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EP2729602A1 - Dispositif de production et de stockage de dioxygene et/ou de dihydrogene et systeme de pile a combustible associe - Google Patents

Dispositif de production et de stockage de dioxygene et/ou de dihydrogene et systeme de pile a combustible associe

Info

Publication number
EP2729602A1
EP2729602A1 EP12733680.8A EP12733680A EP2729602A1 EP 2729602 A1 EP2729602 A1 EP 2729602A1 EP 12733680 A EP12733680 A EP 12733680A EP 2729602 A1 EP2729602 A1 EP 2729602A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dihydrogen
dioxygen
oxygen
line
high pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12733680.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Verdu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Areva Stockage dEnergie SAS
Original Assignee
Areva Stockage dEnergie SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Areva Stockage dEnergie SAS filed Critical Areva Stockage dEnergie SAS
Publication of EP2729602A1 publication Critical patent/EP2729602A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/2247—Sampling from a flowing stream of gas
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    • Y10T137/8376—Combined

Definitions

  • the present invention relates to a device for producing and storing dioxygen and / or dihydrogen, of the type comprising:
  • a high pressure tank for storing the oxygen, respectively the hydrogen, at high pressure, fluidly connected to the source.
  • Such a device is typically intended to supply a fuel cell, for the production of an electric current by oxidation-reduction reaction between dioxygen and dihydrogen.
  • CN 101546842 describes such a device for producing and storing dioxygen and dihydrogen, comprising an electrolyzer for producing dioxygen and dihydrogen by electrolysis of water, a dioxygen reservoir, and a hydrogen reservoir, the production device and storing a fuel cell.
  • An object of the invention is to provide a device for producing and storing dioxygen and / or dihydrogen with limited risk of explosions, having acceptable manufacturing and operating costs.
  • the invention relates to a production and storage device of the aforementioned type, further comprising:
  • bypass line connecting a dioxygen or dihydrogen output of the source to a dioxygen or dihydrogen output respectively from the production and storage device, bypassing the high pressure reservoir, the bypass line being supplied with through a pressure regulator to reduce the pressure in the bypass line, and
  • the production and storage device also comprises one or more of the following characteristics, taken separately or according to any technically possible combination (s):
  • the production and storage device comprises a low pressure line fluidly connecting the high pressure tank to the exit of oxygen or hydrogen, the production and storage device, the bypass line opening into the low pressure line, the line. low pressure being adapted to store the dioxygen, respectively the dihydrogen, passing through the bypass line;
  • the low pressure line comprises a low pressure reservoir, for storing the oxygen or the hydrogen, passing through the bypass line;
  • the invention also relates to a fuel cell system, comprising a fuel cell adapted to produce an electric current by a redox reaction between dioxygen and dihydrogen, and a device for supplying the fuel cell.
  • dioxygen and dihydrogen wherein the feed device comprises a production and storage device as defined above.
  • the subject of the invention is also a method for producing and storing dioxygen and / or dihydrogen, comprising the following successive stages:
  • FIG. 1 is a schematic representation of a fuel cell system according to the invention
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a fuel cell of the fuel cell system of Figure 1, and
  • FIG 3 is a detailed diagram of a fuel cell system feeder of Figure 1.
  • upstream and downstream are to be understood in relation to the flow direction of the fluids in the various fluid circuits.
  • the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, comprises a fuel cell 12, for producing an electric current by a redox reaction between an oxidizing fluid and a reducing fluid, and a feed system 13. Fuel cell 12 in oxidizing fluid and reducing fluid.
  • the fuel cell 12 comprises a stack 14 of fuel cell cells 15.
  • the fuel cell 12 comprises a plurality of stacks 14 fluidly connected to each other, in parallel or in series.
  • a cell 15 of the stack 14 is shown in FIG. 2. It comprises a membrane-electrode assembly 16 interposed between an anode plate 18 and a cathode plate 22.
  • the membrane-electrode assembly 16 comprises an ion exchange membrane 26 sandwiched between an anode 28a and a cathode 28b.
  • the membrane 26 electrically isolates the anode 28a from the cathode 28b.
  • the membrane 26 is generally a proton exchange membrane, adapted to allow only protons to pass through it.
  • the membrane 26 is typically made of polymer material.
  • the anode 28a and the cathode 28b each comprise a catalyst, typically platinum or a platinum alloy, to facilitate the reaction.
