FR2917902A1

FR2917902A1 - Fuel cell assembly securing method for motor vehicle, involves regulating evacuation flow of tampon reserve to guaranty hydrogen concentration lesser than lower explosivity limit, and driving part of flow

Info

Publication number: FR2917902A1
Application number: FR0755856A
Authority: FR
Inventors: Damien Pierre Sainflou
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-12-26
Anticipated expiration: 2027-06-19
Also published as: FR2917902B1

Abstract

The method involves collecting a part of an anode output flow of a fuel cell (H) in a tampon reserve (3), and evacuating the reserve. Regulated anode output flow is mixed with cathode output flow, if the latter flow is mixed with output flow of a case (J). Evacuation flow of the reserve is regulated according to parameters of different output flows and/or operating condition of the cell and/or catalytic burner (8) to guaranty hydrogen concentration lesser than lower explosivity limit in the flow obtained after mixing. A part of the flow is driven after being mixed with the burner. An independent claim is also included for a device for passive securisation of a fuel cell assembly.

Description

Procédé et dispositif de sécurisation passive d'un groupe électrogèneMethod and device for passive securing of a generator

embarqué à pile à combustible avec régulation dépressurisée améliorant l'efficacité des purges La présente invention concerne le domaine des piles à combustible. Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine des groupes électrogènes embarqués à pile à combustible. L'utilisation de tels groupes électrogènes embarqués s'est considérablement développée récemment, notamment dans le domaine des véhicules automobiles. Il est connu qu'une pile à combustible, par exemple une pile à combustible à membranes échangeuses de protons dite PEMFC, produit de l'électricité à partir de la réaction de synthèse de l'eau par combinaison d'oxygène et d'hydrogène. Comme le montre la figure 1, illustrant le schéma simplifié d'une pile à combustible, l'oxygène, le plus souvent provenant d'une source A, par exemple de l'air atmosphérique est acheminé, le cas échéant après humidification au poste C, vers la cathode Ha tandis que l'hydrogène, provenant d'une source B de stockage pure ou de la transformation d'un carburant hydrogéné est acheminé à l'anode Hb d'une pile à combustible H pour produire de l'électricité G par réaction chimique. La température de cette pile à combustible est régulée par un système externe de régulation D de la température. A la sortie de la pile à combustible H, de la cathode Ha sort par la ligne d'échappement E un mélange d'air humide appauvri d'environ 50% en oxygène et de l'eau produite lors de la réaction dans la pile à combustible. De l'anode, sort par la ligne d'échappement F un mélange d'hydrogène, d'azote et d'eau, ceci de façon continue ou par intermittence lors de purges. En plus de ces deux évacuations, comme la pile à combustible présente des fuites inévitables en hydrogène, pour des raisons de sécurité du fait de risque d'explosion, les fuites en hydrogène et de certains organes transportant de l'hydrogène peuvent être canalisées dans un carter J puis acheminées vers l'extérieur par un système actif de ventilation débouchant sur la ligne d'échappement K. L'évacuation permanente d'hydrogène pour les besoins d'un bon fonctionnement de l'ensemble pile à combustible pose un problème notoire de sécurité pour celui-ci, notamment quand la pile à combustible est embarquée à bord d'un véhicule, problème qui peut être amplifié par certaines situations de vie du véhicule comme l'utilisation en intérieur, l'arrêt, l'entretien, l'accident etc... Il est connu d'utiliser une réserve de gaz inerte pour assurer par exemple à l'arrêt du véhicule la mise hors fonctionnement du système à pile à combustible ou en cas d'arrêt d'urgence du système. Cette disposition concerne cependant la sécurisation active du système en cas de danger ou d'arrêt du système et non pas la sécurisation passive recherchée dans la présente demande de brevet en vue de prévenir les dérèglements de dégagement d'hydrogène pouvant être potentiellement dangereux au lieu de traiter une solution d'urgence. Un tel dispositif à gaz inerte est connu du document JP-A-7029586 qui montre l'introduction dans une ligne de flux d'anode d'un mélange d'un gaz inerte et d'un gaz d'anode pour purger cette ligne, avec une concentration en hydrogène dans ce mélange inférieure à la limite d'explosivité. Pour la purge de la ligne de cathode, il est prévu un mélange de gaz de cathode et de gaz inerte. Ce document montre par ailleurs une boucle de recirculation entre la ligne d'échappement anode et la ligne d'alimentation anode. Le document FR-A-2 870 390 décrit un dispositif de sécurisation d'un ensemble pile à combustible comportant un réacteur disposé en aval de la pile à combustible et apte à recombiner l'hydrogène et l'oxygène en produisant de l'eau et assurant ainsi une sécurisation passive. Ce document ne décrit pas de moyen quelconque de régulation de la concentration d'hydrogène. Il ne divulgue ainsi que l'utilisation par exemple de brûleurs catalytiques, de moyens propres à éliminer l'hydrogène ou à le maintenir à une concentration inoffensive. Cependant le fonctionnement d'un brûleur catalytique est fortement perturbé quand le système pile à combustible subit des purges périodiques de la ligne anodique de ce système. En effet, l'afflux soudain d'une forte concentration d'hydrogène élève la température à des niveaux trop importants pour être compatibles avec les matériaux utilisés dans le brûleur catalytique. Entre chaque purge, le brûleur catalytique voit sa température baisser et il tend alors à se désactiver et la réaction de combustion de l'hydrogène est en conséquence réduite ou annulée. Certaines propositions proposent le lissage préalablement à la consommation dans un brûleur catalytique, mais aucune de ces propositions ne s'est avérée satisfaisante. En plus du problème de sécurité dû à une trop forte concentration d'hydrogène dans le flux de sortie anode, s'ajoute un problème de bon fonctionnement du compartiment anodique de la pile en combustible. The present invention relates to the field of fuel cells. More particularly, the present invention relates to the field of on-board fuel cell generator sets. The use of such onboard generator sets has grown considerably recently, particularly in the field of motor vehicles. It is known that a fuel cell, for example a PEMFC proton exchange membrane fuel cell, produces electricity from the water synthesis reaction by combining oxygen and hydrogen. As shown in Figure 1, illustrating the simplified diagram of a fuel cell, the oxygen, usually from a source A, for example atmospheric air is routed, if necessary after humidification at station C to the cathode Ha while the hydrogen, from a source B of pure storage or hydrogenated fuel processing is conveyed to the anode Hb of a fuel cell H to produce electricity G by chemical reaction. The temperature of this fuel cell is regulated by an external control system D of the temperature. At the outlet of the fuel cell H, the cathode Ha exits through the exhaust line E a mixture of moist air depleted about 50% oxygen and the water produced during the reaction in the fuel cell. combustible. From the anode, exits the exhaust line F a mixture of hydrogen, nitrogen and water, this continuously or intermittently during purges. In addition to these two evacuations, as the fuel cell has unavoidable hydrogen leaks, for safety reasons due to the risk of explosion, hydrogen leaks and certain hydrogen-carrying devices can be channeled into a fuel cell. J casing then sent outwardly by an active ventilation system leading to the exhaust line K. The permanent evacuation of hydrogen for the purposes of proper operation of the fuel cell assembly poses a known problem of safety for it, especially when the fuel cell is on board a vehicle, a problem that can be amplified by certain vehicle life situations such as indoor use, shutdown, maintenance, accident etc ... It is known to use a reserve of inert gas to ensure for example the stopping of the vehicle the shutdown of the fuel cell system or in case of emergency stop system. This provision however relates to the active securing of the system in case of danger or system shutdown and not the passive security sought in the present patent application to prevent the disruption of release of hydrogen that may be potentially dangerous instead of deal with an emergency solution. Such an inert gas device is known from JP-A-7029586 which shows the introduction into a line of anode flow of a mixture of an inert gas and an anode gas to purge this line, with a hydrogen concentration in this mixture below the explosive limit. For purging the cathode line, a mixture of cathode gas and inert gas is provided. This document also shows a recirculation loop between the anode exhaust line and the anode feed line. Document FR-A-2,870,390 describes a device for securing a fuel cell assembly comprising a reactor disposed downstream of the fuel cell and capable of recombining hydrogen and oxygen by producing water and thus ensuring passive security. This document does not describe any means of regulating the hydrogen concentration. It only discloses the use of, for example, catalytic burners, means for removing hydrogen or maintaining it at a harmless concentration. However, the operation of a catalytic burner is strongly disturbed when the fuel cell system undergoes periodic purges of the anode line of this system. Indeed, the sudden influx of a high concentration of hydrogen raises the temperature to levels too important to be compatible with the materials used in the catalytic burner. Between each purge, the catalytic burner lowers its temperature and then tends to deactivate and the combustion reaction of the hydrogen is accordingly reduced or canceled. Some proposals propose smoothing prior to consumption in a catalytic burner, but none of these proposals has been found to be satisfactory. In addition to the safety problem due to too high concentration of hydrogen in the anode outlet flow, there is a problem of good operation of the anode compartment of the fuel cell.

