Système de recirculation d'hydrogène à pile à combustible

Le système d’approvisionnement en hydrogène a un impact significatif sur la sécurité et la durée de vie opérationnelle des véhicules.

Le système de recirculation d'hydrogène est un composant essentiel du pile à combustible Système d'alimentation en hydrogène du moteur. Sa fonction principale est de recirculer le gaz à forte humidité de la sortie de l'anode vers l'entrée de la cheminée. Ce procédé permet non seulement de réutiliser l'hydrogène non réagi, mais aussi d'humidifier le flux d'hydrogène entrant, éliminant ainsi le recours à un système d'humidification externe et simplifiant ainsi l'architecture du système de pile à combustible. Actuellement, les pompes de recirculation d'hydrogène les plus courantes sont de type Roots, à griffes, à spirales et à palettes, les pompes à palettes étant relativement rares sur le marché national.

Un système d'alimentation en hydrogène haute performance doit présenter une capacité de stockage importante, une stabilité opérationnelle et des normes de sécurité élevées pour garantir une autonomie prolongée et la durabilité des véhicules à pile à combustible. Le système d'alimentation en hydrogène embarqué comprend des composants de régulation de pression et de débit, des capteurs de fuite d'hydrogène, des conduites d'alimentation, des systèmes de contrôle et des systèmes de recirculation de l'hydrogène (généralement à l'exclusion du réservoir de stockage). Le flux de travail opérationnel se déroule en trois phases : ravitaillement, stockage et livraison.

1. Ravitaillement : les stations de ravitaillement en hydrogène fournissent de l'hydrogène aux réservoirs de stockage embarqués via des clapets anti-retour.

2. Stockage : Les réservoirs maintiennent l'hydrogène de haute pureté (99,999 %) à des pressions de 35 MPa ou 70 MPa.

3. Distribution : Lors du fonctionnement de la pile à combustible, l'hydrogène traverse des vannes de réduction/régulation de pression pour atteindre la pression de service avant d'être introduit dans la pile via des vannes à commande électronique, des capteurs de pression, des débitmètres et des humidificateurs. L'hydrogène excédentaire est recyclé ou traité avant d'être rejeté dans l'atmosphère.

Configuration système requise :

1. Un approvisionnement stable en hydrogène améliore la durabilité des piles à combustible :

La pression de sortie du réservoir de stockage (35/70 MPa) dépasse largement les exigences opérationnelles de la cheminée.

Une régulation de pression incorrecte peut entraîner des dommages irréversibles à la membrane échangeuse de protons, nécessitant un contrôle précis de la pression.

2. La sécurité intrinsèque est obligatoire : En tant que gaz hautement combustible, les systèmes à hydrogène nécessitent une surveillance complète des paramètres de pression, de température et de débit.

La mise en œuvre de composants de sécurité (par exemple, capteurs, soupapes de décharge) empêche les fuites, les surpressions, les surchauffes et les anomalies de débit.

Dispositif de recirculation d'hydrogène : optimisation de l'utilisation et de la gestion de l'eau

Le dispositif de recirculation de l'hydrogène améliore considérablement l'utilisation de l'hydrogène tout en résolvant les problèmes de gestion de l'eau de combustion, ce qui influence directement la longévité des moteurs à pile à combustible. La pratique courante consiste à extraire l'eau produite pendant le fonctionnement par séparation gaz-liquide, puis à réintroduire l'hydrogène récupéré dans le système. Ce procédé :

Fournit une humidification inhérente via la vapeur d'eau dans le gaz recirculé

Augmente la vitesse d'écoulement de l'anode pour éviter l'accumulation d'eau (« inondation »)

Améliore l'efficacité globale de l'utilisation de l'hydrogène

Configurations du système de recirculation :

Les implémentations actuelles utilisent principalement des pompes de recirculation d'hydrogène et des éjecteurs, individuellement ou en combinaison :

1.Pompe de recirculation d'hydrogène :

Utilise un contrôle de moteur à fréquence variable pour le réglage dynamique du débit

Avantages : Flexibilité de circulation d'hydrogène améliorée sur toutes les plages de puissance

Inconvénient : Consommation électrique supplémentaire

2. Éjecteur :

Fonctionnement passif sans besoin d'alimentation auxiliaire

Avantages : Construction simple, fiabilité opérationnelle, durée de vie prolongée

Limitation : Le taux de recirculation fixe limite la plage de fonctionnement efficace