WO2012152623A1 - Pile a combustible a injection multiple et procede de fonctionnement - Google Patents

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Jean-Philippe Poirot-Crouvezier
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Definitions

  • the invention relates to fuel cells, and in particular to hydrogen cells.
  • a fuel cell is a stack of elementary cells in which an electrochemical reaction takes place between reactive products which are introduced as the reaction consumes these products.
  • the fuel which is hydrogen in the case of a hydrogen cell, is brought into contact with the anode; the oxidant, oxygen or air for a hydrogen cell is brought into contact with the cathode.
  • the anode and the cathode are separated by an electrolyte which can be a solid membrane, permeable to some of the constituents of the reaction but not all.
  • the reaction is subdivided into two half reactions (oxidation and reduction), which take place on the one hand at the anode / electrolyte interface and on the other hand at the cathode / electrolyte interface.
  • the solid electrolyte is a membrane permeable to H + hydrogen ions but not to H 2 molecular di-hydrogen or to electrons.
  • the anode reduction reaction is an oxidation of hydrogen producing H + ions that cross the membrane and electrons that are collected by the anode; at the cathode, these ions participate in the reduction of oxygen, requiring electrons and producing water, with the release of heat.
  • the stack of cells is only the place of the reaction: the reagents must be brought there, the products and the non-reactive species must be evacuated, just like the heat produced.
  • the cells are connected in series with each other, the anode of a cell being connected to the cathode of the adjacent cell; at the ends of the stack of cells are on one side an anode connected to a negative terminal for discharging the electrons and on the other side a cathode connected to a positive terminal.
  • An external circuit is connected to these terminals. The electrons flow from the anode to the cathode by the external circuit and fed by the battery as the electrochemical reaction.
  • a fuel cell may be divided into a plurality of stacks each having electrical terminals and reactive and cooling fluid supply interfaces; these subsets are then connected in parallel or in series from a fluid point of view and from an electrical point of view. For the fluidic part the parallel connection is by far the one most frequently encountered.
  • compressed air is fed to the cell and passes through a series of components (filter, heat exchanger, humidifier, etc.) before entering the cell on the side of the cathode.
  • the air is generally dewatered to recover the water required for humidification, and then most often discharged via a discharger (that is to say an upstream pressure regulator) allowing the maintaining pressure of the line.
  • Anode side hydrogen can be from a large number of different sources, for example a pressure tank to avoid the use of a gas compression device. It is therefore most often brought to the battery after passing through a simple pressure reducer or a solenoid valve applying the pressure provided in the line. Most of these possible sources provide dry hydrogen.
  • the hydrogen injected into the cell and not consumed by the reaction can be partly reinjected into the cell inlet together with dry hydrogen from the source, so as to homogenize the mixture in the cell, that is to say so as to mix it with the reaction products and the non-reactive species present (especially nitrogen, coming from the cathode by permeation through the membrane) which do not participate in the reaction and which on the contrary tend to inhibit it; this recirculation also makes it possible to maintain a certain humidification of the hydrogen which reaches the cells; indeed, in the reaction products, there is water vapor mixed with the unconsumed hydrogen and this water vapor is recirculated with hydrogen; humidification is desirable to render the hydrogen less aggressive to the electrolyte membrane.
  • One of the aims of the invention is to propose a system which reduces the losses of reactive product (especially hydrogen) during purges, without requiring a complex system of recirculation.
  • a fuel cell producing electric energy by an electrochemical reaction between at least two reactive products
  • the cell comprising at least one stack of cells each composed of an assembly of an electrolyte, a anode, and a cathode, the stack being provided with a supply means for at least one of the reactive products, suitable for bringing this reactive product into the cells of the stack, and an evacuation means by-products of the reaction, characterized in that
  • the cells of the stack are divided into N groups, N integer> 1, and the means for supplying the reactive product comprises a respective supply supply manifold for each group of cells, this manifold being able to bring the product reactive selectively to the cells of one group without bringing it to the cells of the other groups,
  • the supply means comprises a selective switching means for authorizing and prohibiting the passage of the reagent product to each of the collectors,
  • the evacuation means comprises one or more evacuation collectors, it is arranged so as to allow the circulation between the N groups of cells of the reactive product not consumed by the reaction, and it comprises a purge valve.
  • the cells of the different groups are preferably stacked nested, i.e. one cell of one group is adjacent to a cell of another group in the same stack.
  • this configuration would be less interesting because less compact, the stack is formed of several stacks each corresponding to a respective group of cells.
  • the evacuation manifold, passing through the stack of cells is preferably common, that is to say that the cells of all groups communicate directly with this collector; but we could also have separate collectors for each group; they would then be connected to the output of the stack to ensure a free flow from one group to another.
  • the supply means can supply hydrogen to the N group feed collectors, the collector of a group communicating with the cells of this group on the anode side. But it can also be provided that the supply means provides oxygen to the N groups of feed collectors, the collector of a group communicating with the cells of this group on the side of the cathode.
  • the invention proposes a correlative method of operating a fuel cell, which can be implemented with such a stack structure.
  • the method is a method for feeding a stack of cells of a fuel cell with at least one reagent product, which is characterized by selectively supplying N groups of cells from the stack with the reagent product. in at least three phases,
  • a third purge phase in which the two groups are first fed simultaneously, and then a purge valve of the evacuation collector is opened and then closed again.
  • the first two phases are preferably repeated on several successive alternations before moving to the third phase, after which a cycle starts again.
  • a third group, a fourth group, etc. are provided in the stack, and complementary phases are inserted into the process.
  • Either one group during one phase or several (but not all) groups is supplied by changing the composition of the groups fed at each phase in a series of successive phases with a progressive switching of the power supplies.
  • a purge phase is carried out which comprises a simultaneous opening of all the feeds followed immediately by a common purge (opening and then reclosing of the purge valve).
  • the hydrogen consumption can be reduced by purging the cell less frequently; in fact, some groups of cells are fed simultaneously, but not all, the reaction continuing in the group or groups that are not directly powered; the risk of saturation of reaction products, which tends to stop the electrochemical reaction due to local lack of reactive product, is reduced by the stirring of reaction products caused by successive feed changes, and by the fact that the reactive product consumed from a powered group arrives through the exhaust manifold to the unpowered group (s) and mixes with the reaction products, allowing the reaction to continue.
  • cells whose main hydrogen supply is cut off may be saturated with nitrogen, but the hydrogen not consumed by one group of cells (fed) reaches the other (non-powered) group via the evacuation collector (s) of both groups.
  • a stirring of the nitrogen resulting from the reaction in the cells of the non-powered group occurs due to the change of feed, and this mixing is facilitated by the open connection between the outlets of the two groups. Even if this mixing brings only a small percentage of hydrogen to the zones saturated with nitrogen, brewing and the low percentage are enough to maintain a correct reaction.