En effet, lors des purges d'évacuation dans une réserve de régulation, cette réserve est initialement pressurisée autour de la pression atmosphérique car si celle-ci n'a pas été tout à fait vidée de la purge précédente elle est encore légèrement pressurisée. Elle peut aussi avoir été mise en légère dépression lors de sa vidange. Au cours de la purge, la réserve se remplit et se pressurise à nouveau pour atteindre au maximum la pression motrice du remplissage c'est-à-dire la pression de la sortie anodique. Ainsi s'établit une contre pression entre la réserve et le compartiment anodique ce qui ralentit le débit de purge en détériorant la qualité de la purge en rendant par exemple l'évacuation d'eau moins efficiente et en entraînant un renouvellement moindre du mélange gazeux. Il est alors nécessaire d'augmenter le temps de purge pour maintenir la qualité de la purge. Du fait de l'ouverture de la vanne de purge, pendant celle-ci, la pression dans le compartiment anodique est abaissée et les performances de la pile sont donc amoindries. Il convient donc aussi de réduire cet inconvénient se produisant lors des purges. Le problème à la base de la présente invention est, d'une part, d'assurer la sécurisation d'un ensemble pile à combustible pour les rejets d'hydrogène, cette sécurisation devant particulièrement tenir compte des irrégularités de débit d'hydrogène imputables aux purges s'effectuant dans le compartiment anode de la pile à combustible et d'autre part, de permettre un bon fonctionnement de la pile à combustible en réduisant les inconvénients se produisant lors des purges. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible, cet ensemble présentant un flux de sortie cathode, un flux de sortie anode et un flux de sortie de carter de pile destinés à être envoyés par exemple au moins en partie vers un brûleur catalytique, ce procédé comprenant les étapes suivantes . -collecte d'au moins une partie du flux de sortie anode dans une réserve tampon, - évacuation de la réserve tampon avec un débit de flux de sortie anode régulé tout en créant une dépressurisation dans cette réserve tampon, - mélange du flux de sortie anode régulé avec le flux de sortie cathode, le cas échéant ce dernier étant préalablement mélangé avec le flux de sortie de carter, -la régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon étant effectuée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres des divers flux de sortie et/ou de conditions de fonctionnement de la pile et/ou d'un possible brûleur catalytique afin de toujours garantir une concentration en hydrogène inférieure à la Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) dans le flux obtenu après mélange, -conduite d'au moins une partie du flux après mélange par exemple vers un brûleur catalytique. Indeed, during evacuation purges in a regulating reserve, this reserve is initially pressurized around the atmospheric pressure because if it has not been completely emptied of the previous purge it is still slightly pressurized. It may also have been put in slight depression during its emptying. During the purge, the reserve fills and pressurizes again to reach the maximum driving pressure of the filling that is to say the pressure of the anode outlet. This establishes a back pressure between the reserve and the anode compartment which slows down the purge rate by deteriorating the quality of the purge, for example by making the evacuation of less efficient water and resulting in a lesser renewal of the gas mixture. It is then necessary to increase the purge time to maintain the quality of the purge. Due to the opening of the purge valve, during this, the pressure in the anode compartment is lowered and the performance of the battery is reduced. It is therefore also necessary to reduce this disadvantage occurring during purges. The problem underlying the present invention is, on the one hand, to ensure the security of a fuel cell assembly for hydrogen discharges, this security must particularly take into account the irregularities of hydrogen flow attributable to purging takes place in the anode compartment of the fuel cell and secondly, to allow proper operation of the fuel cell by reducing the disadvantages occurring during purges. For this purpose, the subject of the invention is a method of passive securing of a fuel cell assembly, this assembly having a cathode output stream, an anode output stream and a battery case output stream intended to be sent. for example at least in part to a catalytic burner, this method comprising the following steps. -collecting at least a portion of the anode output stream in a buffer reserve, - evacuation of the buffer reserve with a controlled anode output flow rate while creating a depressurization in this buffer pool, - mixing of the anode outlet flow regulated with the cathode output stream, if necessary the latter being premixed with the casing output stream, -the regulation of the evacuation flow of the buffer reserve being performed as a function of one or more parameters of the various flows output and / or operating conditions of the cell and / or a possible catalytic burner so as to always guarantee a hydrogen concentration lower than the Lower Explosive Limit (LEL) in the flux obtained after mixing, -conduit of at least a part of the flow after mixing for example to a catalytic burner.

L'invention concerne aussi un dispositif de sécurisation passive d'un ensemble pile à combustible présentant une anode, une cathode et un carter de pile, une ligne d'échappement du flux de sortie de cathode, une ligne d'échappement du flux de sortie d'anode et une ligne d'échappement du flux de sortie de carter de pile, ces flux étant dirigés au moins partiellement par exemple vers un brûleur catalytique, caractérisé en ce que la ligne d'échappement du flux de sortie d'anode comprend un réservoir tampon, un moyen de régulation étant prévu à la sortie du réservoir tampon, d'une part, apte à assurer une évacuation régulée de ce flux de sortie d'anode hors du réservoir tampon et, d'autre part, apte à mettre la réserve tampon en légère dépression par aspiration. Selon des caractéristiques additionnelles du procédé, les mélanges des flux se font par effet venturi à l'aide d'un élément déprimogène et le procédé comprend une étape de contrôle des caractéristiques des flux juste avant et après mélange du flux anode et du flux cathode, ce mélange étant ensuite conduit au moins en partie par exemple vers un brûleur catalytique. Avantageusement, le moyen de régulation est une pompe volumétrique, à piston, à membrane ou péristatique. Préférentiellement, une électrovanne est disposée dans la ligne d'échappement du flux de sortie anode avant la réserve tampon, cette électrovanne servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible et alimentant la réserve tampon en flux de sortie anode. Avantageusement, dans le dispositif de sécurisation, la ligne d'échappement du flux de sortie anode régulé rejoint la ligne d'échappement du flux de sortie cathode, ce dernier étant, le cas échéant, augmenté du flux de sortie carter de pile et le flux de sortie anode est mélangé avec au moins le flux de sortie cathode par une interface de mélange. The invention also relates to a device for passive safety of a fuel cell assembly having an anode, a cathode and a battery casing, an exhaust line of the cathode output stream, an exhaust line of the output stream. anode and an exhaust line of the cell casing outlet stream, these flows being directed at least partially for example towards a catalytic burner, characterized in that the exhaust line of the anode outlet flow comprises a buffer tank, a regulating means being provided at the outlet of the buffer tank, on the one hand, adapted to ensure a regulated evacuation of this anode outlet flow out of the buffer tank and, secondly, able to put the buffer reserve in slight depression by suction. According to additional characteristics of the process, the flux mixtures are made by venturi effect using a depressor element and the method comprises a step of controlling the flow characteristics just before and after mixing the anode flow and the cathode flow, this mixture then being led at least partly for example to a catalytic burner. Advantageously, the regulating means is a positive displacement pump, piston, diaphragm or peristatic. Preferably, a solenoid valve is disposed in the exhaust line of the anode outlet flow before the buffer reserve, this solenoid valve serving as purge solenoid valve of the anode compartment of the fuel cell and supplying the buffer reserve anode outlet flow. Advantageously, in the securing device, the exhaust line of the regulated anode output stream joins the exhaust line of the cathode output stream, the latter being, if necessary, increased by the stack casing output flow and the flow anode output is mixed with at least the cathode output stream by a mixing interface.

