FR3053161A1 - Procede et dispositif pour inerter un gaz contenant de l'oxygene - Google Patents

Procede et dispositif pour inerter un gaz contenant de l'oxygene Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour inerter un premier gaz contenant de l'oxygène qui est contenu dans un boîtier de protection (4) entourant une pile à combustible (1). Procédé caractérisé en qu'une quantité prédéfinie d'un deuxième gaz contenant de l'hydrogène est introduite dans le boîtier de protection (4) et au moins une partie de l'oxygène contenu dans le premier gaz est réduite par combustion froide.

Description

DESCRIPTION L’invention concerne un procédé et un dispositif pour inerter un premier gaz contenant de l’oxygène qui est contenu dans un boîtier de protection entourant une pile à combustible.
Une pile à combustible est un dispositif servant à produire de l’énergie électrique qui fonctionne avec un gaz contenant de l’hydrogène. Une sortie incontrôlée du gaz contenant de l’hydrogène dans l’environnement entraîne un risque d’incendie ou d’explosion. Pour empêcher cela, il est connu du document DE 10 2004 026 226 Al de faire fonctionner la pile à combustible dans un boîtier de protection rempli d’un gaz inerte.
Le document DE 10 2012 023 531 Al concerne un procédé d’utilisation des gaz d’échappement d’une pile à combustible, en particulier des gaz d’échappement de cathode et d’anode, comme gaz inerte dans un boîtier de protection entourant la pile à combustible. Le gaz d’échappement de cathode est de l’air appauvri en oxygène. La teneur en oxygène réduite a un effet retardateur de combustion. Le gaz d’échappement d’anode ne contient pas d’oxygène. Le gaz d’échappement d’anode est un gaz enrichi en dioxyde de carbone et/ou azote.
Le document DE 10 2005 053 692 B 3 divulgue un système de protection contre l’incendie destiné à diminuer le risque d’incendie dans un avion, lequel présente une pile à combustible pour produire un air d’échappement de cathode enrichi en azote. De l’hydrogène ou un hydrocarbure reformé est utilisé comme combustible. La composition de l’air d’échappement de cathode est commandée de telle sorte que la teneur en oxygène dans l’espace environnant soit d’environ 15 % vol. ou inférieure à 12 % vol. Cela permet de diminuer sensiblement le risque d’incendie ou le risque d’inflammation par rapport à un air normal. L’inconvénient de l’état de la technique est que lors du remplissage du boîtier de protection avec un gaz inerte, il reste toujours de l’air dans le boîtier de protection.
Le but de l’invention est d’éliminer les inconvénients selon l’état de la technique. Il s’agit en particulier d’indiquer un dispositif et un procédé qui permettent de réduire encore la teneur en oxygène résiduel dans le boîtier de protection.
Ce but est atteint par l’invention, qui propose un procédé pour inerter un premier gaz contenant de l’oxygène qui est contenu dans un boîtier de protection entourant une pile à combustible, selon lequel une quantité prédéfinie d’un deuxième gaz contenant de l’hydrogène est introduite dans le boîtier de protection et au moins une partie de l’oxygène contenu dans le premier gaz est réduite par combustion froide.
Par « inerter », on entend au sens de la présente invention la production d’un gaz faiblement réactif en utilisant le gaz contenu dans le boîtier de protection, en particulier la liaison de l’oxygène résiduel.
Un « boîtier de protection » au sens de la présente invention est un boîtier étanche aux gaz qui entoure la pile à combustible et le cas échéant d’autres réacteurs chimiques placés en amont ou en aval de la pile à combustible, et le cas échéant d’autres composants, par exemple des tubes, vannes et analogues.
La « quantité prédéfinie » d’un deuxième gaz contenant de l’hydrogène est avantageusement calculée de telle sorte que l’hydrogène du deuxième gaz puisse réagir stœchiométriquement avec l’oxygène du premier gaz. Mais la teneur en oxygène du premier gaz doit au moins être suffisamment réduite pour que le premier gaz devienne faiblement réactif.
Par « combustion froide », on entend une oxydation lente qui se produit sans formation de flamme ou sans explosion.
De manière avantageuse, le deuxième gaz est prélevé d’un réacteur relié à la pile à combustible qui est situé en amont de la pile à combustible. Le réacteur peut être, par exemple, un reformeur placé en amont de la pile à combustible.