  • the hydrogen thus recovered is charged with moisture and introduced this moisture into the non-fed group so that when this group is fed again the electrolytic membranes remain in the presence of a mixture of moist hydrogen and dry hydrogen.
  • This humidity is favorable to the life of the membranes.
  • FIG. 1 shows schematically the principle architecture of a fuel cell according to the invention
  • FIG. 2 represents the three phases of operation of the battery in an implementation of the method according to the invention
  • FIG. 3 represents a stack of cells belonging to two groups that can be fed separately, in which the groups of cells are nested, two adjacent cells belonging to two different groups;
  • FIG. 4 represents a schematic view of the bipolar plates, in three different planes of the stacked cell plates: the plane of the cells on the cathode side, the plane of a cell of a first group on the anode side, and the plane of a cell of a second group on the side of the anode.
  • the invention will be described in connection with a hydrogen fuel cell fed on the anode side by hydrogen and on the cathode side by air, the implementation of the method being applied here in connection with the invention.
  • hydrogen that is to say on the side of the anodes.
  • the invention is also applicable to the cathode side, that is to say for the supply of oxidant, when it consists mainly of oxygen (greater than 50% content in the dry gas).
  • it is mainly applicable to hydrogen fuel cells but it is also applicable for other reactive products, and this as well on the side of the oxidizer feed as on the fuel supply side.
  • the hydrogen cell comprises multiple cells each comprising an anode, a cathode, and an electrolyte therebetween. Only the case where the electrolyte consists of an ion exchange membrane is considered here. In practice many cells are stacked to form one or more stacks interconnected from a fluid and electrical point of view.
  • a means of supplying the cells with hydrogen under pressure comprises hydrogen distribution means inside each cell on the side of the anode.
  • air supply means is provided, with air distribution means in each cell on the side of the cathode.
  • a means of evacuation of the reaction products nitrogen, water and in particular liquid water
  • this means being distributed so as to collect and evacuate the reaction products of all the cells.
  • a cooling means distributed on all the cells can also be provided for fuel cells that require such cooling.
  • FIG. 1 very schematically shows two groups of cells: GA group and GB group, with an upstream part (upstream of the stack of cells) of the hydrogen supply means, and the downstream part (downstream). of the stack of cells) of the evacuation means.
  • the other elements described above are not represented.
  • the two groups of cells are identical but are powered separately.
  • the upstream part of the means of supply therefore comprises
  • the battery comprises, downstream of these secondary ducts, a collector respective power supply for each group; this collector passes through the stack of cells and distributes the hydrogen in the cells; it is not represented in FIG. 1;
  • valves in the hydrogen path from the general conduit for directing the hydrogen either to the supply manifold of the GA group or to the supply manifold of the GB group or to both at the same time two separate valves V A and V B are shown, each placed in a respective secondary duct, but it should be understood that there could be only one three-position valve placed at the junction between the main duct and the secondary ducts;
  • FIG. 1 shows, for ease of understanding, the two groups of cells next to each other; in fact, the cells are all stacked and the groups of cells will be nested one inside the other in the stack: the stack will comprise a regular alternation of cells of group A and of cells of group B, preferably a cell of a group always adjacent to a cell of the other group.
  • the evacuation means may comprise one or two outlet ducts COUT-A and OUT-B (depending on whether there are one or two evacuation collectors) which join a main evacuation duct.
  • C E v- A purge valve V P is provided in the main conduit C E v- It serves to purge nitrogen and water from both groups of cells at a time, i.e. it does not purge each group separately.
  • FIG. 1 To simplify the representation and the explanations, it was considered in FIG. 1 that there are separate collectors for the cells of the two groups, but in practice there is preferably a single collector connected to all the cells of the two nested groups. .
  • FIG. 2 represents the main phases of operation of the stack, with the same very simplified representation as in FIG.
  • the valve V A In a first phase, the valve V A is open, the valve V B is closed, the valve V P is closed; the GA group of cells is powered in dry hydrogen under pressure by the valve V A ; the pressure pushes towards the outlet duct C 0 UT-A the reaction products, nitrogen, liquid water and steam, but also hydrogen not consumed by the reaction produced before the opening of the valve V A.
  • This (wet) hydrogen enters the GB group via the C 0 UT-B duct, which freely communicates with the COUT-A duct (or directly through the exhaust manifold common to both groups if it exists); the moist hydrogen mixes with the products of the reaction which continues to occur in the GB group not fed with dry hydrogen. This mixing with a hydrogen supply avoids a local saturation of the reaction zone by a too high concentration of nitrogen; the electrochemical reaction can therefore continue during this phase despite the absence of dry hydrogen feed.
  • the third phase is therefore a purge phase to simultaneously evacuate the reaction products and in particular the nitrogen out of the two groups of cells.
  • the inlet valves V A and V B are opened together, then the purge valve V P is also opened and closed again.
  • the frequency of appearance of the purge phase (X times lower than the frequency of the alternations of supply of the groups GA and GB) can be:
  • a predefined fixed frequency a frequency determined with respect to the frequency of the alternation of the first two phases (which itself may be fixed or variable);
  • a frequency varying according to the operating parameters of the cell for example the current delivered or the temperature
  • this threshold may itself vary according to operating parameters of the battery.
  • the frequency of the alternation of the first two phases can be determined either experimentally or in situ by a detection of parameters such as the output voltage across the cells: a voltage drop indicates a slowing down of the reaction, so the utility of switching over then feeding the groups if this fall exceeds a tolerable threshold (for example a few tens of millivolts).
  • the same principle can be applied to more than two groups of cells separately supplied with hydrogen and having their evacuation outlets communicating with each other.
  • phase 1 one GA group powered, two unpowered GB and GC groups;
  • Phase 2 one GB group supplied with two unpowered GC and GA groups;
  • phase 3 one GC group powered, two groups GA and GB not powered;
  • phase 1 two groups GA, GB powered, two groups GC, GD unpowered;
  • phase 3 two groups GC, GD powered, two groups GA and GB unpowered;
  • phase 4 two groups GD, GA supplied, two groups GB, GC unpowered;
  • Conventional stacked cell fuel cells comprise a superposition of so-called bipolar plates between which are arranged assemblies comprising both an electrolyte membrane and an electrode on each side of the membrane.
  • the bipolar plates possibly associated with seals of particular configuration, serve to collect the electric current and to distribute the reactive gases (hydrogen and air, or hydrogen and oxygen) to the membrane, on the appropriate side of the membrane: hydrogen on the anode, air or oxygen side of the cathode side. They include channels of distribution opposite the anodes and others facing the cathodes.
  • the plates are pierced with openings for supplying the reactive gases, and openings for discharging the products of the reaction.
  • the reactive gas inlet openings form, by the superposition of the plates in close contact with each other, reactive gas supply manifolds.
  • the discharge openings also form discharge collectors for the products of the reaction.
