorer le temps de réponse du système de régulation.
La réaction d'oxydoréduction dans la pile à combustible étant exothermique, un échangeur thermique peut être prévu en sortie de pile afin de récupérer l'énergie thermique contenue dans les rejets gazeux, laquelle énergie thermique peut être utilisée par exemple dans un système de chauffage. Une chambre de combustion peut également être prévue pour brûler les gaz résiduels, l'échangeur thermique permettant de récupérer la chaleur issue de cette combustion.
Ainsi, selon un exemple de réalisation, une chambre de combustion est située en aval de la pile à combustible et couplée à un échangeur thermique, ladite chambre de combustion étant alimentée par les premier et second circuits de circulation de gaz. Selon un exemple de réalisation, le système comprend un circuit de déviation de gaz comburant issu du premier circuit vers un autre composant, le dispositif de régulation de pression étant adapté pour dévier une partie du gaz comburant circulant dans le premier circuit vers ledit circuit de déviation.
Avantageusement, le système comprend une chambre de prémélange en amont de la chambre de combustion, et un tel circuit de déviation de gaz comburant issu du premier circuit vers ladite chambre de pré-mélange, la chambre de pré-mélange étant alimentée en gaz combustible par le second circuit de circulation de gaz et en gaz comburant par ledit circuit de déviation.
Du fait du différentiel de pression maintenu constant entre le premier et le second circuit par le dispositif de régulation, le circuit d'alimentation de la chambre de pré-mélange en gaz comburant peut générer un débit d'air constant, ce qui facilite l'allumage dans la chambre de pré-mélange.
Selon un exemple de réalisation, la pile à combustible selon l'invention est du type à oxyde solide aussi couramment appelées SOFC (« pour Solid Oxid Fuel Cell »).
Plusieurs exemples sont décrits dans le présent exposé.
Toutefois, sauf précision contraire, les caractéristiques décrites en relation avec un exemple quelconque peuvent être appliquées à un autre exemple de réalisation.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif et sur lesquels:
- la figure 1 est une représentation schématique d'un système de production d'énergie selon un premier exemple de réalisation de la présente invention ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un système de production d'énergie selon un second exemple de réalisation de la présente invention ; et
- la figure 3 illustre un exemple de dispositif de régulation de pression pouvant être utilisé dans la présente invention. Description détaillée d'exemples de réalisation
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un système de production d'énergie 100 selon un premier exemple de réalisation de l'invention, comprenant une pile à combustible 10 munie d'une anode 61, d'une cathode 62, d'un circuit séparé pour les électrons 64, et d'une membrane 66 séparant l'anode 61 et la cathode 62.
Le fonctionnement de la pile à combustible 10, déjà décrit dans la partie introductive de la présente demande, n'est pas décrit à nouveau.
Pour fonctionner (Le. pour permettre une oxydoréduction électrochimique avec production d'électricité), l'anode et la cathode de la pile à combustible sont alimentées respectivement avec un gaz combustible, ici de l'hydrogène, et avec un gaz comburant, ici de l'oxygène.
A cet effet, le système 100 comprend une conduite 121 d'alimentation de la pile 10 en gaz comburant et une conduite 141 d'alimentation de la pile 10 en un gaz combustible.
L'hydrogène et l'oxygène en excès sont rejetés en sortie de pile, à moyenne ou à haute température, de même que des résidus hydrocarbonés du type monoxyde ou dioxyde de carbone, provenant notamment de l'élaboration de l'hydrogène lorsqu'il est issu d'un reformeur.
Pour traiter ces rejets gazeux, le système 100 comprend, en sortie de la pile 10, une conduite 122 d'évacuation de gaz comburant et une conduite 142 d'évacuation de gaz combustible.
Dans l'exemple, les résidus gazeux sont acheminés vers une chambre de combustion 22, pour y être brûlés, la chaleur issue de la combustion étant récupérée dans un échangeur thermique 20.
Dans toute la présente description, on appellera « ligne comburant » 12 le circuit de circulation pour du gaz comburant destiné à alimenter la pile 10 en gaz comburant et à récupérer les résidus de gaz comburant. Elle est constituée, dans l'exemple, des conduites 121 et 122.
De la même manière, on appellera « ligne combustible » 14 le circuit de circulation pour du gaz combustible destiné à alimenter la pile en gaz combustible et à récupérer les résidus de gaz combustible. Elle est constituée, dans l'exemple, des conduites 141 et 142. Deux conditions à respecter pour le bon fonctionnement de la pile à combustible 10 sont le maintien, dans la ligne comburant 12, d'une pression PA supérieure à celle PH de la ligne combustible, et le maintien d'un différentiel de pression ΔΡ entre les lignes comburant 12 et combustible 14 constant et inférieur à une certaine valeur limite, par exemple 50 mBar.