Dans un autre mode de réalisation du procédé, on utilise comme deuxième gaz un gaz de rinçage de la pile à combustible. Le gaz de rinçage ou gaz de purge contient de l’hydrogène. Pour le rinçage, on fait s’écouler du gaz issu de l’anode en ouvrant brièvement une vanne, par exemple une vanne de purge, pour éliminer les constituants indésirables des réacteurs, en particulier de la pile à combustible.
Dans un autre mode de réalisation du procédé, on utilise comme deuxième gaz le gaz d’échappement d’anode de la pile à combustible. Le fonctionnement de la pile à combustible est tel - au contraire du mode de purge susmentionné - qu’un gaz contenant de l’hydrogène est conduit continuellement à travers l’anode. 11 subsiste à cette occasion un reste d’hydrogène non consommé qui est obtenu dans le gaz d’échappement d’anode. Le gaz d’échappement d’anode peut être utilisé comme deuxième gaz.
Dans un autre mode de réalisation du procédé, on utilise comme deuxième gaz de l’hydrogène qui est amené à la pile à combustible. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de prévoir un réacteur et/ou reformeur en amont de la pile à combustible.
De manière avantageuse, on utilise un catalyseur, en particulier une éponge de platine, pour effectuer la combustion froide. Le catalyseur abaisse l’énergie d’activation de la réaction entre l’hydrogène et l’oxygène. Cela permet d’empêcher de façon sûre et fiable la formation d’une flamme ou même une explosion.
De manière avantageuse, la teneur en oxygène dans le premier gaz ou la teneur en oxygène dans un mélange gazeux du premier et du deuxième gaz présent dans le boîtier de protection est mesurée et utilisée pour déterminer la quantité prédéfinie du deuxième gaz à introduire. La mesure de la teneur en oxygène permet de régler plus précisément la quantité prédéfinie du deuxième gaz.
Dans un autre mode de réalisation du procédé, la teneur en hydrogène dans un mélange gazeux du premier et du deuxième gaz présent dans le boîtier de protection est mesurée et, si de l’hydrogène est détecté, il est mis fin à l’introduction du deuxième gaz. Dans l’application du procédé dans des véhicules ayant des exigences de sécurité élevées, en particulier les aéronefs, la teneur en hydrogène et la teneur en oxygène dans le mélange gazeux présent dans le boîtier de protection est avantageusement surveillée en permanence. Si le boîtier de protection perd son étanchéité et qu’à la suite de cela de l’oxygène pénètre dans le boîtier de protection, une surveillance continue en combinaison avec le procédé susmentionné permet de maintenir l’inertage.
Dans un autre mode de réalisation du procédé, la quantité et la composition du deuxième gaz sont réglées de telle sorte qu’une pression dans le boîtier de protection soit maintenue dans une plage prédéfinie. La transformation de l’hydrogène et de l’oxygène en eau, laquelle peut se condenser au moins en partie, entraîne une diminution du volume du mélange gazeux présent dans le boîtier de protection. La pression peut être maintenue dans une plage prédéfinie si, par exemple, deux tiers du volume du deuxième gaz sont de l’hydrogène et un tiers est un autre gaz différent de l’hydrogène. L’autre gaz remplace dans le boîtier de protection le volume de l’oxygène dans le premier gaz. Si l’eau formée se condense, il en résulte une dépression en cas de teneur en hydrogène plus élevée dans le deuxième gaz, une surpression en cas de teneur en hydrogène plus faible.
De manière avantageuse, le deuxième gaz est produit en mélangeant un gaz contenant de l’hydrogène ayant une teneur en hydrogène supérieure à 66,67 % vol. H2 avec un autre gaz contenant de l’hydrogène ayant une teneur en hydrogène inférieure à 66,67 % vol. H2 de telle sorte que le deuxième gaz contienne une proportion d’hydrogène de 60 à 70 % vol. H2. Selon la température ambiante, qui est typiquement inférieure à 100 °C, tout le H20 ne va cependant pas se condenser en eau, mais une partie de celui-ci peut rester sous forme de vapeur d’eau. Le gaz inerte dans le boîtier de protection est alors un gaz inerte humide.