  • Gaskets are provided for the fluids to remain confined in these manifolds, but the conformation of the bipolar plates and / or gaskets is such that passages are formed in the manifolds where the fluid is to be dispensed into the manifolds. a cell for the fluid to enter this cell, the desired side without going to the other side. These passages direct the reactant gases to the cell through distribution channels formed in the plates, which distribute gas as evenly as possible to the electrolyte membrane.
  • the plates and joints being shaped to allow to collect and evacuate the reaction products from the side of the anode and / or the cathode to the exhaust manifold.
  • the hydrogen supply manifold of a conventional cell is constituted by the stack of plates and seals shaped so that the hydrogen can spread in the cells on the side of the anode but absolutely not on the side of the cathode.
  • the opposite is true for the air or oxygen supply manifold.
  • these openings formed in the plates are respectively connected to a respective supply duct for each reagent product and to an evacuation duct for the products of the reaction.
  • this structure is modified by providing that the plates are pierced with N supply manifolds (N integer at least 2) for the reactive product for which the invention is to be implemented, here N collectors hydrogen supply. Therefore, instead of conforming the plates and seals with stacked openings so that hydrogen can penetrate from the supply manifold to the anode side of all the cells of the stack, provision is made for: the plates and seals each comprise N series of stacked apertures (N> 1) instead of a single series, to form N supply manifolds instead of one, each manifold feeding a respective group of cells;
  • the plates and joints of the stack have N different conformations with respect to the passages making it possible to pass a gas between a collector of a series and a cell, so that the stacked openings of a series feed the cells; of the corresponding group but not the cells of the other groups.
  • the cells are preferably regularly alternated, i.e. two adjacent cells belong to different groups.
  • Groups are distinguished by the fact that a cell belonging to a group is in communication with the supply manifold of this group but not in communication with the other evacuation collectors that pass through it.
  • the openings forming a respective hydrogen supply manifold are connected to the respective supply ducts (C
  • N supply manifolds respectively connected to one of N ducts.
  • valves such as V A , V B to allow or not the injection of hydrogen in a respective duct so in a series of respective openings forming a supply manifold.
  • FIG. 3 represents a cross section of an exemplary stack of several cells of a stack according to the invention.
  • the cells are each composed of a central electrolyte membrane M, between two bipolar plates BP and BP '. It is considered that the anode is on the left of each membrane, the cathode on the right.
  • the plates are shown planar for simplicity and only the plate parts which comprise the feed collectors, in air and in hydrogen (in principle at the periphery of the plates), have been represented. Evacuation collectors are not represented. They can be constituted as the air supply manifolds. Any cooling collectors present are not shown either.
  • Seals including fully sealed peripheral seals separate the membrane from each plate.
  • FIG. 3 shows three views of bipolar plates showing again this arrangement with two hydrogen supply manifolds and a communication of each of the collectors with a cell of one group but not with that of the other group.
  • the first view 4-A shows the face of the bipolar plate on the cathode side with
  • the second view 4-B represents the face of a bipolar plate on the anode side of a cell of the GA group, with
  • the third view 4-C represents the face of a bipolar plate on the anode side of a GB group cell, with
  • the length of the secondary conduits such as CINA and CINB can be minimized. It is indeed possible to bring back to a terminal plate of the stack the means of gas referral. These means may be valves but also, more simply, tilting shutters, or perforated plates mounted rotatably or translational to bring an opening in the plate in front of the conduit to supply with a minimum of energy consumption.

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Abstract

L'invention concerne les piles à combustible, et en particulier les piles à hydrogène constituées d'au moins un empilement de cellules. On divise la pile en au moins deux groupes de cellules pouvant être alimentées séparément en hydrogène. Dans une première phase, on alimente seulement le premier groupe de cellules (GA) et pas le deuxième (GB); l'hydrogène non consommé peut cependant circuler entre les deux groupes par l'intermédiaire d'au moins un collecteur d'évacuation (EVAN) relié aux cellules des deux groupes. Dans une deuxième phase, on inverse les alimentations des deux groupes, l'hydrogène non consommé pouvant encore circuler entre les deux groupes par l'intermédiaire du collecteur d'évacuation. Dans une troisième phase, après une série d'alternances des deux premières phases, les deux groupes sont d'abord alimentés simultanément, puis une vanne de purge (VP) du collecteur d'évacuation est ouverte puis refermée.

Description

PILE A COMBUSTIBLE A INJECTION MULTIPLE ET PROCEDE DE
FONCTIONNEMENT
L'invention concerne les piles à combustible, et en particulier les piles à hydrogène.
Une pile à combustible est un empilement de cellules élémentaires dans lesquelles a lieu une réaction électrochimique entre des produits réactifs qui sont introduits au fur et à mesure que la réaction consomme ces produits. Le combustible, qui est de l'hydrogène dans le cas d'une pile à hydrogène, est apporté au contact de l'anode ; le comburant, de l'oxygène ou de l'air pour une pile à hydrogène, est apporté au contact de la cathode. L'anode et la cathode sont séparées par un électrolyte qui peut être une membrane solide, perméable à certains des constituants de la réaction mais pas à tous. La réaction est subdivisée en deux demi-réactions (une oxydation et une réduction), qui ont lieu d'une part à l'interface anode / électrolyte et d'autre part à l'interface cathode / électrolyte. En pratique, l'électrolyte solide est une membrane perméable aux ions hydrogène H+ mais pas au di-hydrogène moléculaire H2 ni aux électrons. La réaction de réduction à l'anode est une oxydation de l'hydrogène produisant des ions H+ qui traversent la membrane et des électrons qui sont collectés par l'anode ; à la cathode, ces ions viennent participer à la réduction de l'oxygène, nécessitant des électrons et produisant de l'eau, avec dégagement de chaleur.
L'empilement de cellules n'est que le lieu de la réaction : les réactifs doivent y être apportés, les produits et les espèces non réactives doivent en être évacuées, tout comme la chaleur produite. Enfin, les cellules sont reliées en série les unes aux autres, l'anode d'une cellule étant reliée à la cathode de la cellule adjacente ; aux extrémités de l'empilement de cellules se trouvent d'un côté une anode reliée à une borne négative pour évacuer les électrons et d'un autre côté une cathode reliée à une borne positive. Un circuit extérieur est relié à ces bornes. Les électrons circulent de l'anode à la cathode par le circuit extérieur ainsi alimenté par la pile au fur et à mesure de la réaction électrochimique. Une pile à combustible peut être divisée en plusieurs empilements ayant chacun des bornes électriques et des interfaces d'alimentation en fluides réactifs et de refroidissement ; ces sous-ensembles sont alors connectés en parallèle ou en série d'un point de vue fluidique et d'un point de vue électrique. Pour la partie fluidique la connexion en parallèle est de loin celle qui est rencontrée le plus fréquemment.
