Brevet FR2825486A1 — publié le 20021206

La présente invention concerne un dispositif de régulation de pression pour un ensemble de production d'énergie à base de pile à combustible, ainsi qu'un ensemble de production d'énergie pourvu d'un tel dispositif. De façon classique, un tel ensemble de production d'énergie comprend un bloc pile à combustible, qui comporte un compartiment anodique, où se produit l'oxydation de l'hydrogène, ainsi qu'un compartiment cathodique, dans lequel l'oxygène de l'air est réduit, avec production d'eau. Une membrane de type échangeuse d'ions sépare physiquement les compartiments anodique et cathodique, alors que ces derniers se trouvent reliés par un circuit électrique extérieur. Le compartiment anodique est mis en communication avec une ligne d'arrivée d'hydrogène, ainsi qu'une ligne d'évacuation de l'hydrogène consommé. Ce dernier est mélangé avec une fraction d'eau, qui a été produite au niveau de la cathode, et a traversé la membrane de séparation précitée. De façon analogue, le compartiment cathodique est pourvu d'une conduite d'arrivée d'air, ainsi que d'une conduite d'évacuation de cet air appauvri en oxygène, mélangé à de l'eau. Il est également connu de disposer, sur cette conduite d'évacuation d'air et d'eau, un dispositif assurant une régulation de la pression de ce mélange. Ainsi, dans le cas où la pression d'air et d'eau, en amont du dispositif, est inférieure à une pression de référence, qui est le plus souvent la pression atmosphérique, l'air et l'eau ne sont pas évacués, ce qui provoque une augmentation de la pression de ce mélange. Lorsque cette dernière devient supérieure à la pression de référence précitée, l'air et l'eau s'écoulent au travers du dispositif de régulation, et sont recyclés au moins en partie vers l'entrée du compartiment cathodique. Il s'établit donc un équilibre, qui assure une pression régulée dans le bloc pile à combustible. L'invention se propose de réaliser un dispositif de régulation de pression, du type précité, dont le temps de réaction soit particulièrement faible, notamment dans le cas d'un régime transitoire du bloc pile à combustible, s'accompagnant alors de variations soudaines du débit d'air et d'eau. A cet effet, elle a pour un dispositif de régulation de pression pour un ensemble de production d'énergie à base de pile à combustible, destiné à être placé sur un circuit permettant l'évacuation d'un mélange d'air appauvri en oxygène et d'eau, hors d'un bloc pile à combustible appartenant à cet ensemble, caractérisé en ce que ce dispositif comprend un corps possédant une entrée et une sortie dudit mélange, une chemise intermédiaire définissant, avec des parois en regard du corps, un passage mis en communication avec la sortie, ainsi qu'un piston monté de façon mobile par rapport à la chemise entre une position d'écoulement, dans laquelle l'entrée est mise en communication avec le passage, et une position de fermeture, dans laquelle ce piston prend appui contre un siège dudit corps, de manière à empêcher l'écoulement du mélange, en ce que les parois intérieures en regard de la chemise et du piston forment une chambre, en ce qu'il est prévu des moyens d'étanchéité permettant d'isoler cette chambre par rapport au passage et à l'entrée, et en ce qu'il est prévu en outre des moyens permettant de mettre la chambre à une pression de référence. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - il est prévu des moyens de rappel, notamment élastiques, permettant de ramener le piston à sa position de fermeture ; - la pression de référence est la pression atmosphérique ; - les moyens de mise à la pression atmosphérique de la chambre comprennent un orifice mettant en communication cette chambre avec l'air ambiant ; - l'orifice appartient à une vis de fixation de la chemise sur le corps ; - l'orifice est mis en communication, du côté de l'air ambiant, avec le volume intérieur d'un organe poreux, notamment conique ; - la chambre reçoit au moins un élément de remplissage ; - le piston comporte un fond, s'étendant sensiblement transversalement par rapport à l'écoulement de l'air et de l'eau, et ce fond possède une surface voisine de celle de l'entrée ; - le fond du piston est prolongé par une couronne d'appui contre le siège ; - la chemise possède un fond, à partir duquel s'étendent des parois latérales, une