  • the anode plate 18 defines anode conduit 20 for the circulation of the reducing fluid along the anode 28a and in contact therewith. To do this, the plate 18 is provided with at least one channel formed in the face of the plate facing the membrane-electrode assembly 16 and closed by said membrane assembly electrode 16.
  • the anode plate 18 is formed of an electrically conductive material, typically graphite.
  • the reducing fluid used is a fluid comprising dihydrogen, such as pure dihydrogen.
  • the cathode plate 22 defines a cathode conduit 24 for the circulation of the oxidizing fluid along the cathode 28b and in contact therewith. To do this, the plate 22 is provided with at least one channel formed in the face of the plate facing the membrane-electrode assembly 16 and closed by said membrane electrode assembly 16.
  • the cathode plate 22 is formed of a material electrically conductive, typically graphite.
  • the oxidizing fluid used is a fluid comprising dioxygen, such as for example pure oxygen or a mixture of air and oxygen.
  • the membrane 26 separates the oxidizing and reducing fluids. It is disposed between the anode plate 18 and the cathode plate 22 of the cell 15 and isolates them electrically from each other.
  • the anode 28a is in electrical contact with the anode plate 18.
  • the cathode 28b and is in electrical contact with the cathode plate 22. It is at the level of the anode 28a that the oxidation of the reducing fluid takes place and that electrons and protons are generated. The electrons then pass through the anode plate 18 to the cathode 28b of the cell 15, or to the cathode of another cell, to participate in the reduction of the oxidizing fluid.
  • the anode plate 18 of each cell is in contact with the cathode plate 22 of the neighboring cell.
  • the anodic and cathodic plates 18, 22 thus ensure the transfer of electrons from the reducing fluid circulating in one cell to the oxidizing fluid circulating in another cell.
  • the anodic plates 18 and cathode 22 of two cells adjacent to the stack 18 are preferably integral and together form a bipolar plate.
  • the anode conduits 20 of the cells 15 are fluidly connected to each other and together form an anode compartment 30 of the stack 14, and the cathode ducts 22 of the cells 15 are fluidly connected to one another and together form a cathode compartment 32 of the stack 14.
  • the anode compartment 30 is shown schematically in dashed lines and the cathode compartment 32 is shown schematically in phantom.
  • the cells 15 are held stacked by means of clamping plates 34 arranged at the ends of the stack 14. Clamping bolts 36 exert an clamping force on the plates 34 to keep them in compression against the cells 15.
  • the supply system 13 is adapted to supply the anode compartment 30 with reducing fluid and the cathode compartment 32 with an oxidizing fluid. It comprises a device for producing and storing dioxygen and dihydrogen 40, shown in FIG. 3.
  • the production and storage device 40 comprises a source 42 of dioxygen and dihydrogen, a dioxygen outlet 44, a dihydrogen outlet 46, a first fluid circuit 48, connecting a dioxygen outlet 49A of the source 42 to the exit of oxygen 44, and a second fluid circuit 50, connecting a dihydrogen outlet 49B from the source 42 to the exit of dihydrogen 46.
  • Source 42 is typically an electrolyzer, adapted to produce dioxygen and dihydrogen by electrolysis.
  • dioxygen and dihydrogen are produced by source 42 at elevated pressures.
  • the oxygen 44 and dihydrogen 46 outlets each comprise a valve 51 for selectively closing and opening the outlet, respectively 44, 46.
  • the oxygen and dihydrogen products can be stored in the device 40 before supplying the fuel cell. 12.
  • the first fluid circuit 48 comprises a first high pressure tank 52 for storing the high pressure oxygen, a high pressure line 54, fluidly connecting the source 42 to the first high pressure tank 52, and a low pressure line 56 connecting fluidically the high pressure tank 52 at the exit of oxygen 44.
  • the high pressure line 54 is adapted to drive the oxygen produced by the source 42 at high pressure to the high pressure tank 52.
  • the low pressure line 56 is adapted to drive the oxygen produced, under controlled pressure, from the reservoir 52 to the outlet 44.
  • the first fluid circuit 48 comprises a pressure regulator 58 disposed at the outlet of the high pressure reservoir 52 to reduce the pressure. oxygen pressure in low pressure line 56 with respect to the storage pressure of oxygen in the high pressure tank 52.