Dans les systèmes utilisant de l'hydrogène et de l'air atmosphérique comme réactifs, de l'air comprimé est amené à la pile et traverse une série de composants (filtre, échangeur thermique, humidificateur, etc.) avant de pénétrer dans la pile du côté de la cathode. En sortie de cathode l'air est généralement asséché pour récupérer l'eau nécessaire à l'humidification, puis le plus souvent évacué par l'intermédiaire d'un déverseur (c'est-à-dire un régulateur de pression amont) permettant le maintien en pression de la ligne. Côté anode l'hydrogène peut être issu d'un grand nombre de sources différentes, par exemple un réservoir sous pression permettant d'éviter le recours à un dispositif de compression du gaz. Il est donc le plus souvent amené à la pile après avoir traversé un simple détendeur ou une électrovanne appliquant la pression prévue dans la ligne. La plupart de ces sources possibles fournissent un hydrogène sec.
En sortie de pile, plusieurs scénarios sont possibles : l'hydrogène injecté dans la pile et non consommé par la réaction peut être en partie réinjecté en entrée de pile conjointement à de l'hydrogène sec issu de la source, de manière à homogénéiser le mélange dans la pile, c'est-à-dire de manière à le brasser avec les produits de réaction et les espèces non réactives présentes (azote notamment, provenant de la cathode par perméation au travers de la membrane) qui ne participent pas à la réaction et qui au contraire tendent à l'inhiber ; cette recirculation permet de plus de maintenir une certaine humidification de l'hydrogène qui parvient aux cellules ; en effet, dans les produits de réaction, il y a de la vapeur d'eau mélangée à l'hydrogène non consommé et cette vapeur d'eau est recirculée avec l'hydrogène ; une humidification est souhaitable pour rendre l'hydrogène moins agressif vis-à-vis de la membrane électrolytique. Cependant les systèmes de recirculation qui permettent cette réinjection sont complexes et coûteux. Alternativement, on se contente de purger les cellules à intervalles réguliers afin d'évacuer les produits de la réaction et notamment l'azote. Mais on ne peut pas attendre pour purger qu'il y ait trop d'azote dans les cellules car la réaction électrochimique s'arrêterait. La purge des produits devenus gênants ne peut pas se faire sans purger en même temps une certaine quantité d'hydrogène ; c'est une perte dommageable en raison du coût de l'hydrogène, et il est souhaitable de minimiser la quantité d'hydrogène ainsi purgée. Un des buts de l'invention est de proposer un système qui réduit les pertes de produit réactif (hydrogène notamment) lors des purges, sans pour autant nécessiter un système complexe de recirculation.
Selon l'invention on propose une pile à combustible produisant de l'énergie électrique par une réaction électrochimique entre au moins deux produits réactifs, la pile comprenant au moins un empilement de cellules composées chacune d'un assemblage d'un électrolyte, d'une anode, et d'une cathode, l'empilement étant pourvu d'un moyen d'approvisionnement pour au moins un des produits réactifs, apte à amener ce produit réactif dans les cellules de l'empilement, et d'un moyen d'évacuation des sous-produits de la réaction, caractérisé en ce que :
- les cellules de la pile sont réparties en N groupes, N entier >1 , et le moyen d'approvisionnement du produit réactif comporte un collecteur d'alimentation respectif d'approvisionnement pour chaque groupe de cellules, ce collecteur étant apte à amener le produit réactif sélectivement aux cellules d'un groupe sans l'amener aux cellules des autres groupes,
- le moyen d'approvisionnement comporte un moyen de commutation sélectif pour autoriser et interdire le passage du produit réactif vers chacun des collecteurs,
- le moyen d'évacuation comporte un ou plusieurs collecteurs d'évacuation, il est agencé de manière à autoriser la circulation entre les N groupes de cellules du produit réactif non consommé par la réaction, et il comporte une vanne de purge.
Les cellules des différents groupes sont de préférence empilées de manière imbriquée, c'est-à-dire qu'une cellule d'un groupe est adjacente à une cellule d'un autre groupe dans un même empilement. On peut envisager aussi, mais cette configuration serait moins intéressante car moins compacte, que la pile est formée de plusieurs empilements correspondant chacun à un groupe respectif de cellules.
Le collecteur d'évacuation, traversant l'empilement de cellules est de préférence commun, c'est-à-dire que les cellules de tous les groupes communiquent directement avec ce collecteur ; mais on pourrait aussi avoir des collecteurs séparés pour chaque groupe ; ils seraient alors reliés à la sortie de l'empilement pour assurer une circulation libre d'un groupe à l'autre.
Le moyen d'approvisionnement peut apporter de l'hydrogène aux collecteurs d'alimentation des N groupes, le collecteur d'un groupe communiquant avec les cellules de ce groupe du côté de l'anode. Mais on peut prévoir aussi que le moyen d'approvisionnement apporte de l'oxygène aux collecteurs d'alimentation des N groupes, le collecteur d'un groupe communiquant avec les cellules de ce groupe du côté de la cathode.
L'invention propose corrélativement un procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, qui peut être mis en œuvre avec une telle structure de pile.
Le procédé est un procédé d'alimentation d'un empilement de cellules d'une pile à combustible par au moins un produit réactif, qui est caractérisé en ce que l'on alimente sélectivement N groupes de cellules de l'empilement avec le produit réactif selon au moins trois phases,
- une première phase dans laquelle un premier groupe de cellules est alimenté mais pas un deuxième groupe, le produit réactif non consommé pouvant cependant circuler entre les deux groupes par l'intermédiaire d'au moins un collecteur d'évacuation relié aux cellules des deux groupes ;
- une deuxième phase dans laquelle le deuxième groupe est alimenté mais pas le premier, le produit réactif non consommé pouvant cependant circuler entre les deux groupes par l'intermédiaire du collecteur d'évacuation ;
- une troisième phase, de purge, dans laquelle les deux groupes sont d'abord alimentés simultanément, puis une vanne de purge du collecteur d'évacuation est ouverte puis refermée. Les deux premières phases sont de préférence répétées sur plusieurs alternances successives avant de passer à la troisième phase, après quoi un cycle recommence.
Si le nombre N est supérieur à deux, le principe est le même, mais un troisième groupe, un quatrième groupe, etc. sont prévus dans la pile, et des phases complémentaires sont insérées dans le processus. On alimente soit un seul groupe pendant une phase soit plusieurs groupes (mais pas tous), en modifiant la composition des groupes alimentés à chaque phase dans une série de phases successives avec une permutation progressive des alimentations. Puis on effectue une phase de purge qui comporte une ouverture simultanée de toutes les alimentations suivie immédiatement d'une purge commune (ouverture puis refermeture de la vanne de purge).
