Brevet FR2816760A1 — publié le 20020517

L'invention concerne le domaine des piles à combustible, et plus particulièrement, celles du type air ou oxygène et hydrogène et elle concerne, plus spécifiquement, le problème de la récupération de l'eau produite par le fonctionnement de la pile. Une pile à combustible du type ci-dessus, formée au moins par un élément. comprend un compartiment cathode comprenant une électrode et raccordé à un circuit d'alimentation en comburant, c'est-à-dire de l'air principalement, enrichi o non en oxygène. Un tel élément comprend un second compartiment dit anode contenant une électrode qui est séparée de la première par une membrane de perméation et de réaction par l'intermédiaire des catalyseurs que les deux électrodes possèdent. Un tel compartiment anode est raccordé à un circuit combustible qui est ce l'hydrogène. Lors du fonctionnement, une partie de l'eau formée à la cathode passe à travers la membrane et se retrouve dans le compartiment anode, plus particulièrement à la sortie du circuit hydrogène. Cette sortie est également connue pour être parcourue par de l'hydrogène résiduel, de l'azote et des impuretés. Le bilan hydrique d'une pile à combustible doit être assuré de telle sorte que la quantité d'eau évaporée par le passage des gaz dans la pile doit être inférieur à la quantité d'eau produite par la réaction. C'est la raison pour laquelle il est intéressan : de récupérer l'eau produite qui se retrouve à la sortie du compartiment anode. Cependant, le fonctionnement de la pile laisse subsister de l'hydrogène résiduel dans le compartiment anode, cet hydrogène incorporé à l'eau impliquant de prendre des précautions certaines pour assurer la récupération de cette dernière en toute sécurité Pour respecter ces exigences, la solution généralement retenue est de sépare- complètement les circuits air-oxygène et hydrogène et de rejeter l'eau produite à la sortie anode par une sortie spécifique distincte. L'eau est alors perdue tandis que les impuretés et l'azote sont éliminés par des purges régulières de la sortie du circuit hydrogène. Cette non-récupération n'est pas favorable à un bilan hydrique convenable e : c'est la raison pour laquelle d'autres solutions ont été proposées. L'une d'elles envisage d'injecter l'eau du compartiment anode en sortie du compartiment cathode en même temps qu'une partie du mélange hydrogène résiduel, azote et impuretés est injecté en entrée du circuit cathode. De cette façon, l'hydrogène est détruit au contact du catalyseur de la cathode grâce à la présence d'un excès d'oxygène dans le mélange gazeux comburant. Une telle possibilité de raccordement n'est toutefois pas offerte toujours en fonction de la technologie structurelle de la pile, surtout lorsque l'entrée air côté cathode et l'entrée eau sont séparées. Par ailleurs, la présence d'eau liquide en entrée air peut être la cause d'une perturbation de l'écoulement à l'intérieur de la pile. Dans ces conditions, il faut alors mettre en place une disposition complexe de plusieurs jeux de séparateurs de phases en cascade, ce qui complique l'installation de la pile. en grève le prix de revient et ne favorise pas le maintien en fonction dans des conditions optimales à coût intéressant. L'objet de l'invention a justement pour but de surmonter les inconvénients cidessus en proposant un nouveau procédé et un nouveau dispositif permettant d'assurer la récupération de l'eau produite par le fonctionnement d'une pile à combustible et, plus particulièrement, par celle issue du compartiment anode. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, le procédé selon l'invention est caractérise en ce qu'on : . dispose sur le circuit hydrogène du compartiment anode au moins un séparateur délimitant un compartiment d'admission séparé, par un fifre hydrophile. d'une branche de sortie raccordée au circuit hydrique normal de la pile, . assure en permanence le passage du fluide dudit circuit anode à travers le séparateur, . recycle le produit gazeux issu du séparateur en direction de l'entrée du circuit air-oxygène du compartiment, tandis que l'eau, issue du séparateur et exempte de gaz, est recyclée vers le circuit hydrique. L'objet de l'invention vise également, pour la mise en oeuvre du procédé cidessus, un dispositif de récupération de l'eau produite par une pile à combustible, du type comprenant au moins un élément composé d'un compartiment cathode pourvu d'une électrode et raccordé à un circuit d'alimentation en comburant et dun compartiment anode, pourvu d'une électrode séparée de la première par une membrane, et raccordé à un circuit d'alimentation en hydrogène, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un séparateur placé en relation avec le circuit hydrogène et définissant au moins une chambre d'admission séparée, par un filtre hydrophile, d'une chambre de sortie raccordée au circuit hydrique de la pile. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est un schéma représentant l'application du procédé et du dispositif à une pile à combustible. La fig. 2 est un schéma analogue à celui de la fig. 1 mais montrant une variante de réalisation structurelle du dispositif. La fig. 3 est un schéma d'une autre variante. Les fig. 4 et 5 sont des schémas montrant deux autres exemples de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. Le dispositif de récupération de l'eau de fonctionnement d'une pile à combustible est illustré dans l'exemple selon la fig. 1 avec une pile constituée par un seul élément 1 comprenant, de façon classique, un compartiment cathode 2 et un compartiment anode 3 qui sont séparés par une membrane 4. Les compartiments 2 et 3 contiennent deux électrodes 5 et 6, respectivement associées à un catalyseur et à fonction de cathode et d'anode. De manière classique, les électrodes 5 et 6 sont pourvues de deux bornes 7 et 8 entres lesquelles, par le fonctionnement de la pile à combustible, apparaît une différence de potentiel qui est prélevée par un circuit de charge ou de consommation 9 pouvant être isolé de l'une au moins des bornes par un commutateur 9a. De manière également conventionnelle, le compartiment 2 est associé à un circuit 11 d'alimentation en comburant, préférentiellement en air, enrichi ou non en oxygène Un tel circuit comprend une branche d'entrée 12 raccordée au compartiment 2 et une branche de sortie 13 issue de ce dernier. La branche de sortie 13 est pourvue d'un séparateur de phase 131, à partir duquel s'étendent une première sous-branche 13a chargée d'évacuer les impuretés et l'azote vers le milieu ambiant et une sous-branche 13b chargée d'évacuer l'eau produite dans le compartiment cathode en direction du circuit hydrique d'humidification et/ou de refroidissement de la pile à combustible. De manière connue, le compartiment anode 3 est associé à un circuit 14 d'apport en hydrogène, un tel circuit comprenant une branche d'amenée ou d'entrée 15 et une branche de sortie 16. Dans le but de récupérer l'eau qui est amenée à circuler par la branche 16, il est prévu de mettre en place le dispositif suivant. Dans une première forme de réalisation selon la fig. 1, le dispositif comprend un séparateur 20 qui possède une chambre d'admission principale et unique 21 à laquelle se raccorde la branche de sortie 16. La chambre d'admission 21 est délimitée à l'intérieur du séparateur 20 par un filtre 22 de type hydrophile qui sépare la chambre d'admission 21 d'une chambre de sortie 23 raccordée, par une ligne ou canalisation 24, à la sous-branche 13b. La chambre d'admission 21 est aussi pourvue d'une sousbranche 16a Par les moyens ci-dessus, il est possible de mettre en oeuvre le procédé consistant à assurer l'évacuation du mélange issu du compartiment 3 de manière permanente, par la branche 16 jusque dans la chambre d'admission 21 du séparateur 20. Le filtre hydrophile 22 permet d'assurer une séparation entre les produits gazeux inclus au mélange et, pour partie au moins, composés d'hydrogène et qui empruntent la sous-branche 16a, et l'eau qui est conduite par la canalisation 24 dans la sousbranche 13b. Il est envisageable de raccorder la sous-branche 16a à la branhe 12. de telle manière que les produits gazeux soient détruits au contact du catalyseur de la cathode 5 en prévoyant, toutefois, d'assurer, par le circuit 11, un excès de comburant et plus particulièrement d'oxygène. La fonctionnalité du filtre hydrophile 22 est d'assurer le prélèvement total et complet de l'eau incluse dans le mélange circulant dans la branche 16 et, pour assumer cette fonction, il est convenable de disposer d'un filtre 22 qui est constitué en un matériau poreux hydrophile dont le diamètre de pores est inférieur à 5 microns. Selon une variante représentée par la fig. 2, la branche 16 est raccordée, au-delà d'un organe de non retour 25, soit commandé comme un robinet ou analogue. soit automatique comme un clapet anti-retour, tel qu'illustré, à une pompe de rétablissement de pression 26 dont la sortie 27 est branchée à la chambre d'admission 21 du séprarateur 20. La seconde entrée 28 de la pompe 26 est raccordée à une ligne 29 de circulation d'eau en provenance, soit du circuit de refroidissement, soit du circuit cathode. La fig. 3 montre une autre variante reprenant l'architecture du circuit selon la fig. 2, mais dans laquelle il est prévu d'installer le séparateur 20 doublé d'un séparateur 30 disposé en série, afin d'assurer une séparation plus complète. Dans un tel cas. le mélange admis dans la chambre 21 subit, par le filtre 22, une séparation conduisant l'eau séparée dans la ligne 24. La fraction gazeuse reçue dans la chambre d'admission 21 peut s'évacuer pour pénétrer dans la chambre d'admission 31 du séparateur 30 qui comporte un filtre hydrophile 32 séparant une chambre de sortie 33 raccordée a une ligne 34 qui est branchée sur la ligne 24. La fig. 4 montre un autre développement selon lequel le séprateur 20 comprend une chambre d'admission 21 raccordée à la branche de sortie 16 et qui est délimitée par un premier filtre qui est le filtre 22 à caractère hydrophile la séparant de la chambre de sortie 23 reliée à la ligne 24. La chambre 21 est aussi délimitée par un second filtre 35 à caractère hydrophobe la séparant d'une chambre de sortie 36 reliée par une canalisation 37 à l'entrée du compartiment cathode 2, par exemple par piquage sur la branche 12. De cette manière, le mélange issu de la branche 16 peut connaître une séparation efficace due à l'action du filtre hydrophobe 35, complétée par une action efficace du filtre hydrophile 22 qui est conçu pour ne laisser passer que l'eau en direction de la canalisation 24, alors