Brevet FR2816449A1 — publié le 20020510

La présente invention est relative au domaine des piles à combustible et, plus particulièrement, celles du type air-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 est généralement formée par une succession de cellules comprenant chacune un compartiment cathode pourvu d'une électrode et raccordé à un circuit d'alimentation en comburant, c'est-à-dire généralement de l'air, enrichi ou non en oxygène, voire de l'oxygène pur. Chaque cellule 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 de catalyseurs que les deux électrodes possèdent. Un tel compartiment anode est raccordé à un circuit combustible généralement de l'hydrogène. Les entrées et sorties des circuits cathode et anode sont connectées respectivement à des tubulures de répartition et à des collecteurs de reprise qui sont chargés, pour ces derniers, d'évacuer les mélanges résultant du fonctionnement des différentes cellules. Les mélanges issus des collecteurs cathode et anode contiennent des gaz et de l'eau qu'il convient de pouvoir prélever, après stockage et pompage, de manière à la réinjecter dans le circuit d'humidification ou du refroidissement pour contribuer au bilan hydrique convenable. Le problème du stockage et du pompage ainsi que de la réinjection de l'eau pose un certain nombre de difficultés qui tiennent essentiellement à la structure d'une pile. En effet, il est difficile de relier les collecteurs, qui sont généralement situés en partie basse, à des sorties surélevées car les écoulements d'eau dépendraient alors du régime de fonctionnement de la pile et risqueraient de provoquer, soit des fortes variations du débit et de la pression en raison de la présence d'écoulements type bouchons liquides, soit un noyage de la pile à combustible lorsque le débit gazeux est trop faible pour entraîner l'eau liquide. Par ailleurs, lorsque la pile est installée ou disposée dans une installation dont l'assiette peut varier, l'inclinaison conférée à la pile peut être responsable d'une sortie gazeuse relevée par rapport au point bas que constitue le collecteur, de sorte que la rétention d'eau qui en résulte peut alors être responsable de nouveau d'un noyage de la pile. Pour assurer un fonctionnement convenable il serait donc indispensable de réaliser l'installation de telle manière que la séparation des phases gazeuse et liquide, pour ce qui concerne l'eau, puisse se dérouler au-dessus du niveau de la sortie des collecteurs. Cependant, une telle exigence pose un problème d'intégration de la pile dans une installation fonctionnelle plus importante et, de toute façon, impose le maintien d'une horizontalité ou tout au plus d'une faible inclinaison de la pile, de manière à éviter le phénomène de noyage. Le besoin se fait donc sentir de pouvoir surmonter l'exigence ci-dessus de manière à offrir une plus grande possibilité d'adaptation d'une pile à combustible dans une installation, sans que les variations d'assiette de cette dernière ne conduisent à des risques de noyage de la pile et qu'au contraire, la séparation de l'eau des phases gazeuses puisse intervenir dans les meilleures conditions pour qu'une récupération complète soit favorable au maintien d'un bilan hydrique convenable. Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le procédé de récupération de l'eau incluse au mélange délivré par la sortie du circuit cathode et/ou anode d'une pile à combustible composée de n cellules, est caractérisé en ce qu'il consiste à : - disposer, dans un collecteur rectiligne, regroupant les sorties des différentes cellules, un tube de prélèvement rectiligne qui débouche dans un bac récupérateur avec une hauteur h par rapport à son axe, - doter ledit tube de deux ajutages calibrés, extrêmes, de perte de charge, - faire déboucher le collecteur par une sortie de mélange gazeux pourvue d'un régulateur de pression, - régler ledit régulateur de manière que la pression dans le collecteur, moins la perte de charge due à au moins un ajutage calibré, soit supérieure à au moins la hauteur de charge entretenue par la colonne d'eau correspondant à la hauteur h. L'invention a encore pour objet un dispositif de récupération qui est caractérisé en ce qu'il comprend : - un collecteur rectiligne dans lequel débouchent toutes les sorties des cellules et qui est doté d'un régulateur de pression situé en amont de sa sortie, - un tube de prélèvement s'étendant de façon rectiligne à l'intérieur du collecteur et qui est raccordé à l'extérieur de ce dernier à un bac récupérateur dans lequel il débouche par une sortie située à une hauteur h par rapport à son axe, - au moins un ajutage présenté par le tube et calibré de telle sorte que la pression résiduelle dans le tube et entretenue par le régulateur de pression soit supérieure à la hauteur de colonne d'eau correspondant à la hauteur h. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence au dessin annexé qui montre, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique illustrant l'objet de l'invention. La fig. 2 est une élévation schématique mettant en évidence une caractéristique constructive d'une pile à combustible. La fige 1 montre une pile à combustible désignée dans son ensemble par la référence 1 et qui se trouve constituée par la succession de n cellules 2 dont chacune est constituée comme illustré par la fig. 2. Chaque cellule 2 comprend un compartiment 3 dit"cathode"contenant une électrode 4 qui est en relation avec un circuit 5 comportant une entrée 6 et une sortie 7 et qui est destiné à assurer l'alimentation du compartiment 3 avec un fluide gazeux comburant tel que de l'air, enrichi ou non en oxygène. La cellule 2 comprend un second compartiment 8 dit"anode"contenant une électrode 9 et qui est raccordé à un circuit 10 comprenant une branche d'arrivée 11 et une branche de sortie 12. Le circuit 10 est destiné à assurer l'alimentation du compartiment 8 avec un fluide combustible tel que de l'hydrogène. Les électrodes 4 et 9, pourvues de catalyseurs de réaction, sont séparées une membrane de perméation 13. Le fonctionnement de chaque cellule 2 produit des gaz de réaction empruntant les sorties 7 et 12 qui, comme cela est illustré par la fige 1 sont réunies par des collecteurs 14 et 15 respectivement alors que les entrées 6 et 11 sont branchées sur des répartiteurs 16 et 17 respectivement. Le fonctionnement d'une pile à combustible génère la production d'eau incorporée au mélange empruntant les sorties 7 et 12 et se trouvant en conséquence collectée par les collecteurs 14 et 15. De manière à offrir une possibilité de récupération convenable de la phase liquide/eau incluse à ces mélanges, pour favoriser le bilan hydrique et pour que cette récupération puisse intervenir sans pénaliser l'implantation de la pile à combustible ni limiter les éventuels possibles changements d'assiette de l'installation dans laquelle une telle pile est incorporée, il est prévu de mettre en oeuvre les moyens suivants illustrés à la fige 1 uniquement en relation avec le collecteur 15 de sortie du circuit combustible 10. Il va de soi que l'objet de l'invention peut être mis en oeuvre pour le collecteur 14, voire pour les collecteurs 14 et 15 simultanément. Chaque collecteur 14 ou 15 comprend une structure tubulaire, généralement de forme rectiligne, qui est fermée à une extrémité 21 mais qui est, par contre, ouverte à l'extrémité 22 chargée d'assurer, par les moyens décrits ci-après, l'évacuation de la phase gazeuse. Le collecteur 20 contient intérieurement un tube de prélèvement 23 de forme rectiligne qui travers l'extrémité 22 avec étanchéité pour être raccordé à un bac de récupération d'eau 24, en comportant une sortie 25 qui est surélevée par rapport à l'axe du tube 23 d'une hauteur h. Le tube de prélèvement 23 comporte, sensiblement à proximité ou au voisinage des extrémités 21 et 22, deux ajutages calibrés 26 et 27 qui sont prévus pour introduire une perte de charge lors du prélèvement de l'eau par le tube 23 à partir du mélange circulant à l'intérieur du collecteur 15. Le tube 20 est pourvu, à partir de son extrémité ouverte 22, d'une pipe d'évacuation 28 dont la section de passage est contrôlée par un régulateur de pression 29 de tous types appropriés. Le réglage du régulateur 29 est prévu de telle manière que la pression régnant dans le tube 20, moins la perte de charge introduite par les ajutages 26 et 27, laisse subsister une pression qui soit supérieure à celle de la colonne liquide résultant de la hauteur de déversement h. De la sorte, l'eau condensée dans le tube 20 est amenée à emprunter l'un ou l'autre des ajutages 26 et 27 pour être conduite par le tube de prélèvement 23 à emprunter la sortie de déversement 25 située au-dessus du niveau normal du bac de récupération 24 à partir duquel le