Du fait de la possibilité de circulation du produit réactif non consommé d'un groupe de cellules à un autre par l'intermédiaire du ou des collecteurs d'évacuation, on peut réduire la consommation d'hydrogène en purgeant moins souvent la pile ; en effet, on alimente simultanément certains groupes de cellules mais pas tous, la réaction se poursuivant dans le ou les groupes non alimentés directement ; le risque de saturation en produits de réaction, qui tendrait à arrêter la réaction électrochimique par manque local de produit réactif, est réduit par le brassage de produits de réaction provoqué par les changements d'alimentation successifs, et par le fait que le produit réactif non consommé d'un groupe alimenté parvient par le collecteur d'évacuation au(x) groupe(s) non alimenté(s) et se mélange avec les produits de réaction, permettant à la réaction de se poursuivre. Par exemple, dans une pile à hydrogène utilisant de l'air comme comburant et générant de l'azote à l'anode par perméation au travers de la membrane, les cellules dont l'alimentation principale en hydrogène est coupée risquent une saturation en azote, mais l'hydrogène non consommé par un groupe de cellules (alimentées) parvient à l'autre groupe (non alimenté) par l'intermédiaire du ou des collecteurs d'évacuation des deux groupes. Un brassage de l'azote résultant de la réaction dans les cellules du groupe non alimenté se produit du fait du changement d'alimentation, et ce brassage est facilité par la connexion ouverte entre les sorties des deux groupes. Même si ce brassage n'apporte qu'un faible pourcentage d'hydrogène aux zones saturées d'azote, le brassage et le faible pourcentage suffisent à entretenir une réaction correcte.
De plus, l'hydrogène ainsi récupéré est chargé d'humidité et introduit cette humidité dans le groupe non alimenté de sorte que lorsqu'on alimente à nouveau ce groupe les membranes électrolytiques restent en présence d'un mélange d'hydrogène humide et d'hydrogène sec. Cette humidité est favorable à la durée de vie des membranes.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement l'architecture de principe d'une pile à combustible selon l'invention ;
- la figure 2 représente les trois phases de fonctionnement de la pile dans une mise en œuvre du procédé selon l'invention ;
- la figure 3 représente un empilement de cellules appartenant à deux groupes pouvant être alimentés séparément, dans lequel les groupes de cellules sont imbriqués, deux cellules adjacentes appartenant à deux groupes différents ;
- la figure 4 représente une vue schématique des plaques bipolaires, dans trois plans différents des plaques de cellules empilées : le plan des cellules du côté de la cathode, le plan d'une cellule d'un premier groupe du côté de l'anode, et le plan d'une cellule d'un deuxième groupe du côté de l'anode.
On décrira l'invention à propos d'une pile à hydrogène alimentée du côté de l'anode par de l'hydrogène et du côté de la cathode par de l'air, la mise en œuvre du procédé étant appliquée ici à propos de l'hydrogène, c'est- à-dire du côté des anodes. L'invention est applicable également du côté de la cathode, c'est-dire pour l'alimentation en comburant, lorsque celui-ci est constitué en majeure partie d'oxygène (teneur supérieure à 50% dans le gaz sec). Enfin, elle est principalement applicable aux piles à hydrogène mais elle est applicable aussi pour d'autres produits réactifs, et ceci aussi bien du côté de l'alimentation en comburant que du côté de l'alimentation en combustible. La pile à hydrogène comprend de multiples cellules comprenant chacune une anode, une cathode, et un électrolyte entre les deux. On considérera ici seulement le cas où l'électrolyte est constitué par une membrane échangeuse d'ions. En pratique de nombreuses cellules sont empilées pour former un ou plusieurs empilements reliés entre eux d'un point de vue fluidique et électrique.
Un moyen d'approvisionnement des cellules en hydrogène sous pression est prévu. Il comprend des moyens de distribution d'hydrogène à l'intérieur de chaque cellule du côté de l'anode. De même un moyen d'approvisionnement en air est prévu, avec des moyens de distribution d'air dans chaque cellule du côté de la cathode. De même encore, un moyen d'évacuation des produits de la réaction (azote, eau et notamment eau liquide) est prévu, ce moyen étant distribué de manière à recueillir et évacuer les produits de réaction de toutes les cellules. On s'intéressera ici seulement à l'évacuation des produits de réaction et des espèces inertes du côté de l'anode, en particulier de l'eau et de l'azote qui apparaissent initialement du côté de la cathode mais qui sont passés du côté de l'anode à travers la membrane électrolytique. Enfin, un moyen de refroidissement distribué sur toutes les cellules peut également être prévu pour des piles à combustibles qui nécessitent un tel refroidissement.
Sur la figure 1 , on a représenté très schématiquement deux groupes de cellules : groupe GA et groupe GB, avec une partie amont (en amont de l'empilement de cellules) du moyen d'approvisionnement en hydrogène, et la partie aval (en aval de l'empilement de cellules) du moyen d'évacuation. Les autres éléments décrits ci-dessus ne sont pas représentés.
Les deux groupes de cellules sont identiques mais sont alimentés séparément. La partie amont du moyen d'approvisionnement comprend donc
- un réservoir RESH2 d'hydrogène sous pression (ou tout autre moyen d'amenée d'hydrogène sous pression) ;
- un conduit principal CAL d'alimentation générale de la pile, qui amène l'hydrogène du réservoir ;
- deux conduits secondaires d'entrée C|N-A et C|N-B qui amènent l'hydrogène du conduit général CAL vers chacun des deux groupes de cellules ; la pile comporte, en aval de ces conduits secondaires, un collecteur d'alimentation respectif pour chaque groupe ; ce collecteur traverse l'empilement de cellules et distribue l'hydrogène dans les cellules ; il n'est pas représenté sur la figure 1 ;
- des vannes de commutation sur le trajet de l'hydrogène à partir du conduit général pour aiguiller l'hydrogène soit vers le collecteur d'alimentation du groupe GA soit vers le collecteur d'alimentation du groupe GB soit vers les deux à la fois ; on a représenté deux vannes VA et VB séparées, placées chacune dans un conduit secondaire respectif, mais il faut comprendre qu'on pourrait avoir une seule vanne à trois positions placée à la jonction entre le conduit principal et les conduits secondaires ;
On a représenté sur la figure 1 , pour faciliter la compréhension, les deux groupes de cellules l'un à côté de l'autre ; en réalité les cellules sont toutes empilées et les groupes de cellules seront imbriqués l'un dans l'autre dans l'empilement : l'empilement comprendra une alternance régulière de cellules du groupe A et de cellules du groupe B, de préférence une cellule d'un groupe toujours adjacente à une cellule de l'autre groupe.
Pour l'évacuation des produits de la réaction du côté de l'anode, on a un ou deux collecteurs d'évacuation non représentés qui traversent l'empilement de cellules et qui recueillent de chaque cellule les produits engendrés par la réaction à l'anode. En aval de ce collecteur, le moyen d'évacuation peut comprendre un ou deux conduits de sortie COUT-A et ^OUT-B (selon qu'il y a un ou deux collecteurs d'évacuation) qui rejoignent un conduit principal d'évacuation CEv- Une vanne de purge VP est prévue dans le conduit principal CEv- Elle sert à purger l'azote et l'eau en provenance des deux groupes de cellules à la fois, c'est-à-dire qu'elle ne purge pas séparément chacun des groupes.