  • the first fluid circuit 48 further comprises a bypass line 60 fluidically connecting the oxygen output 49A of the source 42 to the oxygen outlet 49A of the production and storage device 40.
  • the bypass line 60 is installed as a bypass of the reservoir high pressure 52, that is to say, it is adapted so that a portion of the oxygen produced by the source 42 joins the oxygen outlet 44 without passing through the high pressure tank 52.
  • the branch line 60 feeds into the high pressure line 54 upstream of the tank 52 and opens into the low pressure line 56. In particular, it feeds into the high pressure line 54 via a regulator. pressure 62, for reducing the pressure in the branch line 60 with respect to the pressure of oxygen in the high pressure line 54.
  • the low pressure line 56 is adapted to store the oxygen having passed through the bypass line 60.
  • it preferably comprises, as shown, a low pressure reservoir 64.
  • the low pressure reservoir 64 is typically constituted by an enlargement local low pressure line 56.
  • the production and storage device 40 also comprises a device 70 for measuring the concentration of dihydrogen in the oxygen produced by the source 42.
  • the measuring device 70 is disposed on the branch line 60 at low pressure.
  • the measuring device is adapted to measure the dihydrogen concentration in the low pressure oxygen, and relatively inexpensive measuring devices can be used to constitute the measuring device 70.
  • the production and storage device 40 also comprises a module (not shown) adapted to regulate the electrolysis reaction at the source 42 as a function of the dihydrogen concentration measured by the measuring device 70.
  • the second fluid circuit 50 comprises a second high pressure tank 82 for storing the high pressure hydrogen, a high pressure line 84, fluidically connecting the source 42 to the second high pressure tank 82, and a low pressure line 86 connecting the high pressure tank 82 at the exit of dihydrogen 46.
  • the high pressure line 84 is adapted to drive the hydrogen produced by the source 42 at high pressure to the high pressure tank 82.
  • the low pressure line 86 is adapted to drive the hydrogen produced, under controlled pressure, from the tank 82 to the outlet 46.
  • the second fluid circuit 50 comprises a pressure regulator 88 at the outlet of the tank 82 to reduce the pressure of hydrogen. in the low pressure line 86 with respect to the storage pressure of the hydrogen in the high pressure tank 82.
  • the source 42 produces dioxygen and dihydrogen by electrolysis and the valves 51 are each in a closed configuration.
  • the hydrogen produced is stored in the second high-pressure tank 82.
  • the majority of the oxygen produced is stored in the first high-pressure tank 52.
  • a small portion of the oxygen produced is taken from the high-pressure line 54, and is relaxed. through the pressure regulator 62 and passes through the branch line 60, where the concentration of dihydrogen in the oxygen product is measured by the device 70, before the small portion of oxygen is stored in the low pressure line 56.
  • valves 51 are switched to open configuration.
  • the stored oxygen and dihydrogen flow out of the tanks 52, 82 and are expanded through the pressure regulators 58, 88.
  • the oxygen exiting the reservoir 52 then mixes with the small portion of oxygen stored in the low pressure line 56 Then the oxygen and the hydrogen exit the production and storage device 40 through, respectively, the outlet 44 and the outlet 46.
  • the source 42 does not produce dioxygen and dihydrogen during this second stage.
  • the invention it is thus possible to measure the dihydrogen concentration in the product oxygen, at lower manufacturing and operating costs.
  • the measuring device used can be inexpensive since the measurement is made at low pressure.
  • the gas used for the measurement of the dihydrogen concentration is also used to supply the fuel cell, which limits the gas losses and thus reduces operating costs.
  • the measurement of the dihydrogen concentration in dioxygen by sampling in the flow of oxygen upstream of the high pressure reservoir allows a direct measurement of the dihydrogen concentration during the filling of the high pressure reservoir and without risk of dilution of the dioxygen.
  • dihydrogen in a fluid remained stagnant in the fluidic circuit.
  • the second fluid circuit 50 comprises a device for measuring the dioxygen concentration in the dihydrogen, and the second fluid circuit 50 is shaped similarly to the first fluid circuit 48 so as to allow measurement of the oxygen concentration at low pressure and without loss of fluid.
  • the second fluid circuit 50 is adapted to allow a measurement of the dioxygen concentration in the dihydrogen produced at low pressure and without loss of fluid, the first fluid circuit 48 then not including the diversion 60.