Préférentiellement, l'interface de mélange du flux de sortie cathode avec le flux de sortie anode régulé est à effet venturi déprimogène, c'est-à-dire qu'une des deux lignes d'échappement respectives comporte une partie, présentant un rétrécissement de section d'échappement, disposée juste après que l'autre ligne d'échappement débouche dans cette ligne d'échappement et que, le cas échéant, le mélange du flux de sortie cathode avec le flux de sortie carter de pile a été effectué avec une interface de mélange similaire. Preferably, the mixing interface of the cathode output stream with the regulated anode output flow has a depressive venturi effect, that is to say that one of the two respective exhaust lines has a portion, having a narrowing of exhaust section, disposed just after the other exhaust line opens into this exhaust line and that, where appropriate, the mixing of the cathode output stream with the stack outlet output stream was performed with a similar mixing interface.

De préférence, le moyen de régulation de la réserve tampon est une pompe, ce moyen de régulation étant piloté par une logique de commande en fonction de divers paramètres. Avantageusement, la régulation du débit d'évacuation de la réserve tampon est effectuée en fonction d'un ou de plusieurs des paramètres suivants : paramètres de fonctionnement de l'ensemble pile à combustible comme courant produit, périodicité des purges de la zone anode, pression de la réserve tampon, concentration d'hydrogène dans la réserve tampon et/ou la ligne d'échappement, taux d'humidité dans les lignes d'échappement, débit et concentration d'hydrogène dans la ligne d'échappement de sortie carter de pile, débit des lignes d'échappement, concentration d'oxygène dans la ligne d'échappement cathode, paramètres de l'effet déprimogène généré par les débits des lignes d'échappement et le retrécissement de la section de la ligne d'échappement réceptrice, concentration en oxygène en amont de la jonction des flux anode et cathode et/ou concentration d'hydrogène en aval de la jonction des flux anode et cathode, concentration d'azote dans la ligne d'échappement anode. Preferably, the means for regulating the buffer reserve is a pump, this regulation means being controlled by a control logic according to various parameters. Advantageously, the regulation of the evacuation rate of the buffer reserve is carried out as a function of one or more of the following parameters: operating parameters of the fuel cell assembly as the product stream, periodicity of the purges of the anode zone, pressure the buffer tank, hydrogen concentration in the buffer pool and / or the exhaust line, moisture content in the exhaust lines, flow rate and hydrogen concentration in the stack outlet line , exhaust line flow, oxygen concentration in the cathode exhaust line, parameters of the depressive effect generated by the flow rates of the exhaust lines and the shrinkage of the section of the exhaust line, concentration in oxygen upstream of the anode and cathode flow junction and / or hydrogen concentration downstream of the junction of the anode and cathode flows, nitrogen concentration in the line of get anode.

Avantageusement, la ligne d'échappement du flux de sortie anode après le réservoir tampon comprend un clapet anti-retour, ce clapet empêchant, d'une part, la remontée de flux dans la réserve tampon en provenance de l'interface de mélange et en particulier de l'oxygène présent dans la ligne d'échappement de flux de sortie cathode, et maintenant, d'autre part, la réserve tampon en dépression. La ligne d'échappement de flux de sortie anode présente en dérivation une boucle de recirculation conduisant une partie du flux de sortie d'anode dans la ligne d'alimentation d'anode de la pile à combustible. La ligne d'échappement résultante après jonction des flux anode et cathode est dirigée par exemple vers un brûleur catalytique, cette ligne d'échappement comprenant de préférence un ou des capteurs en aval de la jonction de même que sur une ou des lignes d'échappement en amont de la jonction, ces capteurs détectant des caractéristiques des divers flux, telles que concentration respective d'hydrogène, d'oxygène ou d'azote dans les flux, taux d'humidité des flux, débit des flux etc..., afin de pratiquer une régulation optimisée d'un brûleur catalytique, de préférence, par une logique de commande associée. De préférence, au moins la ligne d'échappement de sortie de flux anode de ce dispositif de sécurisation est logée dans un carter afin d'éviter toute fuite d'hydrogène vers l'extérieur, ce carter étant le cas échéant le carter de pile. L'invention concerne aussi l'utilisation d'un dispositif de sécurisation passive tel que précédemment décrit pour un ensemble pile à combustible pour groupe électrogène destiné à être embarqué, notamment sur un véhicule. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures 5 annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation selon l'état de la technique, 10 - la figure 2 montre deux graphiques illustrant par deux courbes respectives l'évolution de la pression dans la pile à combustible et dans la réserve tampon respectivement sans et avec dépressurisation, - la figure 3 est une représentation schématique 15 d'un ensemble pile à combustible avec son réseau d'alimentation et son réseau d'évacuation conformément à un mode de réalisation selon la présente invention, - la figure 4 est une représentation schématique d'un ensemble pile à combustible avec son réseau 20 d'alimentation et son réseau d'évacuation présentant une boucle de recirculation conformément à un autre mode de réalisation, - la figure 5 est un graphique donnant les émissions d'hydrogène en situation de purges non régulées 25 et avec régulation en fonction du temps, et - la figure 6 est une représentation schématique du circuit de régulation selon un mode de réalisation de la présente invention avec une boucle de recirculation et une pompe d'évacuation pilotée. 30 La figure 1 a déjà été détaillée dans la partie introductive de la présente description. La figure 2 montre deux graphiques illustrant l'évolution de la pression dans la pile à combustible et dans une réserve se trouvant sur la ligne d'échappement 35 du flux de sortie anode respectivement sans et avec dépressurisation, le graphique avec dépressurisation montrant l'effet obtenu par un procédé et un dispositif selon l'invention. Le premier graphique illustre l'état de la technique et présente deux courbes montrant respectivement la variation de pression au cours du temps dans le compartiment anodique (courbe la plus élevée en pression) et dans une réserve se trouvant sur la ligne d'échappement du flux de sortie anode où les flux de purges sont dirigés (courbe la moins élevée en pression). Advantageously, the exhaust line of the anode outlet stream after the buffer tank comprises a non-return valve, this valve preventing, on the one hand, the rise of flow in the buffer pool from the mixing interface and particular oxygen present in the cathode outlet flow exhaust line, and now, on the other hand, the buffer reserve in depression. The anode outlet flow exhaust line has a recirculation loop in passing leading a portion of the anode outlet stream to the anode feed line of the fuel cell. The resulting exhaust line after joining of the anode and cathode flows is directed for example towards a catalytic burner, this exhaust line preferably comprising one or more sensors downstream of the junction as well as on one or more exhaust lines. upstream of the junction, these sensors detecting characteristics of the various flows, such as respective concentration of hydrogen, oxygen or nitrogen in the streams, moisture content of the streams, flow rate, etc., in order to to perform optimized control of a catalytic burner, preferably by associated control logic. Preferably, at least the anode flow outlet exhaust line of this securing device is housed in a housing to prevent any leakage of hydrogen to the outside, this housing being optionally the battery housing. The invention also relates to the use of a passive safety device as described above for a fuel cell set for a generator set to be embedded, in particular on a vehicle. The invention will now be described in more detail but in a nonlimiting manner with reference to the appended FIGS., In which: FIG. 1 is a diagrammatic representation of a fuel cell system with its supply network and its network of FIG. according to the state of the art, FIG. 2 shows two graphs illustrating, by two respective curves, the evolution of the pressure in the fuel cell and in the buffer reservoir respectively without and with depressurization, FIG. a schematic representation of a fuel cell assembly with its feed network and exhaust system according to an embodiment according to the present invention; - Figure 4 is a schematic representation of a fuel cell assembly with its supply network and its evacuation network having a recirculation loop according to another embodiment, - FIG. a graph showing hydrogen emissions in unregulated and time-controlled purge situations, and FIG. 6 is a schematic representation of the control circuit according to one embodiment of the present invention with a control loop. recirculation and a piloted evacuation pump. Figure 1 has already been detailed in the introductory part of this description. FIG. 2 shows two graphs illustrating the evolution of the pressure in the fuel cell and in a reserve located on the exhaust line 35 of the anode outlet stream respectively without and with depressurization, the graph with depressurization showing the effect obtained by a method and a device according to the invention. The first graph illustrates the state of the art and presents two curves respectively showing the pressure variation over time in the anode compartment (highest curve in pressure) and in a reserve located on the flow exhaust line. anode outlet where purge flows are directed (lowest pressure curve).