Par ailleurs, il est proposé un dispositif pour inerter un premier gaz contenant de l’oxygène qui est contenu dans un boîtier de protection entourant une pile à combustible, dans lequel un moyen d’amenée de gaz conmiandable pour un deuxième gaz contenant de l’hydrogène est prévu dans le boîtier de protection, de telle sorte qu’au moins une partie de l’oxygène contenu dans le premier gaz puisse être réduite par combustion froide. Le moyen d’amenée de gaz est en particulier adapté pour commander ou réguler un flux massique du deuxième gaz. En outre, cela évite avantageusement un retour du premier gaz contenant de l’oxygène.
De manière avantageuse, un réacteur relié à la pile à combustible, lequel est situé en amont de la pile à combustible, présente un premier moyen de prélèvement de gaz pour le deuxième gaz, lequel est relié au moyen d’amenée de gaz. Le deuxième gaz peut être un produit de réaction, formé dans le réacteur, d’un gaz de combustion. L’avantage, dans ce cas, est qu’aucun gaz supplémentaire n’est nécessaire pour l’inertage.
Dans un autre mode de réalisation, un deuxième moyen de prélèvement de gaz pour un gaz de rinçage ou un gaz d’échappement d’anode est prévu à la sortie de la pile à combustible, lequel est relié au moyen d’amenée de gaz du deuxième gaz dans le boîtier de protection. Le deuxième moyen de prélèvement de gaz est conçu de façon qu’aucun gaz provenant du boîtier de protection ne parvienne dans le moyen de prélèvement.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, un catalyseur, en particulier une éponge de platine, est prévu à la sortie du moyen d’amenée de gaz pour effectuer la combustion froide.
Un autre mode de réalisation de l’invention prévoit que le dispositif comprenne un premier capteur pour mesurer la teneur en oxygène dans le premier gaz ou la teneur en oxygène dans un mélange gazeux du premier et du deuxième gaz présent dans le boîtier de protection, lequel transmet un premier signal à une unité de commande pour commander la quantité prédéfinie du deuxième gaz à introduire. L’unité de commande commande le moyen d’amenée de gaz.
De manière avantageuse, le dispositif comprend en outre un deuxième capteur pour mesurer la teneur en hydrogène dans un mélange gazeux du premier et du deuxième gaz présent dans le boîtier de protection, lequel transmet un deuxième signal à une unité de commande pour conunander une fin de l’introduction du deuxième gaz. Le(s) capteur(s) permet(tent) de surveiller et/ou régler la composition, en particulier la teneur en oxygène et/ou en hydrogène, du gaz dans le boîtier de protection.
Dans un autre mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend un capteur de pression dans le boîtier de protection, qui transmet un troisième signal à une unité de conunande, laquelle peut commander la quantité et la composition du deuxième gaz de telle sorte que la pression dans le boîtier de protection soit maintenue dans une plage prédéfinie. Pour commander la composition, on peut utiliser l’unité de commande pour commander, par exemple, une unité de mélange de gaz avec laquelle une composition du deuxième gaz peut être réglée.
De manière avantageuse, le dispositif comprend une unité de mélange de gaz pour produire le deuxième gaz, dans laquelle un gaz contenant de l’hydrogène ayant une teneur en hydrogène supérieure à 66,67 % vol. H2 est mélangé avec un autre gaz contenant de l’hydrogène ayant une teneur en hydrogène inférieure à 66,67 % vol. H2 de telle sorte que le deuxième gaz contienne une proportion d’hydrogène de 60 à 70 % vol. H2. L’unité de mélange de gaz permet de maintenir la pression dans le boîtier de protection dans la plage prédéfinie.
Le procédé d’inertage décrit ci-dessus peut, à la place d’hydrogène, également être mis en œuvre avec d’autres gaz. Le boîtier de protection ne doit pas nécessairement être le boîtier de protection d’une pile à combustible. Par exemple, il est possible d’inerter avec un combustible liquide, en particulier de l’essence ou du diesel, un boîtier de protection dans lequel un moteur à essence ou diesel est logé. Dans ce cas, par une fuite contrôlée d’essence ou de diesel, il est possible, au moyen d’un catalyseur approprié, d’oxyder et donc de lier l’oxygène se trouvant dans le boîtier de protection. D’une manière analogue, il est également possible d’inerter un boîtier de protection dans lequel est logé un groupe fonctionnant avec du gaz, par exemple du gaz naturel.