jupe du piston étant apte à coulisser le long de ces parois latérales ; - il est prévu des moyens de réglage de la tension des moyens de rappel élastique ; - les moyens de réglage comprennent une vis apte à coopérer avec un insert de butée, en appui contre une extrémité des moyens de rappel élastique ; les moyens d'étanchéité comprennent un joint à lèvre, solidarisé aux parois latérales de la chemise. L'invention a également pour objet un ensemble de production d'énergie à base de pile à combustible, comprenant un bloc pile à combustible, qui comporte un compartiment cathodique, un compartiment anodique, au moins deux circuits d'alimentation en gaz, et au moins deux circuits d'évacuation, permettant d'évacuer un mélange de gaz et d'eau, cet ensemble étant caractérisé en ce qu'au moins un circuit d'évacuation est mis en communication avec un dispositif de régulation de la pression dudit mélange, qui est tel que défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique, illustrant un ensemble de production d'énergie à base de pile à combustible, équipé d'un dispositif de régulation de pression conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe diamétrale, illustrant de façon plus précise ce dispositif de régulation de la pression et - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III à la figure 2. L'ensemble de production d'énergie représenté schématiquement sur la figure 1, comprend un bloc pile à combustible, qui comporte une cathode 2, ainsi qu'une anode non représentée. Ce compartiment cathode 2 reçoit, à une entrée 4, un circuit 6 d'alimentation en air. Par ailleurs, un circuit 8 permet l'évacuation, hors de la sortie 9 de cette cathode, d'un mélange d'air appauvri et d'eau. Le bloc pile à combustible est en outre équipé de deux circuits supplémentaires, non représentés, permettant respectivement l'alimentation en hydrogène de l'anode, et l'évacuation, hors de cette anode, de l'hydrogène appauvri mélangé à de l'eau. Le circuit d'évacuation 8 débouche dans un dispositif 10, permettant de réguler la pression du mélange d'air et d'eau, évacué de la cathode. En aval de ce dispositif 10, il est prévu une conduite 12, permettant de recycler, vers l'entrée 4, une partie de l'eau contenue dans ce mélange, ainsi qu'éventuellement de l'air. Comme le montre plus précisément la figure 2, le dispositif de régulation de pression 10 comprend un corps 14 sensiblement cylindrique comprenant, à une première extrémité, un épaulement rentrant 16 prolongé par un col 18, dont le volume intérieur forme une entrée E du dispositif 10. Ce col 18 est terminé par une collerette 20, permettant de raccorder le dispositif 10 au circuit d'évacuation 8, qui n'est pas représenté sur cette figure 2. A son autre extrémité, le corps 14 est rendu solidaire, par exemple par vissage, d'une bride 22, dont le volume intérieur forme une sortie S du dispositif 10. Cette bride 22 assure le raccord du dispositif 10 à la conduite de recyclage 12, qui n'est pas non plus représentée sur cette figure 2. Le dispositif 10 comporte en outre une chemise 24, montée de façon axiale dans le corps 14. Cette chemise est munie d'un fond 26, à partir duquel s'étend une paroi latérale 28 cylindrique, qui est pourvue de pattes radiales 30, s'étendant au voisinage de la paroi intérieure en regard du corps 14. La chemise 24 et le corps 14 définissent ainsi un passage annulaire 32. Trois vis 34, 34'et 34''qui pénètrent dans les pattes 30, assurent la solidarisation de la chemise 24 par rapport au col 14. Une 34 de ces vis, visible notamment à la figure 2, est creusée d'un orifice axial traversant 35, ce qui permet de mettre en communication le volume intérieur de la chemise 24, avec l'air ambiant. La tête de cette vis 34 est entourée par une bague taraudée 36, qui coopère avec un col fileté 38, assurant le blocage d'un organe poreux 40, de forme conique. Ce dernier, qui est de type classique, est par exemple réalisé en acier inoxydable fritté. Le dispositif de régulation 10 comprend, de plus, un piston 42, monté de façon mobile par rapport à la chemise 24. Ce piston possède un voile 44, formant fond, ainsi qu'une jupe 46, formant les parois latérales de ce piston. Le voile 44 est prolongé, à l'opposé de la jupe 46, par une couronne axiale 48. Cette dernière possède un bord extérieur en biseau, qui est