Ces courbes ont été obtenues dans le cas où il n'y a pas de dépressurisation du réservoir. Le compartiment anodique est généralement pressurisé à 0,5 bar relatif au dessus de la pression atmosphérique et sa pression est maintenue sensiblement constante quand il n'y a pas de purge, comme le montre la courbe du haut du premier graphique avant la purge. Dans le même temps, la pression dans le réservoir peut avoir baissé du fait de sa vidange et il subsiste dans celle-ci une dépressurisation, comme le montre la courbe du bas du premier graphique avant la purge. Il est connu que dans le compartiment anodique de la pile à combustible en fonctionnement s'accumule de l'eau représentant un facteur d'obstruction des zones actives de la membrane de la pile à combustible et donc un facteur de diminution de la performance de la pile. Cela s'applique aussi pour l'accumulation d'azote dans ce compartiment anodique. Il convient donc de procéder à des purges avec une fréquence dépendante des paramètres de fonctionnement de la pile à combustible et du niveau d'accumulation de l'eau et des gaz dans le compartiment anodique. Au début de la purge du compartiment anodique, la pression chute brusquement dans ce compartiment et augmente dans la réserve. Comme déjà précédemment indiqué il s'établit une contre pression entre la réserve et le compartiment anodique qui ralentit le débit de purge. La pression dans le compartiment anodique ne chute pas de façon optimale et le temps Tpsd de purge est augmenté, comme le montre la courbe du haut du premier graphique. Ceci a le désavantage notoire de maintenir la pile à combustible dans des conditions de purge qui sont défavorables à son bon fonctionnement. Ainsi pour le bon fonctionnement de la pile, il devra être procédé à des purges efficientes du compartiment anodique et le temps de purge devra être réduit au maximum. These curves were obtained in the case where there is no depressurization of the reservoir. The anode compartment is generally pressurized to 0.5 bar above atmospheric pressure and its pressure is maintained substantially constant when there is no purge, as shown in the top curve of the first graph before purging. At the same time, the pressure in the tank may have dropped due to its emptying and there remains in it a depressurization, as shown in the bottom curve of the first graph before purging. It is known that in the anode compartment of the operating fuel cell accumulates water representing an obstruction factor of the active zones of the fuel cell membrane and therefore a factor for decreasing the performance of the fuel cell. battery. This also applies to the accumulation of nitrogen in this anode compartment. It is therefore necessary to purge with a frequency dependent on the operating parameters of the fuel cell and the level of accumulation of water and gases in the anode compartment. At the beginning of the purging of the anode compartment, the pressure drops sharply in this compartment and increases in the reserve. As already indicated, there is a back pressure between the reserve and the anode compartment which slows down the purge flow. The pressure in the anode compartment does not drop optimally and the purge time Tpsd is increased, as shown in the top curve of the first graph. This has the notorious disadvantage of maintaining the fuel cell in purge conditions which are unfavorable to its proper operation. Thus for the proper functioning of the battery, it will be necessary to perform efficient purges of the anode compartment and the purge time should be reduced to the maximum.

Ceci est réalisé avec le dispositif de sécurisation de la présente invention qui présente donc en outre l'avantage de résoudre le problème de la perturbation du fonctionnement de la pile à combustible, comme il va être montré ci-après. This is achieved with the securing device of the present invention which thus further has the advantage of solving the problem of the disturbance of the fuel cell operation, as will be shown hereinafter.

La figure 3 montre trois lignes d'échappement de l'ensemble pile à combustible H, sans boucle de recirculation amenant une partie du flux de sortie d'anode vers la ligne d'alimentation anode de la pile à combustible. Cette disposition conformément à la figure 3 est appelée Dead end ou à échappement sans recyclation. Une première ligne d'échappement E évacue le flux de sortie cathode Ha par exemple vers un brûleur catalytique 8 disposé à la fin de cette ligne E. A cette ligne sera jointe d'autres lignes d'échappement comme on le verra par la suite. Cette première ligne E peut comprendre optionnellement un moyen de condensation 5 de l'eau dans le flux évacué suivi d'un moyen de récupération 1 de cette eau. Figure 3 shows three exhaust lines of the fuel cell assembly H, without a recirculation loop bringing a portion of the anode outlet flow to the anode supply line of the fuel cell. This arrangement according to Figure 3 is called Dead end or exhaust without recycling. A first exhaust line E discharges the cathode output stream Ha for example to a catalytic burner 8 disposed at the end of this line E. To this line will be joined other exhaust lines as will be seen later. This first line E may optionally include a means 5 for condensing the water in the evacuated stream followed by means 1 for recovering this water.

Une seconde ligne d'échappement K évacue le flux de sortie carter J de pile consistant essentiellement en des fuites produites dans l'ensemble pile à combustible H et issu du système d'extraction des fuites consistant en un carter J avec une ventilation d'évacuation. Cette seconde ligne K débouche dans la première ligne E et les deux flux sont mélangés dans une interface de mélange 7 par effet venturi déprimogène où la première ligne E présente une partie de section rétrécie, disposée juste après l'introduction du flux de la seconde ligne K dans la première, ce qui permet de créer une zone centrale de dépression due à la vitesse circonférentielle et d'obtenir un mélange des deux flux plus rapide et plus homogène. L'interface de mélange 7 aide aussi à la ventilation du carter pile en créant une dépression sur la ligne d'échappement K du flux de sortie du carter J de pile en aval de la ventilation du carter J de pile. A second exhaust line K evacuates the casing outlet flow J consisting essentially of leaks produced in the fuel cell assembly H and from the leak extraction system consisting of a casing J with an exhaust ventilation . This second line K opens into the first line E and the two streams are mixed in a mixing interface 7 by ventimpression effect where the first line E has a narrowed section portion disposed just after the introduction of the flow of the second line K in the first, which allows to create a central zone of depression due to the circumferential speed and to obtain a mixture of the two flows faster and more homogeneous. The mixing interface 7 also aids in the ventilation of the battery case by creating a vacuum on the exhaust line K of the outlet flow of the battery case J downstream of the ventilation of the battery case J.