Pour simplifier la représentation et les explications, on a considéré sur la figure 1 qu'il y a des collecteurs séparés pour les cellules des deux groupes mais dans la pratique il y a de préférence un seul collecteur relié à toutes les cellules des deux groupes imbriqués.
La figure 2 représente les phases principales de fonctionnement de la pile, avec la même représentation très simplifiée qu'à la figure 1 .
Dans une première phase, la vanne VA est ouverte, la vanne VB est fermée, la vanne VP est fermée ; le groupe GA de cellules est alimenté en hydrogène sec sous pression par la vanne VA ; la pression pousse vers le conduit de sortie C0UT-A les produits de réaction, azote, eau liquide et vapeur d'eau, mais aussi de l'hydrogène non consommé par la réaction produite avant l'ouverture de la vanne VA. Cet hydrogène (humide) parvient dans le groupe GB par le conduit C0UT-B qui communique librement avec le conduit COUT-A (ou directement par le collecteur d'évacuation commun aux deux groupes s'il existe) ; l'hydrogène humide se mélange aux produits de la réaction qui continue à se produire dans le groupe GB non alimenté en hydrogène sec. Ce brassage avec un apport d'hydrogène évite une saturation locale de la zone de réaction par une trop grande concentration d'azote ; la réaction électrochimique peut donc se poursuivre pendant cette phase malgré l'absence d'alimentation en hydrogène sec.
Dans la deuxième phase, la situation est tout simplement inversée, la vanne VA est fermée et la vanne VB est ouverte. La vanne VP reste fermée. Le flux de produits de réaction et d'hydrogène non consommé s'inverse et passe du conduit COUT-B vers le conduit C0UT-A-
Ces deux phases peuvent être suivies d'une troisième phase, ou bien être alternées X fois avant d'effectuer une troisième phase. Pendant cette alternance, le volume d'azote accumulé est déplacé d'un groupe de cellules à l'autre en passant par les conduits de sortie ou par le collecteur d'évacuation commun. Ce brassage permet de limiter le phénomène de stratification d'azote, ou accumulation locale d'azote produit en continu mais non évacué tant que la vanne de purge n'est pas ouverte. En l'absence de ce brassage il faudrait purger souvent ; avec ce brassage on peut purger moins souvent.
La troisième phase est donc une phase de purge pour évacuer simultanément les produits de réaction et notamment l'azote hors des deux groupes de cellules. Les vannes d'admission VA et VB sont ouvertes ensemble, puis la vanne de purge VP est également ouverte puis refermée.
La fréquence d'apparition de la phase de purge (X fois plus faible que la fréquence des alternances d'alimentation des groupes GA et GB) peut être :
- une fréquence fixe prédéfinie ; - une fréquence déterminée par rapport à la fréquence de l'alternance des deux premières phases (qui elle-même peut être fixe ou variable) ;
- une fréquence variant en fonction des paramètres de fonctionnement de la pile, par exemple le courant délivré ou la température,
- une fréquence variant en fonction d'un seuil de niveau de tension délivrée, ce seuil pouvant lui-même varier en fonction de paramètres de fonctionnement de la pile.
La fréquence de l'alternance des deux premières phases peut être déterminée soit expérimentalement soit in situ par une détection de paramètres tels que la tension de sortie aux bornes des cellules : une chute de tension indique un ralentissement de la réaction donc l'utilité de basculer alors l'alimentation des groupes si cette chute dépasse un seuil tolérable (par exemple quelques dizaines de millivolts).
Le même principe peut être appliqué à plus de deux groupes de cellules alimentées séparément en hydrogène et ayant leurs sorties d'évacuation communiquant entre elles.
Par exemple, on peut avoir trois groupes et une permutation circulaire de leur alimentation en trois phases pouvant être répétées X fois puis une quatrième phase de purge commune :
- phase 1 : un groupe GA alimenté, deux groupes GB et GC non alimentés ;
- phase 2 : un groupe GB alimenté, deux groupes GC et GA non alimentés ;
- phase 3 : un groupe GC alimenté, deux groupes GA et GB non alimentés ;
- phase 4 après X séries de trois permutations : Groupes GA, GB, GC alimentés, puis ouverture puis refermeture de la vanne de purge.
On peut également prévoir que deux groupes soient alimentés simultanément, un seul étant non alimenté.
Si le nombre N de groupes augmente au-delà de trois, bien d'autres combinaisons sont possibles. Par exemple, avec quatre groupes GA, GB, GC, GD, ayant des sorties reliées avec une valve de purge commune, on peut faire une permutation circulaire à quatre phases dans laquelle deux groupes sont alimentés simultanément et deux autres ne sont pas alimentés :
- phase 1 : deux groupes GA, GB alimentés, deux groupes GC, GD non alimentés ;
- phase 2 : deux groupes GB, GC alimentés, deux groupes GD,
GA non alimentés ;
- phase 3 : deux groupes GC, GD alimentés, deux groupes GA et GB non alimentés ;
- phase 4 : deux groupes GD, GA alimentés, deux groupes GB, GC non alimentés ;
- phase 5 après X séries de quatre permutations : Groupes GA, GB, GC,GD alimentés, puis ouverture puis refermeture de la vanne de purge.
Un meilleur brassage de l'azote est ainsi assuré, l'azote étant transféré plus fréquemment d'un groupe de cellules à un autre.
Les étapes de procédé ainsi décrites sont particulièrement intéressantes lorsque la pile à hydrogène fonctionne avec de l'air comme comburant puisqu'elles permettent d'éviter des inconvénients dus à l'azote. Mais même si le comburant ne contient pas d'azote, le brassage qui résulte de ce procédé est intéressant pour limiter l'assèchement de la membrane à l'entrée de la pile à combustible du côté de l'anode.
Pour mettre en œuvre l'invention, on part de la disposition classique de cellules empilées, mais on adapte cette disposition pour y inclure des moyens de distribution capables de distribuer le produit réactif, par exemple l'hydrogène, dans certaines cellules mais pas dans d'autres.