Le procédé selon l’invention n’est pas limité à la création unique d’une atmosphère inerte dans un boîtier de protection. Le procédé peut aussi être conçu pour que l’atmosphère inerte soit maintenue lorsque la teneur en oxygène augmente dans le boîtier de protection, par exemple à cause d’une fuite ou d’un échange de gaz continuel. À cet effet, la teneur en oxygène dans le boîtier peut être maintenue à un niveau prédéfini au moyen d’une régulation appropriée et d’un capteur d’oxygène prévu dans le boîtier de protection.
Des modes de réalisation avantageux de l’invention sont décrits ci-après à l’aide des dessins qui montrent à la figure 1 un dispositif avec un premier moyen de prélèvement de gaz et à la figure 2 un dispositif avec un deuxième moyen de prélèvement de gaz.
La figure 1 montre schématiquement une pile à combustible 1 avec une entrée de gaz 2 et une sortie de gaz 3. La pile à combustible 1 est entourée par un boîtier de protection 4. La pile à combustible 1 est reliée en amont à un réacteur RI. Entre le réacteur RI et la pile à combustible 1 est prévu un premier moyen de prélèvement 5a qui est relié à un moyen d’amenée de gaz 6 commandable. Un catalyseur 8 se trouve avantageusement à la sortie du moyen d’amenée de gaz 6.
Le moyen d’amenée de gaz 6 commandable peut être commandé au moyen d’une unité de commande 7. De manière avantageuse, un premier capteur 9a et/ou un deuxième capteur 9b sont disposés dans le boîtier de protection 4, avec lesquels la teneur en hydrogène et/ou la teneur en oxygène dans le boîtier de protection 4 sont mesurées. Les signaux correspondants sont transmis à l’unité de commande 7. Un hydrocarbure est introduit dans le réacteur RI par l’entrée de gaz 2. Un deuxième gaz contenant de l’hydrogène est produit dans le réacteur RI qui est en particulier un reformeur. Une partie du deuxième gaz est prélevée au premier moyen de prélèvement 5a entre le premier réacteur RI et la pile à combustible 1 et conduite par le moyen d’amenée de gaz 6 dans le boîtier de protection 4. En particulier la quantité, mais aussi un débit du deuxième gaz sont commandés ce faisant. La conunande du moyen d’amenée de gaz 6 assure qu’il se produise une combustion froide. En particulier, le moyen d’amenée de gaz 6 assure aussi qu’aucun gaz du boîtier de protection 4 ne reflue dans le premier moyen de prélèvement 5a. De manière avantageuse, un catalyseur 8 est disposé à la sortie du moyen d’amenée de gaz 6 de telle sorte que la combustion froide se déroule sur le catalyseur 8. Le premier capteur 9a et/ou le deuxième capteur 9b déterminent la teneur en oxygène et/ou la teneur en hydrogène dans le boîtier de protection 4. Le premier capteur 9a transmet un premier signal à la commande 7 du moyen d’amenée de gaz 6 et le deuxième capteur 9b transmet de façon correspondante un deuxième signal.
La figure 2 montre un dispositif avec un deuxième moyen de prélèvement de gaz 5b qui est prévu à la sortie de la pile à combustible 1. Ce deuxième moyen de prélèvement de gaz 5b est de nouveau relié à un moyen d’amenée de gaz 6 conunandable qui introduit le deuxième gaz contenant de l’hydrogène dans le boîtier de protection 4 par l’intermédiaire d’un catalyseur 8. Les teneurs en hydrogène et oxygène dans le boîtier de protection 4 peuvent être déterminées par un premier capteur 9a et un deuxième capteur 9b. Le premier capteur 9a et/ou le deuxième capteur 9b transmettent un premier et/ou un deuxième signal à l’unité de commande 7 qui régule le moyen d’amenée de gaz 6. Le gaz de rinçage ou le gaz d’échappement d’anode contenant de l’hydrogène est prélevé de la pile à combustible 1 au moyen du deuxième moyen de prélèvement de gaz 5b et introduit dans le boîtier de protection 4 par le moyen d’amenée de gaz 6 conunandable.