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Abstract

Ce dispositif (40) de production et de stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène, comprend : - une source (42) de dioxygène et de dihydrogène, et - un réservoir haute pression (52), pour stocker le dioxygène, respectivement le dihydrogène, à haute pression, raccordé fluidiquement à la source (42). Le dispositif comprend en outre : - une ligne de dérivation (60) reliant une sortie de dioxygène (49A), respectivement de dihydrogène, de la source (42) à une sortie de dioxygène (44), respectivement de dihydrogène, du dispositif de production et de stockage (40), en dérivation du réservoir haute pression (52), la ligne de dérivation (60) étant alimentée au travers d'un régulateur de pression (62) pour réduire la pression dans la ligne de dérivation (60), et - un dispositif (70) de mesure de la concentration de dihydrogène, respectivement de dioxygène, dans le dioxygène, respectivement dans le dihydrogène, produit par la source (42), le dispositif de mesure (70) étant disposé sur la ligne de dérivation (60).

Description

Dispositif de production et de stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène et système de pile à combustible associé
La présente invention concerne un dispositif de production et de stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène, du type comprenant :
- une source de dioxygène et de dihydrogène, et
- un réservoir haute pression, pour stocker le dioxygène, respectivement le dihydrogène, à haute pression, raccordé fluidiquement à la source.
Un tel dispositif est typiquement destiné à alimenter une pile à combustible, pour la production d'un courant électrique par réaction d'oxydoréduction entre le dioxygène et le dihydrogène.
CN 101546842 décrit un tel dispositif de production et de stockage de dioxygène et de dihydrogène, comprenant un électrolyseur pour produire le dioxygène et le dihydrogène par électrolyse de l'eau, un réservoir de dioxygène, et un réservoir de dihydrogène, le dispositif de production et de stockage alimentant une pile à combustible.
Cependant, un tel dispositif ne donne pas entière satisfaction. En effet, lors de l'électrolyse de l'eau, il existe un risque que des molécules de dihydrogène se retrouvent dans le flux de dioxygène en sortie d'électrolyseur et inversement. La présence de ces molécules de dihydrogène, respectivement de dioxygène, constitue un risque d'explosion important, notamment lorsque le dioxygène, respectivement le dihydrogène, est stocké dans le réservoir à haute pression.
Il est donc nécessaire de contrôler la concentration de dihydrogène dans le dioxygène produit par l'électrolyseur, et inversement.
Un objectif de l'invention est de proposer un dispositif de production et de stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène présentant des risques d'explosions limités, ayant des coûts de fabrication et d'exploitation acceptables.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de production et de stockage du type précité, comprenant en outre :
- une ligne de dérivation reliant une sortie de dioxygène, respectivement de dihydrogène, de la source à une sortie de dioxygène, respectivement de dihydrogène, du dispositif de production et de stockage, en dérivation du réservoir haute pression, la ligne de dérivation étant alimentée au travers d'un régulateur de pression pour réduire la pression dans la ligne de dérivation, et
- un dispositif de mesure de la concentration de dihydrogène, respectivement de dioxygène, dans le dioxygène, respectivement dans le dihydrogène, produit par la source, le dispositif de mesure étant disposé sur la ligne de dérivation.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, le dispositif de production et de stockage comprend également une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) :
- le dispositif de production et de stockage comprend une ligne basse pression raccordant fluidiquement le réservoir haute pression à la sortie de dioxygène, respectivement de dihydrogène, du dispositif de production et de stockage, la ligne de dérivation débouchant dans la ligne basse pression, la ligne basse pression étant adaptée pour stocker le dioxygène, respectivement le dihydrogène, transitant par la ligne de dérivation ;
- la ligne basse pression comprend un réservoir basse pression, pour stocker le dioxygène, respectivement le dihydrogène, transitant par la ligne de dérivation ;
- la source de dioxygène, respectivement de dihydrogène, est un électrolyseur. L'invention a également pour objet un système de pile à combustible, comprenant une pile à combustible adaptée pour produire un courant électrique par une réaction d'oxydoréduction entre du dioxygène et du dihydrogène, et un dispositif d'alimentation de la pile à combustible en dioxygène et en dihydrogène, dans lequel le dispositif d'alimentation comprend un dispositif de production et de stockage tel que défini ci- dessus.