Le flux résultant du mélange des flux de sortie cathode et de sortie carter pile est appelé flux moteur. Du fait de l'incorporation du flux de sortie carter dans la première ligne E d'échappement, le mélange résultant présente un appoint d'air de dilution pour la première ligne E d'échappement ce qui sera utile quand le flux de cette première ligne E d'échappement sera mélangé avec le flux de sortie anode comme on le verra ci-après. La troisième ligne F d'échappement concerne le flux de sortie de l'anode Hb. Comme déjà mentionné, ce flux contient de l'hydrogène émis de façon brutale avec une fréquence et une durée souvent variables selon les conditions de fonctionnement de la pile à combustible H, en plus de l'accumulation d'eau et d'azote. La troisième ligne F d'échappement dirige le flux de sortie de l'anode Hb vers une électrovanne 4, servant d'électrovanne de purge du compartiment anodique de la pile à combustible H, puis, optionnellement par un moyen de condensation de l'eau avec un moyen de récupération 11 de l'eau, par exemple un séparateur de phase. Ensuite cette ligne F d'échappement débouche sur une réserve tampon 3 qui est une caractéristique essentielle de la présente invention. Le flux est alors pressurisé dans cette réserve tampon 3 et peut s'évacuer régulièrement de cette réserve tampon 3 entre deux purges d'anode par un moyen de régulation 10. The flow resulting from the mixing of the cathode output and stack output flows is called the motor flow. Due to the incorporation of the casing outlet stream in the first exhaust line E, the resulting mixture has a dilution air booster for the first exhaust line E which will be useful when the flow of this first line E exhaust will be mixed with the anode output stream as will be seen below. The third exhaust line F relates to the outlet flow of the anode Hb. As already mentioned, this stream contains hydrogen emitted abruptly with a frequency and duration often variable depending on the operating conditions of the fuel cell H, in addition to the accumulation of water and nitrogen. The third exhaust line F directs the output flow of the anode Hb to a solenoid valve 4, serving as purge solenoid valve of the anode compartment of the fuel cell H, then, optionally, by a means of condensing the water with a water recovery means 11, for example a phase separator. Then this exhaust line F leads to a buffer pool 3 which is an essential feature of the present invention. The flow is then pressurized in this buffer reserve 3 and can be evacuated regularly from this buffer reserve 3 between two anode purges by a regulation means 10.

Le flux de sortie anode ainsi régulé est acheminé vers une deuxième interface de mélange 9 à effet venturi semblable à celle décrite précédemment et permettant l'aspiration par dépression du flux par une jonction flux anode/flux moteur déprimogène comme précédemment cité. Cette interface de mélange 9, comme l'interface de mélange 7 empêche par effet venturi les remontées dans l'une ou l'autre des deux lignes E, F d'échappement et aide à la vidange de la réserve tampon 3 en créant une dépression sur la ligne F d'échappement de sortie anode an aval du moyen de régulation 10 de la réserve tampon 3. Il est à noter que dans une disposition conformément à la figure 3 à échappement sans recyclage, la réserve tampon 3 peut servir de séparateur de phase en complément ou au lieu du séparateur de phase 11. Dans ce cas, cette réserve tampon 3 présente avantageusement un drain avec une électrovanne 13 comme montré à la figure 6 à laquelle on se reportera pour la description de ce drain. Un clapet anti-retour 2 est intercalé entre la réserve tampon 3 et l'interface de mélange 9. Il est à noter que si ce clapet anti-retour 2 est de préférence disposé après le moyen de régulation 10, il peut aussi être placé entre la réserve tampon 3 et ce moyen de régulation 10 quand ce dernier le permet. Le but de ce clapet anti-retour 2 est d'éviter une remontée de gaz de l'interface de mélange 9 et notamment d'oxygène de la ligne E d'échappement du flux de sortie cathode vers la réserve tampon 3, ce qui pourrait provoquer la création d'un mélange explosif oxygène-hydrogène. Ce clapet antiretour 2 renforce donc le rôle anti-remontée de l'interface de mélange 9 à effet venturi disposée en aval. Ce clapet anti-retour 2 a aussi pour rôle de maintenir la dépression dans la réserve tampon en complément du moyen de régulation. D'une part, le but de la présente invention est de réguler la partie du flux de sortie anode se trouvant dans la réserve tampon 3 et destinée à être mélangée au flux de sortie cathode, préférentiellement mélangé en amont avec le flux de sortie du carter J de pile afin que la concentration d'hydrogène dans le mélange soit limitée à une concentration inférieure à une fraction, par exemple 50%, de la limite inférieure d'explosivité (LIE). Cette limite est de 4% dans l'air sec et donc dans ce cas pour une limitation à 50% c'est-à-dire à la moitié de la LIE, la concentration d'hydrogène ne devra pas dépasser 2%. Cependant cette limite peut varier selon l'humidité contenue dans les flux et il faudra donc tenir compte de cette variation pour l'adéquation du moyen de régulation avec la concentration d'hydrogène à obtenir dans le mélange. D'autre part, le but de la présente invention est de maintenir la réserve tampon sous dépression afin d'augmenter l'efficacité des purges dans le compartiment anodique. The anode output stream thus regulated is fed to a second mixing interface 9 with a venturi effect similar to that described above and allowing vacuum suction of the flow through an anode flow / depressive flow motor junction as previously mentioned. This mixing interface 9, as the mixing interface 7 venturi prevents the rise in one or the other of the two lines E, F exhaust and helps the emptying of the buffer reserve 3 by creating a vacuum on the anode outlet exhaust line F downstream of the regulating means 10 of the buffer reservoir 3. It should be noted that in an arrangement according to FIG. 3 with no recycling exhaust, the buffer reservoir 3 can serve as a separator of phase in addition to or instead of the phase separator 11. In this case, this buffer reserve 3 advantageously has a drain with a solenoid valve 13 as shown in Figure 6 to which reference will be made for the description of this drain. A check valve 2 is interposed between the buffer reservoir 3 and the mixing interface 9. It should be noted that if this non-return valve 2 is preferably disposed after the regulating means 10, it can also be placed between the buffer reserve 3 and this regulating means 10 when the latter allows it. The purpose of this non-return valve 2 is to avoid a rise of gas from the mixing interface 9 and in particular oxygen of the exhaust line E of the cathode output stream to the buffer pool 3, which could cause the creation of an oxygen-hydrogen explosive mixture. This non-return valve 2 thus reinforces the anti-raising function of the mixing interface 9 with venturi effect arranged downstream. This check valve 2 also has the role of maintaining the vacuum in the buffer pool in addition to the control means. On the one hand, the object of the present invention is to regulate the portion of the anode output stream located in the buffer pool 3 and intended to be mixed with the cathode output stream, preferably mixed upstream with the crankcase outlet flow. J stack so that the concentration of hydrogen in the mixture is limited to a concentration less than a fraction, for example 50%, of the lower explosive limit (LEL). This limit is 4% in dry air and therefore in this case for a limitation to 50% that is to say half of the LEL, the hydrogen concentration should not exceed 2%. However, this limit may vary according to the humidity contained in the flows and this variation will therefore have to be taken into account for the adequacy of the regulating means with the concentration of hydrogen to be obtained in the mixture. On the other hand, the object of the present invention is to maintain the buffer reserve under vacuum in order to increase the efficiency of the purges in the anode compartment.