que le mélange gazeux séparé est dirigé vers l'entrée du compartiment cathode. A cette fin, le filtre 35 est, avantageusement, réalisé en un matériau poreux hydrophobe présentant un diamètre de pores inférieur à 5 microns. L'eau, exempte de trace de gaz et plus particulièrement d'hydrogène, peut ainsi être injectée dans la branche 13b pour être recyclée et réutilisée dans le circuit hydrique normal d'humidification et/ou de refroidissement de l'élément. La fig. 5 montre une variante de réalisation dans laquelle le séparateur 20 est placé, non pas immédiatement sur la branche de sortie 16 du compartiment anode 3, mais en aval du raccordement de cette branche 16 avec la sous-branche 13b. Le séparateur 20 est conçu comme celui de la fig. 4, de manière à toujours délimiter la chambre d'admission 21 et les chambres de sortie 23 et 36 par l'intermédiaire des filtres 22 et 35. Dans un tel cas, il est avantageux d'éviter toute possibilité de reflux éventuel de l'eau produite par le compartiment 2 et, à cette fin, il est prévu d'interposer, en amont du raccordement 38 entre la branche 16 et la sous-branche 13b, un robinet 39 à commande manuelle, de préférence associé à un dispositif 40 assumant une fonction anti-retour dans le sens sous-branche 13b-branche 16. Le dispositif 40 peut être naturellement un clapet anti-retour du type à boulet ou à soupape et relève généralement du type de fonctionnement tout ou rien. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1-Procédé de récupération de l'eau produite par une pile à combustible, caractérisé en ce qu'on : . dispose sur le circuit hydrogène du compartiment anode au moins un séparateur délimitant un compartiment d'admission séparé. par un filtre hydrophile, d'une branche de sortie raccordée au circuit hydrique normal de la pile, . assure en permanence le passage du fluide dudit circuit anode à travers le séparateur, recycle le produit gazeux issu du séparateur en direction de l'entrée du circuit air-oxygène du compartiment, tandis que l'eau, issue du séparateur et exempte de gaz, est recyclée vers le circuit hydrique 2-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on : . dispose, sur le circuit hydrogène et en relation avec la branche de sortie, deux séparateurs en série, chacun équipé au moins d'un filtre à caractère hydrophile, délimitant dans le séparateur une chambre d'admission et une chambre de sortie reliée à une canalisation d'évacuation d'eau, . admet le mélange gazeux dans la chambre d'admission du premier séparateur, e et relie ladite chambre à celle du second séparateur. 3-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on : . dispose, sur la sortie du circuit hydrogène du compartiment anode, au moins un séparateur comprenant une chambre d'admission, isole ladite chambre par un filtre hydrophile d'une chambre de sortie raccordée au circuit hydrique, . et isole ladite chambre par un filtre hydrophobe d'une seconde chambre de sortie raccordée à l'entrée du compartiment cathode 4-Dispositif de récupération de l'eau produite par une pile à combustible. du type comprenant au moins un élément (1) composé d'un compartiment cathode (2) pourvu d'une électrode (5) et raccordé à un circuit (11) d'alimentation en comburant et d'un compartiment anode (3), pourvu d'une électrode (6) séparée de la première par une membrane (4), et raccordé à un circuit (14) d'alimentation en hydrogène, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un séparateur (20) placé en relation avec le circuit hydrogène et définissant au moins une chambre d'admission (21) séparée, par un filtre hydrophile (22), d'une chambre de sortie (23) raccordée au circuit hydrique de la pile. 5-Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend deux séparateurs placés sur la sortie du circuit hydrogène du compartiment anode en étant disposés en série par les chambres d'admission qu'ils délimitent. 6-Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la sortie du circuit hydrogène est raccordée à la chambre d'admission du séparateur par l'entremise d'une pompe (26) dont la seconde entrée (28) est raccordée à une canalisation (29) issue de la branche (13b) de sortie d'eau d'un séparateur (131) placé sur la sortie (13) du compartiment cathode. 7-Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend, sur la sortie du circuit hydrogène, un séparateur (20) comprenant une chambre d'admission (21) qui est séparée : 'par un filtre hydrophile (22) d'une chambre de sortie (23) raccordée par une canalisation (24) au circuit hydrique de la pile, . et par un filtre hydrophobe (35) d'une chambre de sortie (36) raccordée par une canalisation (37) à l'entrée du circuit cathode de la pile. 8-Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que séparateur est placé directement sur la sortie du circuit hydrogène. 9-Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le séparateur est placé sur la sous-branche (13b) d'évacuation d'eau du circuit cathode (11) et en ce que la sortie (16) du circuit hydrogène est raccordée à cette sous-branche avec interposition d'au moins un dispositif anti-retour (40). 10-Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les filtres hydrophobe et hydrophile sont constitués de cartouches en un matériau poreux offrant un diamètre de pores inférieur à 5 micromètres.