L'invention a également pour objet un procédé de production et de stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène comprenant les étapes successives suivantes :
- production de dioxygène et de dihydrogène,
- stockage du dioxygène, respectivement du dihydrogène, produit, dans un réservoir haute pression, et
- détente du dioxygène, respectivement du dihydrogène, en sortie du réservoir haute pression, pour alimenter un dispositif en dioxygène, respectivement en dihydrogène, à basse pression,
le procédé comprenant en outre les étapes successives suivantes :
- prélèvement d'une portion du dioxygène, respectivement d'une portion du dihydrogène, produit, avant son stockage dans le réservoir haute pression,
- détente de ladite portion de dioxygène, respectivement de dihydrogène,
- mesure de la concentration en dihydrogène, respectivement en dioxygène, dans la portion de dioxygène, respectivement de dihydrogène, détendue, et - mélange de la portion de dioxygène, respectivement de la partie de dihydrogène, avec le dioxygène, respectivement le dihydrogène, sortant du réservoir haute pression.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
la Figure 1 est une représentation schématique d'un système de pile à combustible selon l'invention,
la Figure 2 est une vue schématique en coupe d'une cellule de pile à combustible du système de pile à combustible de la Figure 1 , et
la Figure 3 est un schéma détaillé d'un dispositif d'alimentation du système de pile à combustible de la Figure 1 .
Dans la suite, les termes « amont » et « aval » sont à entendre par rapport au sens d'écoulement des fluides dans les différents circuits fluidiques.
Le système de pile à combustible 10, représenté sur la Figure 1 , comprend une pile à combustible 12, pour produire un courant électrique par une réaction d'oxydoréduction entre un fluide oxydant et un fluide réducteur, et un système 13 d'alimentation de la pile à combustible 12 en fluide oxydant et en fluide réducteur.
La pile à combustible 12 comprend un empilement 14 de cellules 15 de pile à combustible. En variante (non représentée), la pile à combustible 12 comprend plusieurs empilements 14 raccordés fluidiquement les uns aux autres, en parallèle ou en série.
Une cellule 15 de l'empilement 14 est représentée sur la Figure 2. Elle comprend un assemblage membrane-électrode 16 intercalé entre une plaque anodique 18 et une plaque cathodique 22.
L'assemblage membrane-électrode 16 comprend une membrane 26 d'échange d'ions prise en sandwich entre une anode 28a et une cathode 28b.
La membrane 26 isole électriquement l'anode 28a de la cathode 28b.
La membrane 26 est généralement une membrane d'échange de protons, adaptée pour ne laisser que des protons la traverser. La membrane 26 est typiquement en matériau polymère.
L'anode 28a et la cathode 28b comprennent chacune un catalyseur, typiquement du platine ou un alliage de platine, pour faciliter la réaction.
La plaque anodique 18 délimite un conduit anodique 20 pour la circulation du fluide réducteur le long de l'anode 28a et en contact avec celle-ci. Pour ce faire, la plaque 18 est munie d'au moins un canal ménagé dans la face de la plaque tournée vers l'assemblage membrane-électrode 16 et refermé par ledit assemblage membrane électrode 16. La plaque anodique 18 est formée d'un matériau conducteur électriquement, typiquement du graphite. Le fluide réducteur utilisé est un fluide comprenant du dihydrogène, comme par exemple du dihydrogène pur.
La plaque cathodique 22 délimite un conduit cathodique 24 pour la circulation du fluide oxydant le long de la cathode 28b et en contact avec celle-ci. Pour ce faire, la plaque 22 est munie d'au moins un canal ménagé dans la face de la plaque tournée vers l'assemblage membrane-électrode 16 et refermé par ledit assemblage membrane électrode 16. La plaque cathodique 22 est formée d'un matériau conducteur électriquement, typiquement du graphite. Le fluide oxydant utilisé est un fluide comprenant du dioxygène, comme par exemple du dioxygène pur ou un mélange d'air et de dioxygène.
La membrane 26 sépare les fluides oxydant et réducteur. Elle est disposée entre la plaque anodique 18 et la plaque cathodique 22 de la cellule 15 et isole celles-ci électriquement l'une de l'autre.