Les éléments, parties, objets, et composants suivants sont référencés sur les figures des dessins annexés : 1 : pile à combustible 2 : entrée de gaz 3 : sortie de gaz 4 : boîtier de protection 5a : premier moyen de prélèvement 5b : deuxième moyen de prélèvement 6 : moyen d’amenée de gaz 7 : unité de conunande 8 : catalyseur 9a : premier capteur 9b : deuxième capteur RI : réacteur
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à des modes de réalisations décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé pour inerter un premier gaz contenant de l’oxygène qui est contenu dans un boîtier de protection (4) entourant une pile à combustible (1), caractérisé en ce qu’une quantité prédéfinie d’un deuxième gaz contenant de l’hydrogène est introduite dans le boîtier de protection (4) et au moins une partie de l’oxygène contenu dans le premier gaz est réduite par combustion froide.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième gaz est prélevé d’un réacteur (RI) relié à la pile à combustible (1), lequel est situé en amont de la pile à combustible.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’on utilise comme deuxième gaz un gaz de rinçage ou un gaz d’échappement d’anode de la pile à combustible (1).
  4. 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’on utilise un catalyseur (8), en particulier une éponge de platine, pour effectuer la combustion froide.
  5. 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en oxygène dans le premier gaz ou la teneur en oxygène dans un mélange gazeux du premier et du deuxième gaz présent dans le boîtier de protection (4) est mesurée et utilisée pour déterminer la quantité prédéfinie du deuxième gaz à introduire.
  6. 6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en hydrogène dans un mélange gazeux du premier et du deuxième gaz présent dans le boîtier de protection (4) est mesurée et, si de l’hydrogène est détecté, il est mis fin à l’introduction du deuxième gaz.
  7. 7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité et la composition du deuxième gaz sont réglées de telle sorte qu’une pression dans le boîtier de protection (4) soit maintenue dans une plage prédéfinie.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour produire le deuxième gaz, un gaz contenant de l’hydrogène ayant une teneur en hydrogène supérieure à 66,67 % vol. H2 est mélangé avec un autre gaz contenant de l’hydrogène ayant une teneur en hydrogène inférieure à 66,67 % vol. H2 de telle sorte que le deuxième gaz contienne une proportion d’hydrogène de 60 à 70 % vol. H2.
  9. 9. Dispositif pour inerter un premier gaz contenant de l’oxygène qui est contenu dans un boîtier de protection (4) entourant une pile à combustible (1), caractérisé en ce qu’un moyen d’amenée de gaz (6) conunandable pour un deuxième gaz contenant de l’hydrogène est prévu dans le boîtier de protection (4), de telle sorte qu’au moins une partie de l’oxygène contenu dans le premier gaz puisse être réduite par combustion froide.
  10. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’un réacteur (RI) relié à la pile à combustible (1), lequel est situé en amont de la pile à combustible (1), présente un premier moyen de prélèvement de gaz (5a) pour le deuxième gaz, lequel est relié au moyen d’amenée de gaz (6).
  11. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’un deuxième moyen de prélèvement de gaz (5b) pour un gaz de rinçage ou un gaz d’échappement d’anode est prévu à la sortie de la pile à combustible (1), lequel est relié au moyen d’amenée de gaz (6).
  12. 12. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu’un catalyseur (8), en particulier une éponge de platine, est prévu à la sortie du moyen d’amenée de gaz (6) pour effectuer la combustion froide.
  13. 13. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu’il comprend un premier capteur (9a) pour mesurer la teneur en oxygène dans le premier gaz ou la teneur en oxygène dans un mélange gazeux du premier et du deuxième gaz présent dans le boîtier de protection (4), lequel transmet un premier signal à une unité de commande (7) pour commander la quantité prédéfinie du deuxième gaz à introduire.
  14. 14. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu’il comprend un deuxième capteur (9b) pour mesurer la teneur en hydrogène dans un mélange gazeux du premier et du deuxième gaz présent dans le boîtier de protection, lequel transmet un deuxième signal à une unité de commande (7) pour commander une fin de l’introduction du deuxième gaz.
  15. 15. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu’il comprend un capteur de pression dans le boîtier de protection (4), qui transmet un troisième signal à une unité de commande (7), laquelle peut commander la quantité et la composition du deuxième gaz de telle sorte que la pression dans le boîtier de protection (4) soit maintenue dans une plage prédéfinie.
  16. 16. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce qu’il comprend une unité de mélange de gaz pour produire le deuxième gaz, dans laquelle un gaz contenant de l’hydrogène ayant une teneur en hydrogène supérieure à 66,67 % vol. H2 est mélangé avec un autre gaz contenant de l’hydrogène ayant une teneur en hydrogène inférieure à 66,67 % vol. H2 de telle sorte que le deuxième gaz contienne une proportion d’hydrogène de 60 à 70 % vol. H2.
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