Les piles à combustible à cellules empilées classiques comprennent une superposition de plaques dites plaques bipolaires entre lesquelles sont disposés des ensembles comprenant à la fois une membrane électrolytique et une électrode de chaque côté de la membrane. Les plaques bipolaires, éventuellement associées à des joints d'étanchéité de configuration particulière, servent à collecter le courant électrique et à distribuer les gaz réactifs (hydrogène et air, ou hydrogène et oxygène) à la membrane, du côté approprié de la membrane : hydrogène du côté anode, air ou oxygène du côté cathode. Elles comprennent des canaux de distribution en regard des anodes et d'autres en regard des cathodes. Sur leur périphérie, les plaques sont percées d'ouvertures servant à amener les gaz réactifs, et d'ouvertures servant à évacuer les produits de la réaction. Les ouvertures d'admission de gaz réactif forment, par la superposition des plaques en contact étroit les unes avec les autres, des collecteurs d'alimentation en gaz réactif. Les ouvertures d'évacuation forment de la même manière des collecteurs d'évacuation des produits de la réaction. Des joints d'étanchéité sont prévus pour que les fluides restent confinés dans ces collecteurs, mais la conformation des plaques bipolaires et/ou des joints d'étanchéité est telle que des passages sont formés dans les collecteurs aux endroits où on veut distribuer le fluide dans une cellule pour que le fluide pénètre dans cette cellule, du côté désiré sans aller vers l'autre côté. Ces passages aiguillent les gaz réactifs vers la cellule par l'intermédiaire de canaux de distribution formés dans les plaques, qui distribuent le gaz aussi uniformément que possible vers la membrane électrolytique.
Il en est de même pour les produits de réaction, les plaques et joints étant conformés pour permettre de recueillir et évacuer les produits de réaction du côté de l'anode et/ou de la cathode vers le collecteur d'évacuation.
Ainsi, le collecteur d'alimentation en hydrogène d'une cellule classique est constitué par l'empilement de plaques et joints conformés de telle manière que l'hydrogène puisse se répandre dans les cellules du côté de l'anode mais absolument pas du côté de la cathode. C'est le contraire pour le collecteur d'alimentation en air ou oxygène.
En bout d'empilement ces ouvertures formées dans les plaques sont reliées respectivement à un conduit d'alimentation respectif pour chaque produit réactif et à un conduit d'évacuation pour les produits de la réaction.
Selon l'invention, on modifie cette structure en prévoyant que les plaques sont perçées de N collecteurs d'alimentation (N entier au moins égal à 2) pour le produit réactif pour lequel on veut mettre en œuvre l'invention, ici N collecteurs d'alimentation d'hydrogène. Par conséquent, au lieu de conformer les plaques et joints avec des ouvertures empilées de manière que l'hydrogène puisse pénétrer du collecteur d'alimentation vers le côté anode de toutes les cellules de l'empilement, on prévoit : - que les plaques et joints comportent chacune N séries d'ouvertures empilées (N>1 ) au lieu d'une seule série, pour former N collecteurs d'alimentation au lieu d'un, chaque collecteur alimentant un groupe de cellules respectif ;
- que les plaques et joints de l'empilement ont N conformations différentes en ce qui concerne les passages permettant de faire passer un gaz entre un collecteur d'une série et une cellule, de manière que les ouvertures empilées d'une série alimentent les cellules du groupe correspondant mais pas les cellules des autres groupes.
Les cellules sont de préférence alternées régulièrement, c'est-à- dire que deux cellules adjacentes appartiennent à des groupes différents.
On distingue donc les groupes par le fait qu'une cellule appartenant à un groupe est en communication avec le collecteur d'alimentation de ce groupe mais pas en communication avec les autres collecteurs d'évacuation qui la traversent.
En bout d'empilement, les ouvertures formant un collecteur d'alimentation respectif en hydrogène sont reliées aux conduits respectifs d'alimentation (C|N-A, C|N-B)- Il y a N collecteurs d'alimentation reliés respectivement à l'un de N conduits. Et il y a des vannes telles que VA, VB pour autoriser ou non l'injection d'hydrogène dans un conduit respectif donc dans une série d'ouvertures respective formant un collecteur d'alimentation.
En ce qui concerne les ouvertures correspondant au collecteur d'évacuation (on s'intéressera seulement au collecteur des produits de réaction à l'anode mais il peut y avoir un collecteur pour la cathode aussi), on peut envisager deux possibilités :
- ou bien il y a un seul collecteur d'évacuation formé par des ouvertures dans les plaques bipolaires superposées, ce collecteur communiquant avec toutes les cellules quel que soit le groupe auxquelles les cellules appartiennent ; les cellules peuvent alors communiquer directement entre elles par l'intermédiaire du collecteur d'évacuation ;
- ou bien il y a plusieurs collecteurs d'évacuation (pas forcément N) configurés comme les collecteurs d'alimentation, c'est-à-dire reliés à certaines cellules mais pas à d'autres ; dans ce cas ces collecteurs sont reliés en bout d'empilement à plusieurs conduits d'évacuation comme cela a été représenté pour simplifier sur les figures 1 et 2 : conduits C0UT-A, C-OUT-B- La figure 3 représente une coupe transversale d'un exemple d'empilement de plusieurs cellules d'une pile selon l'invention. Les cellules sont chacune composée d'une membrane électrolytique centrale M, entre deux plaques bipolaires BP et BP'. On considère que l'anode est à gauche de chaque membrane, la cathode à droite. Les plaques sont représentées planes pour simplifier et on n'a représenté que les parties de plaque qui comportent les collecteurs d'alimentation, en air et en hydrogène (en principe à la périphérie des plaques). Les collecteurs d'évacuation ne sont pas représentés. Ils peuvent être constitués comme les collecteurs d'alimentation en air. Les collecteurs de refroidissement éventuellement présents ne sont pas représentés non plus.
Des joints d'étanchéité, notamment des joints périphériques complètement étanches séparent la membrane de chaque plaque.
Dans la représentation de la figure 3, on considère que la communication ou l'absence de communication entre un collecteur d'évacuation et les cellules est réalisée par des joints, par exemple par des joints annulaires, entourant les ouvertures à l'endroit de la cellule et du côté concerné (anode ou cathode). Un joint étanche entourant de manière continue, sans ouverture de communication, ne permet pas la communication. Un joint injecteur comportant des ouvertures de communication permet cette communication.
On comprendra que la communication peut être interdite ou autorisée par d'autres moyens que ces joints annulaires, par exemple des joints de forme complexe, ou des conformations particulières des plaques bipolaires.
Si on considère la figure 3, on voit que le collecteur d'alimentation en hydrogène qui est alimenté par le conduit C|N-A est en communication avec une cellule sur deux du côté anode et jamais en communication du côté cathode. On voit aussi que l'autre collecteur d'alimentation, alimenté par le conduit C-IN-B est en communication avec les autres cellules du côté anode et jamais en communication du côté cathode. Le collecteur d'alimentation en air est en communication avec toutes les cellules du côté cathode et jamais du côté anode. La figure 4 représente trois vues de plaques bipolaires montrant à nouveau cette disposition avec deux collecteurs d'amenée d'hydrogène et une communication de chacun des collecteurs avec une cellule d'un groupe mais pas avec celle de l'autre groupe. Dans cet exemple, on a considéré qu'il y a un collecteur d'alimentation d'hydrogène H|N-A pour les cellules du groupe A et un autre H|N-B pour les cellules du groupe B, un collecteur d'alimentation en air AIR!N pour toutes les cellules, un collecteur d'évacuation des produits du côté anode EVAN, et un collecteur d'évacuation des produits du côté cathode EVCA.