De préférence, la pile à combustible 10 selon la présente invention est du type à oxyde solide aussi couramment appelées SOFC (« pour Solid Oxid Fuel Cell ») ou tout autre type de pile à combustible dans laquelle la contrainte de pression n'est pas primordiale (i.e. le différentiel de pression ΔΡ nécessite d'être régulé, mais les valeurs de pression PA et PH dans les lignes comburant et combustible peuvent sensiblement varier sans que cela pose problème).
Pour remplir les deux conditions précédentes (PA supérieure à PH, et ΔΡ limité et constant), le système 100 comprend en outre un système de régulation 30.
Comme illustré schématiquement sur la figure 1, le système de régulation 30 comprend un capteur de pression 32 de la pression PH sur la ligne combustible 14. Dans l'exemple, ce capteur de pression 32 est situé en aval de la pile à combustible 10, sur la conduite 142 d'évacuation de gaz combustible.
Le système de régulation 30 comprend en outre un dispositif de régulation de pression 34, destiné à contrôler et réguler la pression PA dans la ligne comburant 12 en fonction de la valeur de pression PH mesurée par le capteur de pression 32.
Le dispositif de régulation de pression 34 est avantageusement un dispositif pneumo-mécanique, notamment un limiteur de pression piloté par la pression observée sur la ligne 14. Un exemple d'un tel dispositif sera décrit plus en détail en référence à la figure 3.
Grâce au système de régulation 30, la pression dans la ligne comburant 12 est modifiée en accord avec l'évolution de la pression de la ligne combustible 14, quels que soient les débits, et le différentiel de pression ΔΡ entre les lignes comburant 12 et combustible 14 peut être maîtrisé.
Dans l'exemple, un filet d'air est en outre prélevé sur la ligne comburant 12 et dévié vers un circuit parallèle 36 afin d'alimenter une chambre de pré-mélange 24 située en amont de la chambre de combustion 22, où il est mélangé avec tout l'hydrogène en excès provenant de la pile à combustible 10. Une restriction 55 sur le circuit 36 permet de ne prélever qu'un débit d'air Q minime, n'influant pas sur la valeur de pression dans le circuit de circulation de comburant 12.
Un pré-mélange peut être réalisé en amont de la chambre de combustion 22 de l'échangeur thermique 20, comme illustré sur la figure 1 par la jonction entre les circuits 36 et 14 à l'intérieur de la chambre de pré-mélange 24. Ce pré-mélange facilite la combustion. Il permet en effet d'optimiser l'homogénéité du mélange combustible/comburant nécessaire à la stabilité de combustion dans la chambre de combustion 22. Plus précisément, ce pré-mélange peut contribuer à obtenir un mélange plus proche d'un point stoechiométrique permettant d'établir l'équivalent d'une veilleuse en sortie de la chambre de pré-mélange 24 pour ensuite finir la combustion dans la chambre 22 avec l'air résiduel issu de la ligne 122.
Le débit Q à l'intérieur du circuit parallèle 36 dépend du différentiel de pression ΔΡ entre les lignes combustible et comburant, et de la section d'écoulement dans la ligne 36. A section d'écoulement constante et différentiel de pression constant, le débit dans ce circuit parallèle est constant. Le système de régulation 30 permet donc indirectement de garantir un débit constant dans la ligne 36, en maintenant un différentiel de pression ΔΡ constant entre les circuits de circulation de combustible 14 et de comburant 12. Il convient cependant, pour que le débit d'écoulement dans ce circuit parallèle 36 soit constant et dans le bon sens, que le différentiel de pression ΔΡ entre la ligne comburant 12 et la ligne combustible 14 soit non nul et positif. Dans certains modes de réalisation, on pourra faire varier la section d'écoulement dans la ligne 36, sous l'effet d'une microvanne pilotée ou d'un régulateur de débit piloté (i.e. commandé de l'extérieur), en fonction de la pression ou du débit dans la ligne combustible, de sorte à rester dans un rapport combustible/comburant acceptable à l'intérieur de la chambre de pré-mélange 24.
Un exemple de dispositif pneumo-mécanique pouvant être utilisé comme dispositif de régulation de pression va à présent être décrit plus en détail en liaison avec la figure 3. Le dispositif 34 comprend ici un système d'actionnement mécanique 40 d'une valve 50 placée sur la ligne comburant 12.
Le système d'actionnement 40 comprend deux chambre 41, 42, séparées l'une de l'autre par une plaque 44 montée pivotante autour d'un axe 45, et délimitées respectivement par des soufflets 41a, 42a.
La première chambre 41 est alimentée en gaz combustible par le piquage de pression 32 sur la ligne combustible 14.
La seconde chambre 42 est soumise à une pression de référence qui est celle de la ligne comburant 12, à laquelle elle est reliée par un piquage de pression 38.