prélèvement de l'eau récupérée est effectué pour en assurer la réinjection dans le circuit hydrique d'humidification et/ou de refroidissement. Il peut être mis à profit l'organisation structurelle telle qu'illustrée par la fig. 1 pour que la pipe d'évacuation débouche par une sortie 30 à l'intérieur du bac 24 en étant située au-dessus de la sortie 25 du tube de prélèvement 23. Les moyens mis en oeuvre permettent de garantir l'évacuation de l'eau condensée et récupérée même si la pile est par elle-même ou avec l'installation à laquelle elle est incorporée, inclinée selon une assiette plus ou moins importante. En effet, si l'extrémité 21 fermée constitue le point bas, le prélèvement de l'eau s'effectue par l'ajutage calibré 26 sans qu'il y ait de risque de noyage du corps de pile. Si par contre le point bas est situé au niveau de l'extrémité 22, l'accumulation dans la pipe 28 en amont du régulateur de pression 29 favorise le prélèvement par l'ajutage calibré 27, de sorte que pareillement un risque de noyage de la pile est éliminé. Dans les deux cas, le maintien des conditions de pression rappelées ci-dessus favorise l'évacuation par la sortie 25 de l'eau prélevée à l'intérieur du collecteur. A titre d'exemple, le régulateur de pression 29 peut être conçu et réglé de manière qu'une pression voisine de 250 millibar règne dans le tube 20 alors que les ajutages calibrés 26 et 27 entretiennent une perte de charge de l'ordre de 50 millibar. 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 incluse au mélange délivré par la sortie du circuit cathode et/ou anode d'une pile à combustible composée de n cellules, caractérisé en ce qu'il consiste à : - disposer dans un collecteur rectiligne, regroupant les sorties des différentes cellules, un tube de prélèvement rectiligne qui débouche dan un bac récupérateur avec une hauteur h par rapport à son axe, - doter ledit tube de deux ajutages calibrés, extrêmes, de perte de charge, - faire déboucher le collecteur par une sortie de mélange gazeux pourvue d'un régulateur de pression, - régler ledit régulateur de manière que la pression dans le collecteur, moins la perte de charge due à au moins un ajutage calibré, soit supérieure à au moins la hauteur de charge entretenue par la colonne d'eau correspondant à la hauteur d'eau h. 2-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire déboucher le collecteur dans le bac récupérateur, à un niveau supérieur à celui du tube de prélèvement. 3-Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à fermer l'une des extrémités du collecteur et à doter l'autre extrémité d'une pipe d'évacuation surélevée dont la branche montante est dépourvue du régulateur. 4-Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à prévoir les ajutages calibrés ménagés pour être situés au voisinage des deux extrémités du collecteur. 5-Dispositif de récupération de l'eau incluse au mélange délivré par la sortie du circuit cathode et/ou anode d'une pile à combustible composée de n cellules, caractérisé en ce qu'il comprend : - un collecteur rectiligne (20) dans lequel débouchent toutes les sorties (12) des cellules (2) et qui est doté d'un régulateur de pression (29), - un tube de prélèvement (23) s'étendant de façon rectiligne à l'intérieur du collecteur et qui est raccordé à l'extérieur de ce dernier à un bac récupérateur (24) dans lequel il débouche par une sortie (25) située à une hauteur h par rapport à son axe, - au moins un ajutage (26 ou 27) présenté par le tube et calibré de telle sorte que la pression résiduelle entretenue par le régulateur de pression soit supérieure à la hauteur de colonne d'eau correspondant à la hauteur h. 6-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sortie (25) du tube de prélèvement est située au-dessus du niveau normal de l'eau dans le bac de récupération. 7-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le collecteur débouche dans le bac récupérateur à une hauteur supérieure à celle du tube de prélèvement. 8-Dispositif selon la revendication 5 ou 7, caractérisé en ce que le collecteur débouche dans le bac récupérateur par une pipe d'évacuation (28) dont la branche montante est pourvue du régulateur de pression (29). 9-Dispositif selon l'une des revendications 5,6 ou 7, caractérisé en ce que le tube de prélèvement comporte deux ajutages calibrés ménagés pour être situés au voisinage des extrémités du collecteur.