L'anode 28a est en contact électrique avec la plaque anodique 18. La cathode 28b et est en contact électrique avec la plaque cathodique 22. C'est au niveau de l'anode 28a qu'a lieu l'oxydation du fluide réducteur et que les électrons et les protons sont générés. Les électrons transitent ensuite via la plaque anodique 18 vers la cathode 28b de la cellule 15, ou vers la cathode d'une autre cellule, pour participer à la réduction du fluide oxydant.
Dans l'empilement 14, la plaque anodique 18 de chaque cellule est en contact avec la plaque cathodique 22 de la cellule voisine. Les plaques anodique et cathodique 18, 22 assurent ainsi le transfert des électrons du fluide réducteur circulant dans une cellule vers le fluide oxydant circulant dans une autre cellule. Les plaques anodique 18 et cathodique 22 de deux cellules voisines de l'empilement 18 sont de préférence venues de matière et forment ensemble une plaque bipolaire.
De retour à la Figure 1 , les conduits anodiques 20 des cellules 15 sont raccordés fluidiquement les uns aux autres et forment ensemble un compartiment anodique 30 de l'empilement 14, et les conduits cathodiques 22 des cellules 15 sont raccordés fluidiquement les uns aux autres et forment ensemble un compartiment cathodique 32 de l'empilement 14. Sur la Figure 1 , le compartiment anodique 30 est représenté schématiquement en traits pointillés et le compartiment cathodique 32 est représenté schématiquement en traits mixtes.
Les cellules 15 sont maintenues empilées grâce à des plaques de serrage 34 disposées aux extrémités de l'empilement 14. Des boulons de serrage 36 exercent une force de serrage sur les plaques 34 pour les maintenir en compression contre les cellules 15.
Le système d'alimentation 13 est adapté pour alimenter le compartiment anodique 30 en fluide réducteur et le compartiment cathodique 32 en fluide oxydant. Il comprend un dispositif de production et de stockage de dioxygène et de dihydrogène 40, représenté sur la Figure 3.
Le dispositif de production et de stockage 40 comprend une source 42 de dioxygène et de dihydrogène, une sortie de dioxygène 44, une sortie de dihydrogène 46, un premier circuit fluidique 48, raccordant une sortie de dioxygène 49A de la source 42 à la sortie de dioxygène 44, et un deuxième circuit fluidique 50, raccordant une sortie de dihydrogène 49B de la source 42 à la sortie de dihydrogène 46.
La source 42 est typiquement un électrolyseur, adapté pour produire le dioxygène et le dihydrogène par électrolyse. De préférence, le dioxygène et le dihydrogène sont produits par la source 42 à des pressions élevées.
Les sorties de dioxygène 44 et de dihydrogène 46 comprennent chacune une vanne 51 pour sélectivement fermer et ouvrir la sortie, respectivement 44, 46. Ainsi, le dioxygène et le dihydrogène produits peuvent être stockés dans le dispositif 40 avant d'alimenter la pile à combustible 12.
Le premier circuit fluidique 48 comprend un premier réservoir haute pression 52 pour stocker le dioxygène à haute pression, une ligne de canalisation haute pression 54, raccordant fluidiquement la source 42 au premier réservoir haute pression 52, et une ligne de canalisation basse pression 56, raccordant fluidiquement le réservoir haute pression 52 à la sortie de dioxygène 44.
La ligne haute pression 54 est adaptée pour conduire le dioxygène produit par la source 42 à haute pression jusqu'au réservoir haute pression 52.
La ligne basse pression 56 est adaptée pour conduire le dioxygène produit, sous une pression régulée, du réservoir 52 jusqu'à la sortie 44. Le premier circuit fluidique 48 comprend un régulateur de pression 58 disposé en sortie du réservoir haute pression 52 pour réduire la pression de dioxygène dans ligne basse pression 56 par rapport à la pression de stockage du dioxygène dans le réservoir haute pression 52.
Le premier circuit fluidique 48 comprend en outre une ligne de dérivation 60 raccordant fluidiquement la sortie de dioxygène 49A de la source 42 à la sortie de dioxygène 49A du dispositif de production et de stockage 40. La ligne de dérivation 60 est installée en dérivation du réservoir haute pression 52, c'est-à-dire qu'elle est adaptée pour qu'une partie du dioxygène produit par la source 42 rejoigne la sortie de dioxygène 44 sans traverser le réservoir haute pression 52. La ligne de dérivation 60 s'alimente dans la ligne haute pression 54 en amont du réservoir 52 et débouche dans la ligne basse pression 56. En particulier, elle s'alimente dans la ligne haute pression 54 par l'intermédiaire d'un régulateur de pression 62, destiné à réduire la pression dans la ligne de dérivation 60 par rapport à la pression de dioxygène dans la ligne haute pression 54.