Les divers paramètres à prendre en ligne de compte pour effectuer une telle régulation de la concentration en hydrogène sont nombreux. On pourra citer sans être limitatif les paramètres suivants : paramètres de fonctionnement de l'ensemble pile à combustible H comme courant produit, température, débits d'alimentation de cette pile, périodicité des purges de la zone anode, pression dans la réserve tampon 3, concentration d'azote dans le flux de sortie anode, concentration d'hydrogène dans la réserve tampon 3 et/ou la ligne F d'échappement, taux d'humidité dans les lignes d'échappement E, F, K débit et concentration d'hydrogène dans les lignes E, F, K d'échappement, concentration d'oxygène dans la ligne E d'échappement cathode, débit d'extraction du carter J de pile, paramètres de l'effet déprimogène généré par les débits des lignes E, F, K d'échappement et le retrécissement de la section de la ligne d'échappement réceptrice, concentration en oxygène en amont de la jonction des flux anode et cathode et/ou concentration d'hydrogène en aval de la jonction des flux anode et cathode. Pour atteindre le but de la présente invention comme défini plus haut, il est possible d'utiliser un moyen de régulation piloté par une logique de commande prenant en compte les nombreux paramètres pouvant agir sur la concentration en hydrogène. En particulier, les paramètres de fonctionnement de la pile à combustible peuvent être importants pour déterminer les concentrations en hydrogène et en oxygène dans les flux respectifs ce qui joint aux paramètres de débit dans les divers lignes E, F, K d'échappement et aux paramètres de l'effet déprimogène de l'interface de mélange 9 permettent de déterminer la concentration maximale d'hydrogène dans le flux de sortie anode régulé. La concentration d'azote dans la partie du flux de sortie anode amené au réservoir tampon 3 est aussi un paramètre important. Cette concentration en recirculation peut atteindre 30 à 70% et doit être prise en considération. En effet, plus cette concentration est élevée dans la partie du flux anode amenée au réservoir tampon 3, plus rapide peut être l'évacuation de ce réservoir tampon 3 par le moyen de régulation 10 adéquat car la concentration en hydrogène injecté dans la ligne F d'échappement après le moyen de régulation 10 est plus faible à même débit volumique. Le taux d'humidité dans la ligne F d'échappement du flux de sortie anode est aussi à considérer car il présente un impact direct sur la limite inférieure d'explosivité et en conséquence le taux d'injection acceptable d'hydrogène est à adapter en fonction de la valeur obtenue en temps réel pour assurer un mélange ne présentant aucun risque d'explosion. Vu le nombre important de paramètres à prendre en compte en temps réel, une telle commande du moyen de régulation 10 ne peut se faire qu'avec une logique de commande, non montrée aux figures. La présence de nombreux capteurs est nécessaire sur les diverses lignes E, F, K d'échappement du flux de sortie des électrodes et de sortie du carter de pile. On pourra citer par exemple les capteurs 6 en amont et en aval de l'interface de mélange 9 mesurant respectivement la concentration en oxygène en amont de la jonction des lignes E et F d'échappement et la concentration en hydrogène en aval de cette jonction pour assurer une régulation optimisée de l'injection en hydrogène. The various parameters to be taken into account for effecting such a regulation of the hydrogen concentration are numerous. The following parameters may be mentioned without being limiting: operating parameters of the fuel cell assembly H as product stream, temperature, feed rates of this stack, periodicity of purges of the anode zone, pressure in the buffer pool 3, nitrogen concentration in the anode outlet stream, hydrogen concentration in the buffer pool 3 and / or the exhaust line F, moisture content in the exhaust lines E, F, K flow rate and concentration of hydrogen in the exhaust lines E, F, K, oxygen concentration in the cathode exhaust line E, stack extraction flow rate J, parameters of the depressive effect generated by the flow rates of the E lines, F, K exhaust and shrinkage of the section of the receiving exhaust line, oxygen concentration upstream of the anode and cathode flow junction and / or hydrogen concentration downstream of the anode and cathode flow junction . To achieve the purpose of the present invention as defined above, it is possible to use a control means controlled by a control logic taking into account the many parameters that can act on the hydrogen concentration. In particular, the operating parameters of the fuel cell can be important for determining the concentrations of hydrogen and oxygen in the respective flows which joins the flow parameters in the various lines E, F, K exhaust and the parameters the depressive effect of the mixing interface 9 makes it possible to determine the maximum concentration of hydrogen in the controlled anode output stream. The nitrogen concentration in the portion of the anode output stream fed to the buffer tank 3 is also an important parameter. This recirculation concentration can reach 30 to 70% and must be taken into consideration. Indeed, the higher this concentration is in the part of the anode flow fed to the buffer tank 3, the faster can be the evacuation of the buffer tank 3 by the appropriate control means 10 because the hydrogen concentration injected into the line F d exhaust after the regulating means 10 is lower at the same volume flow rate. The moisture content in the exhaust line F of the anode outlet flow is also to be considered because it has a direct impact on the lower explosive limit and consequently the acceptable hydrogen injection rate is to be adapted to a function of the value obtained in real time to ensure a mixture presenting no risk of explosion. Given the large number of parameters to be taken into account in real time, such control of the control means 10 can only be done with a control logic, not shown in the figures. The presence of many sensors is necessary on the various lines E, F, K exhaust of the output stream of the electrodes and output of the battery case. For example, the sensors 6 upstream and downstream of the mixing interface 9 respectively measuring the oxygen concentration upstream of the junction of the exhaust lines E and F and the concentration of hydrogen downstream of this junction may be mentioned. ensure optimized regulation of hydrogen injection.

Le moyen de régulation préféré de la présente invention et commandé par une logique de commande est par exemple une pompe volumétrique. Cette pompe volumétrique peut être à piston, à membrane ou péristatique. Le mélange après la jonction des deux lignes E et F d'échappement anode et cathode ou des deux lignes anode et moteur quand la ligne K d'échappement sortie carter a été préalablement jointe à la ligne E d'échappement cathode est conduit par exemple vers un brûleur catalytique 8 avec des concentrations en hydrogène et en oxygène assurant son fonctionnement optimal quelles que soient les conditions d'opération de la pile à combustible. En revenant à la figure 2 second graphique, on constatera mieux les avantages apportés par le moyen de régulation assurant une dépressurisation dans la réserve tampon 3. Contrairement, aux courbes du premier graphique, lors d'une purge aucune contre pression venant de la réserve tampon 3 ne s'oppose au débit de purge du compartiment anodique et la pression de celui-ci chute plus vite et plus fortement que pour lepremier graphique, comme le montre la courbe du haut du second graphique. On voit que le temps de purge Tpd est considérablement diminué avec les avantages que cela procure. La réserve tampon est toujours maintenue en dépressurisation en dessous de la pression atmosphérique comme il ressort de la courbe du bas du second graphique. Le moyen de régulation 10, par exemple une pompe, aspirera de la réserve tampon 3 un maximum de flux de cette réserve tampon jusqu'à la mettre en dépression par rapport à la pression atmosphérique ambiante. L'interface de mélange 9 effectuera aussi une aspiration contribuant à créer une dépression dans la réserve tampon 3, de même que le clapet anti-retour 2 maintiendra cette dépression dans la réserve après aspiration . Ainsi le moyen de régulation 10 permet une évacuation d'hydrogène maximale et simultanément il augmente la différence de pression de part et d'autre de l'électrovanne 4 de purge de la ligne F d'échappement du flux de sortie anode. A l'ouverture de l'électrovanne 4 de purge, lors d'une purge, les gaz compris dans le flux du compartiment anodique de la pile à combustible (généralement pressurisés à 0,5 bar relatif au dessus de la pression atmosphérique) sont donc évacués avec beaucoup plus d'énergie potentielle et de pression, donc à une plus forte vitesse. De plus, l'évacuation d'eau liquide du compartiment anodique de la pile est plus efficace. Le compartiment anodique subira moins vite la contre pression dûe au remplissage de la réserve tampon 3 non dépressurisée. En effet la purge dans une réserve tampon 3 pour la régulation du flux de gaz s'apparente à un transvasement d'une certaine quantité de gaz pressurisé contenu dans le compartiment anodique vers une réserve tampon 3 à plus basse pression. L'écoulement naturel est donc assuré par la différence de pression entre ces deux éléments, et il est d'autant plus rapide que la différence de pression est grande. L'établissement progressif de l'équilibre de pression diminue la vitesse d'écoulement. Ainsi, plus le niveau de pression de départ dans la réserve tampon 3 est bas (idéalement vide complet mais en réalisé vide relatif de 0,3 bar à 0,5 bar), plus la purge est rapide. La purge pourra donc être racourcie ce qui diminue le temps de baisse de puissance de la pile pendant la purge. La figure 4 montre une représentation schématique d'un ensemble pile à combustible H avec son réseau d'alimentation A, B et son réseau E, F, K d'évacuation présentant une boucle de recirculation 12 selon un autre mode de réalisation de la présente invention. The preferred control means of the present invention and controlled by a control logic is for example a volumetric pump. This positive displacement pump can be piston, membrane or peristatic. The mixture after the junction of the two lines E and F exhaust anode and cathode or both lines anode and engine when the line K exhaust casing outlet was previously joined to the cathode exhaust line E is led for example to a catalytic burner 8 with concentrations of hydrogen and oxygen ensuring its optimal operation regardless of the operating conditions of the fuel cell. Returning to FIG. 2, a second graph, it will be better to see the advantages provided by the regulating means ensuring a depressurization in the buffer reserve 3. In contrast, with the curves of the first graph, during a purge no pressure against the buffer reserve 3 does not oppose the purge flow of the anode compartment and the pressure thereof falls faster and more strongly than for the first graph, as shown in the upper curve of the second graph. It can be seen that the purge time Tpd is considerably reduced with the advantages that this affords. The buffer pool is always maintained in depressurization below atmospheric pressure as shown by the bottom curve of the second graph. The regulating means 10, for example a pump, will draw from the buffer reservoir 3 a maximum flow of this buffer reserve until it is depressed with respect to the ambient atmospheric pressure. The mixing interface 9 will also perform suction contributing to create a vacuum in the buffer pool 3, as well as the check valve 2 maintain this vacuum in the reserve after aspiration. Thus the regulating means 10 allows a maximum hydrogen evacuation and simultaneously it increases the pressure difference on either side of the purge solenoid valve 4 of the exhaust line F of the anode outlet flow. At the opening of the purge solenoid valve 4, during a purge, the gases included in the flow of the anode compartment of the fuel cell (generally pressurized to 0.5 bar relative to the above atmospheric pressure) are therefore evacuated with much more potential energy and pressure, so at a higher speed. In addition, the evacuation of liquid water from the anode compartment of the cell is more efficient. The anode compartment will suffer less quickly against pressure due to the filling of the undepressurized buffer pool 3. Indeed the purge in a buffer reserve 3 for the regulation of the gas flow is similar to a transfer of a certain amount of pressurized gas contained in the anode compartment to a buffer reserve 3 at lower pressure. The natural flow is therefore ensured by the pressure difference between these two elements, and it is even faster than the pressure difference is large. Gradual establishment of the pressure equilibrium decreases the flow velocity. Thus, the lower the starting pressure level in the buffer pool 3 (ideally complete vacuum but realized relative vacuum of 0.3 bar to 0.5 bar), the purge is faster. The purge can be shortened which decreases the time of power drop of the battery during purging. FIG. 4 shows a schematic representation of a fuel cell assembly H with its supply network A, B and its evacuation network E, F, K having a recirculation loop 12 according to another embodiment of the present invention. invention.