A son extrémité opposée aux chambres 41, 42, la plaque 44 est reliée, par une articulation 46, à une tige d'actionnement 48 qui est montée coulissante dans une ouverture du conduit de la ligne comburant 12 et qui est terminée par un clapet 52 apte à obturer ledit conduit.
Sur la figure 3, la tige 48 se termine par une portion évasée 52 apte à obturer un orifice 54, le clapet 52 et l'orifice 54 formant une valve permettant de contrôler la section d'écoulement sur la ligne comburant.
Lorsque la plaque 44 pivote sous l'effet des variations de pression dans la ligne combustible (et donc des variations de volume de la première chambre 41), la tige d'actionnement 48 se déplace, la valve est actionnée, et la section d'écoulement sur la ligne comburant, modifiée.
Ainsi par exemple, lorsque la pression sur la ligne combustible augmente, la plaque 44 se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre et la tige se déplace vers le bas (en considérant le schéma de la figure 3). Le clapet 52 se rapproche de l'orifice 54, ce par quoi la section d'écoulement sur la ligne comburant est réduite, et la pression, augmentée.
Dans les cas où le différentiel de pression ΔΡ doit être non nul, le dispositif de régulation de pression 34 peut également être associé à une précontrainte (ou offset) représentative du différentiel de pression ΔΡ souhaité. Sur le plan technologique, cette précontrainte correspond à un effort supplémentaire appliqué au composant qui assure la balance du champ de pression entre les lignes combustible et comburant. Dans le dispositif pneumo-mécanique selon l'exemple précité, la plaque 44 assure cette balance, et peut par exemple être précontrainte au moyen d'une masse, d'un ressort. Selon un autre exemple de réalisation, l'un des soufflets peut présenter par défaut une pression prédéterminée.
On notera que la précontrainte appliquée au dispositif de régulation de pression permet, le cas échéant, de garantir un débit minimal Q dans le circuit de déviation 36, qui alimente la chambre de prémélange 24 en gaz comburant.
La figure 2 illustre un système de production d'énergie 100' muni d'une pile à combustible 10, selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention. Les éléments structurels identiques à ceux du premier mode de réalisation comportent les mêmes références numériques.
Ce deuxième mode de réalisation se différencie de celui de la figure 1 uniquement en ce que le piquage de pression sur la ligne combustible 14 est réalisé en amont de la pile 10, sur la conduite 141 d'alimentation de la pile 10 en gaz combustible. Cela est particulièrement avantageux lorsque la chute de pression dans la pile à combustible 10 est importante, de sorte qu'une mesure de pression réalisée en aval de la pile ne serait pas suffisamment représentative de la situation à l'intérieur de la pile.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de production d'énergie comprenant une pile à combustible (10), un premier circuit de circulation (12) pour un gaz comburant destiné à alimenter la pile en gaz comburant et à récupérer les résidus de gaz comburant à une sortie de la pile, un second circuit de circulation (14) pour un gaz combustible destiné à alimenter la pile en gaz combustible et à récupérer les résidus de gaz combustible à une sortie de la pile, et un système de régulation
(30) du différentiel de pression (ΔΡ) entre lesdits premier et second circuits,
caractérisé en ce que le système de régulation (30) comporte
- au moins un dispositif de régulation de pression (34) monté sur le premier circuit (12), en sortie de la pile à combustible (10), le second circuit (14) étant dépourvu de dispositif de régulation de pression, et
- au moins un capteur de pression (32) relié au second circuit (14), pour mesurer une valeur de pression (PH) dans le second circuit (14), et
en ce que le dispositif de régulation de pression (34) s'exerce sur le premier circuit (12) en fonction de la valeur de pression (PH) mesurée dans le second circuit (14), de façon à conserver un différentiel de pression (ΔΡ) constant entre le premier et le second circuit.
2. Système selon la revendication 1, comprenant en outre une chambre de combustion (22) située en aval de la pile à combustible (10) et couplée à un échangeur thermique (20), ladite chambre de combustion (22) étant alimentée par les premier et second circuits de circulation de gaz.
3. Système selon la revendication 2, comprenant en outre une chambre de pré-mélange (24) en amont de la chambre de combustion (22), et un circuit de déviation (36) de gaz comburant issu du premier circuit (12) vers ladite chambre de pré-mélange (24), la chambre de pré-mélange (24) étant alimentée en gaz combustible par le second circuit de circulation de gaz (14) et en gaz comburant par ledit circuit de déviation (36).
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif de régulation de pression (34) est précontraint en fonction du différentiel de pression (ΔΡ) souhaité.
5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le capteur de pression (32) est situé en amont de la pile à combustible (10).
6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le capteur de pression (32) est situé en aval de la pile à combustible (10).
7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif de régulation de pression (34) est un organe non commandé de l'extérieur.
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