La ligne basse pression 56 est adaptée pour stocker le dioxygène ayant transité par la ligne de dérivation 60. A cet effet, elle comprend, de préférence, comme représenté, un réservoir basse pression 64. Le réservoir basse pression 64 est typiquement constitué par un élargissement local de la ligne basse pression 56.
Comme évoqué précédemment, une partie du dihydrogène produit est présent dans le dioxygène convoyé par le premier circuit fluidique 48. Il est nécessaire de mesurer la concentration du dihydrogène dans le dioxygène pour limiter les risques d'explosion. A cet effet, le dispositif de production et de stockage 40 comprend également un dispositif 70 de mesure de la concentration de dihydrogène dans le dioxygène produit par la source 42.
Le dispositif de mesure 70 est disposé sur la ligne de dérivation 60, à basse pression. Ainsi, le dispositif de mesure est adapté pour mesurer la concentration de dihydrogène dans le dioxygène à basse pression, et des dispositifs de mesure relativement peu onéreux peuvent être utilisés pour constituer le dispositif mesure 70.
De préférence, le dispositif de production et de stockage 40 comprend également un module (non représenté) adapté pour réguler la réaction d' électrolyse au niveau de la source 42 en fonction de la concentration en dihydrogène mesurée par le dispositif de mesure 70.
Le deuxième circuit fluidique 50 comprend un deuxième réservoir haute pression 82 pour stocker le dihydrogène à haute pression, une ligne de canalisation haute pression 84, raccordant fluidiquement la source 42 au deuxième réservoir haute pression 82, et une ligne de canalisation basse pression 86, raccordant le réservoir haute pression 82 à la sortie de dihydrogène 46.
La ligne haute pression 84 est adaptée pour conduire le dihydrogène produit par la source 42 à haute pression jusqu'au réservoir haute pression 82.
La ligne basse pression 86 est adaptée pour conduire le dihydrogène produit, sous une pression régulée, du réservoir 82 jusqu'à la sortie 46. Le deuxième circuit fluidique 50 comprend un régulateur de pression 88 en sortie du réservoir 82 pour réduire la pression de dihydrogène dans la ligne basse pression 86 par rapport à la pression de stockage du dihydrogène dans le réservoir haute pression 82. Un procédé d'alimentation de la pile à combustible 12 par le dispositif de production et de stockage 40 va maintenant être décrit, en regard de la Figure 3.
Dans un premier temps, la source 42 produit le dioxygène et le dihydrogène par électrolyse et les vannes 51 sont chacune en configuration fermée. Le dihydrogène produit est stocké dans le deuxième réservoir haute pression 82. La majeure partie du dioxygène produit est stockée dans le premier réservoir haute pression 52. Pendant ce temps, une petite portion du dioxygène produit est prélevée dans la ligne haute pression 54, est détendue au travers du régulateur de pression 62 et transite par la ligne de dérivation 60, où la concentration de dihydrogène dans le dioxygène produit est mesurée par le dispositif 70, avant que la petite portion de dioxygène ne soit stockée dans la ligne basse pression 56.
Puis, dans un deuxième temps, les vannes 51 sont basculées en configuration ouverte. Le dioxygène et le dihydrogène stockés s'écoulent hors des réservoirs 52, 82 et sont détendus au travers des régulateurs de pression 58, 88. Le dioxygène sortant du réservoir 52 se mélange alors à la petite portion de dioxygène stockée dans la ligne basse pression 56. Puis le dioxygène et le dihydrogène sortent du dispositif de production et de stockage 40 à travers, respectivement, la sortie 44 et la sortie 46. De préférence, la source 42 ne produit pas de dioxygène et de dihydrogène pendant ce deuxième temps.
Grâce à l'invention, il est ainsi possible de mesurer la concentration de dihydrogène dans le dioxygène produit, à moindre coût de fabrication et d'exploitation. En effet, le dispositif de mesure utilisé peut être peu coûteux puisque la mesure est faite à basse pression. En outre, le gaz utilisé pour la mesure de la concentration en dihydrogène est également utilisé pour alimenter la pile à combustible, ce qui permet de limiter les pertes de gaz et donc de réduire les coûts d'exploitation.