La première vue 4-A montre la face de la plaque bipolaire du côté cathode avec
- une ouverture représentant le collecteur AIR|N et un joint pourvu d'ouvertures de communication ;
- deux ouvertures représentant les collecteurs H|N-A et H|N-B avec des joints dépourvus d'ouvertures donc sans communication possible ;
- une ouverture représentant le collecteur d'évacuation EVCA pour les produits de réaction à la cathode, avec un joint percé d'ouvertures,
- une ouverture représentant le collecteur d'évacuation EVAN pour les produits de réaction à l'anode, avec un joint dépourvu d'ouvertures.
La deuxième vue 4-B représente la face d'une plaque bipolaire du côté anode d'une cellule du groupe GA, avec
- une ouverture représentant le collecteur AIR!N et un joint qui ne comporte aucune ouverture de communication ;
- une ouverture représentant le collecteur H|N-A avec un joint pourvu d'ouvertures de communication ;
- une ouverture représentant le collecteur H|N-B avec un joint qui ne comporte pas d'ouvertures de communication ;
- une ouverture représentant le collecteur d'évacuation EVAN pour les produits de réaction à l'anode, avec un joint percé d'ouvertures,
- et une ouverture représentant le collecteur d'évacuation EVCA pour les produits de réaction à la cathode avec un joint dépourvu d'ouvertures. La troisième vue 4-C représente la face d'une plaque bipolaire du côté anode d'une cellule du groupe GB, avec
- une ouverture représentant le collecteur AIR!N et un joint qui ne comporte aucune ouverture de communication ;
- une ouverture représentant le collecteur H|N-A avec un joint qui ne comporte pas d'ouvertures de communication ;
- une ouverture représentant le collecteur H|N-B avec un joint pourvu d'ouvertures de communication ;
- une ouverture représentant le collecteur d'évacuation EVAN pour les produits de réaction à l'anode, avec un joint percé d'ouvertures,
- et une ouverture représentant le collecteur d'évacuation EVCA pour les produits de réaction à la cathode avec un joint dépourvu d'ouvertures. Pour assurer la distribution sélective d'hydrogène dans l'un ou l'autre des collecteurs, on peut minimiser la longueur des conduits secondaires tels que CINA et CINB- On peut en effet ramener dans une plaque terminale de l'empilement les moyens d'aiguillage du gaz. Ces moyens peuvent être des vannes mais aussi, plus simplement, des obturateurs basculants, ou encore des plaques perforées montées à rotation ou déplaçables en translation pour amener une ouverture dans la plaque devant le conduit à alimenter avec un minimum de consommation d'énergie.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Pile à combustible produisant de l'énergie électrique par une réaction électrochimique entre au moins deux produits réactifs, la pile comprenant au moins un empilement de cellules composées chacune d'un assemblage d'un électrolyte, d'une anode, et d'une cathode, l'empilement étant pourvu d'un moyen d'approvisionnement pour au moins un des produits réactifs, apte à amener ce produit réactif dans les cellules de l'empilement, et d'un moyen d'évacuation des sous-produits de la réaction, caractérisée en ce que :
- les cellules de la pile sont réparties en N groupes (GA, GB), N>1 , et le moyen d'approvisionnement du produit réactif comporte un collecteur d'alimentation (H|N-A, H|N-B) respectif d'approvisionnement pour chaque groupe de cellules, ce collecteur étant apte à amener le produit réactif sélectivement aux cellules d'un groupe sans l'amener aux cellules des autres groupes,
- le moyen d'approvisionnement comporte en outre un moyen de commutation sélectif (VA, VB) pour autoriser et interdire le passage du produit réactif vers chacun des collecteurs,
- le moyen d'évacuation comporte au moins un collecteur d'évacuation (EVAN), il est agencé de manière à autoriser la circulation, entre les N groupes de cellules, du produit réactif non consommé par la réaction, et il comporte une vanne de purge (VP),
et les cellules des différents groupes sont empilées de manière imbriquée dans un même empilement, c'est-à-dire qu'une cellule d'un groupe est adjacente à une cellule d'un autre groupe de l'empilement.
2. Pile à combustible selon la revendication &, caractérisée en ce que le collecteur d'évacuation, traversant l'empilement de cellules, communique avec les cellules de tous les groupes.
3. Pile à combustible selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le moyen d'approvisionnement apporte de l'hydrogène aux collecteurs d'alimentation des N groupes, le collecteur d'un groupe communiquant avec les cellules de ce groupe du côté de l'anode.
4. Pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le moyen d'approvisionnement apporte de l'oxygène aux collecteurs d'alimentation des N groupes, le collecteur d'un groupe communiquant avec les cellules de ce groupe du côté de la cathode.
5. Procédé d'alimentation d'une pile à combustible, comprenant au moins un empilement de cellules, par au moins un produit réactif, caractérisé en ce que l'on alimente sélectivement N groupes de cellules de la pile (N>1 ) avec le produit réactif selon au moins trois phases,
- une première phase dans laquelle un premier groupe de cellules (GA) est alimenté mais pas un deuxième groupe (GB), le produit réactif non consommé pouvant cependant circuler entre les deux groupes par l'intermédiaire d'au moins un collecteur d'évacuation (EVAN) relié aux cellules des deux groupes ;
- une deuxième phase dans laquelle le deuxième groupe est alimenté mais pas le premier, le produit réactif non consommé pouvant cependant circuler entre les deux groupes par l'intermédiaire du collecteur d'évacuation ;
- une troisième phase dans laquelle les deux groupes sont d'abord alimentés simultanément, puis une vanne de purge (VP) du collecteur d'évacuation est ouverte puis refermée.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les cellules des différents groupes sont empilées de manière imbriquée dans un même empilement, c'est-à-dire qu'une cellule d'un groupe est adjacente à une cellule d'un autre groupe de l'empilement.
7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les deux premières phases sont répétées sur plusieurs alternances successives avant de passer à la troisième phase, après quoi un cycle recommence.
8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que N est supérieur à deux et on alimente soit un seul groupe pendant une phase soit plusieurs groupes, mais pas tous, en modifiant la composition des groupes alimentés pendant une série de phases successives par une permutation progressive des alimentations, puis on effectue une phase de purge comportant une ouverture simultanée de toutes les alimentations suivie immédiatement d'une purge commune par la vanne de purge.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la série de phases est répétée plusieurs fois avant la phase de purge.
10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la pile est une pile à combustible et le produit réactif est de l'hydrogène amené par les collecteurs d'alimentation du côté de l'anode des cellules de chaque groupe.
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