La ligne F d'échappement du flux de sortie anode présente un séparateur de phase 11 avant la séparation de la boucle de circulation 12 d'avec la ligne F d'échappement de sortie anode allant vers la réserve tampon 3 via une électrovanne 4, dite électrovanne de purge. A part cette boucle de recirculation 12 et la perte de flux de sortie anode qu'elle entraîne notamment en ce qui concerne la concentration en hydrogène et dont il faudra tenir compte le cas échéant pour le pilotage du moyen de régulation 10 par une logique de commande, le réseau d'évacuation du mode de réalisation montré à cette figure est sensiblement le même que le réseau d'évacuation du mode de réalisation de la figure 3 et ce qui a été dit pour la figure 3 s'applique à la présente figure. La figure 5 montre clairement que, sans régulation dans la ligne F d'échappement de sortie anode, la libération d'hydrogène est très inégale du fait des dégagements périodiques de purge limités dans le temps qui provoquent des pics d'hydrogène. Entre ces pics EH2P, subsiste une faible concentration d'hydrogène EH2F qui représente de faibles émissions dues aux fuites de la pile à combustible H. Sans traitement de régulation dans cette ligne F d'échappement, de tels pics EH2P de concentration d'hydrogène dépasseraient la LIE et présenteraient un danger après la jonction des lignes E et F d'échappement anode et cathode. On voit que grâce à la régulation conformément à la présente invention, ces pics EH2P de concentration en hydrogène sont éliminés et que la concentration d'hydrogène EH2L est sensiblement constante dans le temps après régulation, ce qui permet de réaliser un mélange en proportions non explosives avec le flux cathode. Certaines précautions d'utilisation du moyen de régulation 10 doivent être prises lors des purges se produisant dans la partie anode de la pile à combustible H. Par exemple, si ce moyen de régulation est une pompe 10, celle-ci devra être ralentie par la logique de commande lors d'une purge de la pile à combustible de manière à ne pas avoir son débit perturbé de façon incontrôlée par la rapide repressurisation de la réserve tampon 3. La figure 6 montre une ligne F d'échappement de flux de sortie anode comprenant les éléments essentiels du dispositif de sécurisation conformément à la présente invention sous la forme d'une réserve tampon 3 et d'un moyen de régulation de l'évacuation de cette réserve tampon 3 sous la forme d'une pompe 10. Cette ligne d'échappement F rejoint après la réserve tampon 3 et la pompe 10 la ligne E d'échappement du flux de sortie cathode par l'intermédiaire de l'interface de mélange 9. The exhaust line F of the anode output stream has a phase separator 11 before the separation of the circulation loop 12 from the anode outlet exhaust line F going to the buffer reservoir 3 via a solenoid valve 4, so-called purge solenoid valve. Apart from this recirculation loop 12 and the loss of anode outlet flow that it entails in particular with regard to the hydrogen concentration and which must be taken into account if necessary for controlling the control means 10 by a control logic , the evacuation network of the embodiment shown in this figure is substantially the same as the evacuation network of the embodiment of Figure 3 and what has been said for Figure 3 applies to this figure. FIG. 5 clearly shows that, without regulation in the anode outlet exhaust line F, the release of hydrogen is very unequal because of the periodic purge releases limited in time which cause peaks of hydrogen. Between these peaks EH2P, there remains a low concentration of hydrogen EH2F which represents low emissions due to fuel cell leaks H. Without control treatment in this exhaust line F, such peaks EH2P of hydrogen concentration would exceed LEL and would present a hazard after joining the anode and cathode exhaust lines E and F. It can be seen that, thanks to the regulation according to the present invention, these EH2P peaks of hydrogen concentration are eliminated and that the hydrogen concentration EH2L is substantially constant over time after regulation, which makes it possible to produce a mixture in non-explosive proportions. with the cathode flow. Certain precautions for using the regulating means 10 must be taken during purges occurring in the anode portion of the fuel cell H. For example, if this regulating means is a pump 10, it will have to be slowed by the control logic during a purge of the fuel cell so as not to have its flow disturbed uncontrollably by the rapid repressurization of the buffer reserve 3. Figure 6 shows an anode outlet flow line F exhaust comprising the essential elements of the securing device according to the present invention in the form of a buffer reserve 3 and a means for regulating the evacuation of this buffer reserve 3 in the form of a pump 10. This line of Exhaust F joined after the buffer reserve 3 and the pump 10 the exhaust line E of the cathode output stream via the mixing interface 9.

Entre la pompe 10 et l'interface de mélange 9, se trouve un clapet anti-retour 2 déjà décrit. Comme pour la figure 4, le mode de réalisation décrit à la figure 6 présente une boucle de recirculation 12 qui dirige une partie du flux de sortie anode vers la ligne d'alimentation d'anode en l'intercalant après la source d'hydrogène B montrée à la figure 1. Cette boucle de recirculation 12 est disposée avant le réservoir tampon 3 en parallèle avec sa ligne F d'échappement correspondante et après un séparateur de phase 11 qui permet l'élimination d'une certaine partie de l'eau présente dans la ligne F d'échappement. Entre le séparateur de phase 11 et la réserve tampon 3 se trouve une électrovanne 4, comme déjà décrit à la figure 3. Malgré l'utilisation d'un séparateur de phase 11 en amont de la réserve tampon 3, de l'eau peut tout de même s'accumuler dans la réserve tampon 3 par condensation. Cette accumulation d'eau dans la réserve tampon 3 pourra alors être évacuée à l'aide d'un drain à ouverture pilotée par la logique de commande ou par une détection de niveau d'eau dans la réserve tampon 3, ce drain étant muni d'une électrovanne de vidange 13. Between the pump 10 and the mixing interface 9 is a non-return valve 2 already described. As in FIG. 4, the embodiment described in FIG. 6 has a recirculation loop 12 which directs a portion of the anode outlet flow towards the anode supply line by intercalating it after the hydrogen source B. shown in Figure 1. This recirculation loop 12 is disposed before the buffer tank 3 in parallel with its corresponding exhaust line F and after a phase separator 11 which allows the removal of some of the water present in the exhaust line F. Between the phase separator 11 and the buffer reservoir 3 is a solenoid valve 4, as already described in FIG. 3. Despite the use of a phase separator 11 upstream of the buffer reservoir 3, water can all similarly accumulate in the buffer pool 3 by condensation. This accumulation of water in the buffer pool 3 can then be evacuated using an opening drain controlled by the control logic or by a water level detection in the buffer pool 3, this drain being provided with a drain solenoid valve 13.