De plus, le fait de mesurer la concentration de dihydrogène dans le dioxygène par prélèvement dans le flux de dioxygène en amont du réservoir haute pression permet une mesure directe de la concentration de dihydrogène, pendant le remplissage du réservoir haute pression et sans risque de dilution du dihydrogène dans un fluide resté stagnant dans le circuit fluidique.
Dans l'exemple décrit ci-dessus, seule la concentration de dihydrogène dans le dioxygène produit est mesurée. En variante (non représentée), le deuxième circuit fluidique 50 comprend un dispositif de mesure de la concentration de dioxygène dans le dihydrogène, et le deuxième circuit fluidique 50 est conformé de façon similaire au premier circuit fluidique 48 de façon à permettre la mesure de la concentration en dioxygène à basse pression et sans perte de fluide. En variante encore (non représentée), seul le deuxième circuit fluidique 50 est adapté pour permettre une mesure de la concentration en dioxygène dans le dihydrogène produit à basse pression et sans perte de fluide, le premier circuit fluidique 48 ne comprenant alors pas la ligne de dérivation 60.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Dispositif (40) de production et de stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène, comprenant :
- une source (42) de dioxygène et de dihydrogène, et
- un réservoir haute pression (52), pour stocker le dioxygène, respectivement le dihydrogène, à haute pression, raccordé fluidiquement à la source (42), caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- une ligne de dérivation (60) reliant une sortie de dioxygène (49A), respectivement de dihydrogène, de la source (42) à une sortie de dioxygène (44), respectivement de dihydrogène, du dispositif de production et de stockage (40), en dérivation du réservoir haute pression (52), la ligne de dérivation (60) étant alimentée au travers d'un régulateur de pression (62) pour réduire la pression dans la ligne de dérivation (60), et
- un dispositif (70) de mesure de la concentration de dihydrogène, respectivement de dioxygène, dans le dioxygène, respectivement dans le dihydrogène, produit par la source (42), le dispositif de mesure (70) étant disposé sur la ligne de dérivation (60).
2. - Dispositif de production et de stockage (40) selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend une ligne basse pression (56) raccordant fluidiquement le réservoir haute pression (52) à la sortie de dioxygène (44), respectivement de dihydrogène, du dispositif de production et de stockage (40), la ligne de dérivation (60) débouchant dans la ligne basse pression (56), la ligne basse pression (56) étant adaptée pour stocker le dioxygène, respectivement le dihydrogène, transitant par la ligne de dérivation (60).
3.- Dispositif de production et de stockage (40) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la ligne basse pression (56) comprend un réservoir basse pression (64), pour stocker le dioxygène, respectivement le dihydrogène, transitant par la ligne de dérivation (60).
4. - Dispositif de production et de stockage (40) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source (42) de dioxygène, respectivement de dihydrogène, est un électrolyseur.
5. - Système de pile à combustible (10), comprenant une pile à combustible (12) adaptée pour produire un courant électrique par une réaction d'oxydoréduction entre du dioxygène et du dihydrogène, et un dispositif (13) d'alimentation de la pile à combustible (12) en dioxygène et en dihydrogène, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation (13) comprend un dispositif de production et de stockage (40) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
6.- Procédé de production et de stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène, comprenant les étapes successives suivantes :
- production de dioxygène et de dihydrogène,
- stockage du dioxygène, respectivement du dihydrogène, produit, dans un réservoir haute pression, et
- détente du dioxygène, respectivement du dihydrogène, en sortie du réservoir haute pression, pour alimenter un dispositif en dioxygène, respectivement en dihydrogène, à basse pression,
caractérisé en ce que le procédé comprend en outre les étapes successives suivantes :
- prélèvement d'une portion du dioxygène, respectivement d'une portion du dihydrogène, produit, avant son stockage dans le réservoir haute pression, - détente de ladite portion de dioxygène, respectivement de dihydrogène,
- mesure de la concentration en dihydrogène, respectivement en dioxygène, dans la portion de dioxygène, respectivement de dihydrogène, détendue, et
- mélange de la portion de dioxygène, respectivement de la partie de dihydrogène, avec le dioxygène, respectivement le dihydrogène, sortant du réservoir haute pression.
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