De tels dispositifs de sécurisation passive permettent une régulation de la concentration d'hydrogène dans le mélange amené par exemple au brûleur catalytique et assure ainsi la sécurisation des évacuations des fuites naturelles d'hydrogène et des rejets liés aux purges anodiques de la pile à combustible en régime normal de fonctionnement de la pile à combustible. Ces dispositifs de sécurisation conviennent particulièrement bien pour les piles à combustible embarquées sur véhicule. De plus ces dispositifs de sécurisation avec une réserve tampon dépressurisée permettent d'optimiser le fonctionnement de la pile à combustible en améliorant la qualité des purges et en diminuant leur durée. Une sécurisation active assurant la sécurité de l'ensemble pile à combustible en cas d'arrêt du véhicule ou panne de la sécurisation passive peut aussi être associée à la sécurisation passive pour diverses situations comme arrêt, accident ou maintenance. L'invention n'est nullement limitée aux modes de 20 réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. Such passive safety devices allow a regulation of the concentration of hydrogen in the mixture brought for example to the catalytic burner and thus ensures the securing of the evacuations of natural hydrogen leaks and discharges related to the anode purges of the fuel cell. normal operation of the fuel cell. These safety devices are particularly suitable for on-vehicle fuel cells. In addition, these safety devices with a depressurized buffer reserve make it possible to optimize the operation of the fuel cell by improving the quality of the purges and reducing their duration. Active safety ensuring the safety of the fuel cell assembly in the event of a vehicle stopping or failure of passive securing may also be associated with passive securing for various situations such as stop, accident or maintenance. The invention is in no way limited to the described and illustrated embodiments which have been given by way of example only.

Claims

A method for passive securing of a fuel cell assembly (H), said assembly having a cathode output stream, anode output stream, and a battery case output stream (J) to be sent at least one for example to a catalytic burner to a means for removing hydrogen or maintain a safe concentration (8), the method comprising the steps of: - collecting at least a portion of the anode output stream in a buffer reservoir (3), - evacuation of the buffer reservoir (3) with a regulated anode output flow rate while creating a depressurization in this buffer reserve, - mixing of the controlled anode output flow with the cathode output stream, the where appropriate, the latter being premixed with the casing output stream, - the regulation of the evacuation flow of the buffer reserve (3) being carried out as a function of one or more parameters of the various flows of fate ie and / or operating conditions of the stack (H) and / or for example the catalytic burner (8) in order to always guarantee a hydrogen concentration lower than the Lower Explosive Limit (LEL) in the flux obtained after mixing , -conduite of at least a portion of the stream after mixing for example with a catalytic burner (8).

2. Method according to claim 1, characterized in that the mixtures of flows are by venturi effect using a depressor element.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized by a step of controlling the flow characteristics just before and after mixing the anode flow and the cathode flow, the mixture then being at least partly at least partly a catalytic burner (8). .

4. Device for passive safety of a fuel cell assembly (H) having an anode (Hb), a cathode (Ha) and a stack housing (J), an exhaust line (E) of the output stream of cathode, a line (F) for exhausting the anode outlet stream and a line (K) for exhausting the stack outlet flow (J), these flows being directed at least partially for example towards a burner catalytic converter (8), characterized in that the exhaust line (F) of the anode outlet flow comprises a buffer tank (3), a control means (10) being provided at the outlet of the buffer tank (3) on the one hand able to provide a regulated evacuation of this anode outlet flow out of the buffer tank (3) and secondly able to put the buffer reserve in slight depression by suction.

5. Device according to claim 4, characterized in that the regulating means is a positive displacement pump, piston, diaphragm or peristatic.

6. Device according to any one of claims 4 or 5, characterized in that a solenoid valve (4) is disposed in the line (F) exhaust of the anode outlet flow before the buffer (3), this solenoid valve (4) serving as purge solenoid valve of the anode compartment of the fuel cell (H) and supplying the buffer reservoir (3) anode output stream.

7. Device according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the exhaust line (F) of the regulated anode output flow joins the line (E) exhaust cathode output stream, the latter being , if necessary, increased stack output flow (J) and in that the anode output stream is mixed with at least the cathode output stream by a mixing interface (9).

8. Device according to claim 7, characterized in that the mixing interface (9) of the cathode output stream with the regulated anode output flow is a ventimpressor effect, that is to say that one of the two respective exhaust lines (E or F) has a portion, having an exhaust section narrowing, disposed just after the other exhaust line (F or E) opens into this line (E or F) of exhaust and that, if appropriate, mixing the cathode output stream with the casing output stream (J) stack was performed with a similar mixing interface (7).

9. Device according to any one of claims 4 to 8, characterized in that the regulation of the discharge rate of the buffer reserve (3) is performed according to one or more of the following parameters: operating parameters of the fuel cell assembly (H) as the product stream, the purge period of the anode zone, the buffer reservoir pressure (3), the hydrogen concentration in the buffer pool (3) and / or the line (F) d exhaust, moisture content in the exhaust lines (E, F, K), hydrogen concentration in the line (K) stack outlet exhaust (J), line flow (E, F , K) exhaust, oxygen concentration in the cathode exhaust line (F), parameters of the depressive effect generated by the flow rates of the exhaust lines (E and F; E and K) and the shrinkage of the section of the receiving exhaust line (E or F), the oxygen concentration upstream of the junction of the flow a node and cathode and / or hydrogen concentration downstream of the anode and cathode flow junction, nitrogen concentration in the anode exhaust line (F).

10. Device according to any one of claims 4 to 9, characterized in that the line (F) exhaust of the anode outlet flow after the buffer tank (3) comprises a non-return valve (2), the valve preventing , on the one hand, the rise of flux in the buffer pool (3) coming from the mixing interface (9) and in particular of the oxygen present in the cathode output stream exhaust line (E) , and now, on the other hand, the buffer reserve (3) in depression.

11. Device according to any one of claims 4 to 10 characterized in that the buffer reservoir (3) has an auxiliary output a solenoid valve (13) for periodic draining water thereof.

12. Device according to any one of claims 4 to 11, characterized in that the line (F) of anode output stream exhaust has a bypass recirculation loop (12) leading a portion of the output stream of anode to the anode supply of the fuel cell (H).

13. Device according to any one of claims 4 to 12, characterized in that the resulting exhaust line after joining the anode and cathode flows directs the mixture for example to a catalytic burner, to a means for removing hydrogen or maintaining it at a harmless concentration (8), this exhaust line preferably comprising one or more sensors (6) downstream of the junction as well as on one or more exhaust lines (E, F) upstream of the junction, these sensors (6) detecting characteristics of the various flows, such as respective concentrations of hydrogen, oxygen or nitrogen in the streams, moisture content of the streams, flow rate etc ..., in order to practice an optimized regulation for example of the catalytic burner (8), preferably by an associated control logic.

14. Device according to any one of claims 4 to 13, characterized in that at least the line (F) anode flow outlet exhaust of this device is housed in a housing to prevent any leakage of hydrogen to the outside, this casing being possibly the casing (J) stack.

15. Use of a passive safety device according to any one of claims 4 to 14 for a fuel cell set (H) for a generator set to be embedded, in particular on a vehicle.