apte à prendre appui contre un siège 50, formé par la paroi intérieure de l'épaulement 16. La jupe 46 du piston est reçue contre la paroi intérieure de la chemise 24, avec interposition d'un joint à lèvre 52. Ce dernier est solidarisé à la paroi latérale 28 de la chemise, par l'intermédiaire d'un anneau de maintien 54, ainsi que de vis de support 56, pénétrant axialement dans les pattes 30. Le voile 44 et la jupe 46 du piston 42 forment une chambre 58, avec le fond 26 et les parois latérales 28 de la chemise 24. Cette chambre 58, qui est mise en communication avec l'air ambiant, par la vis creuse 34, reçoit un ressort 60, dont une première extrémité prend appui contre le voile 44. L'extrémité opposée de ce ressort est disposée contre un insert de maintien 62, qui se trouve fixé à un bloc 64 de remplissage. Ce dernier, qui est réalisé par exemple en PVC, est logé dans le volume intérieur du ressort 60. Il est par ailleurs prévu un bloc extérieur de remplissage 66, à peu près en forme de U en coupe diamétrale. Ce bloc 66, qui s'étend entre le ressort et les parois en regard respectives du piston 42 et de la chemise 24, est fixé par vissage sur le fond 26 de cette dernière. Une vis de réglage 68, qui traverse le fond 26 de la chemise, le bloc extérieur 66, ainsi que l'insert 62, prend appui contre le bloc intérieur 64. Cette vis 68, qui est pourvue d'une molette de réglage 70, est montée lisse par rapport au fond 26 de la chemise 24 et au bloc extérieur 66, alors qu'elle se trouve en prise avec un orifice taraudé ménagé dans l'insert de maintien 62. Le corps 14, ainsi que la chemise 24 peuvent être réalisés en acier inoxydable, alors que le piston 42 peut être réalisé dans le matériau commercialisé sous la référence KETRON. Ce matériau est réalisé en PEEK (poly éther éther keton) chargé en PTFE (TEFLON). A titre d'alternative, ces différents éléments peuvent être constitués de matériaux plastiques ayant des propriétés équivalentes, à savoir notamment de bonnes résistances à l'eau et aux hautes températures, ainsi qu'une bonne tenue mécanique. Le fonctionnement du dispositif de régulation 10 va maintenant être expliqué dans ce qui suit. Lorsque la pression du mélange d'air et d'eau, s'écoulant vers l'entrée du dispositif, est inférieure à la pression de référence, la couronne 48 prend appui contre le siège 50, de manière à empêcher tout écoulement de ce mélange en direction du passage annulaire 32. Ceci provoque une augmentation de la pression de ce mélange. La pression de référence est définie, dans le présent exemple, comme étant la pression atmosphérique. Puis, lorsque la pression du mélange devient supérieure à la pression de référence, ceci induit un déplacement axial du piston 42, qui permet de mettre en communication l'entrée E du dispositif avec le passage annulaire 32. Le mélange s'écoule alors par l'intermédiaire de ce passage, en direction de la conduite 12, prévue en aval du dispositif. Ce phénomène provoque alors une diminution de la pression du mélange. Enfin, lorsque la pression du mélange redevient inférieure à celle de référence, le piston se déplace à l'opposé du fond de la chemise, de sorte que sa couronne 48 prend à nouveau appui contre le siège 50. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. L'utilisation d'un piston mobile par rapport à une chemise garantit une grande réactivité au dispositif de régulation de pression de l'invention. En effet, la masse des pièces mobiles appartenant à ce dispositif de régulation, notamment son piston, est particulièrement faible, de sorte que ces pièces sont susceptibles de se mettre en mouvement de façon quasiment immédiate. Par ailleurs, le voile de ce piston possède une surface importante d'application de la pression. Ainsi, sensiblement l'intégralité de ce voile se trouve en regard du fluide admis à l'entrée du dispositif. Ceci confère au dispositif de l'invention des réactions rapides, notamment lors de variations soudaines des débits du mélange formé d'air et d'eau. Ceci permet de d'absorber les phénomènes de bouchons liquides, susceptibles d'intervenir lorsqu'une quantité d'eau importante doit être évacuée brutalement de la pile. Le dispositif de régulation de l'invention possède une compacité remarquable, ainsi qu'une masse réduite. La présence d'un organe poreux, par exemple de forme conique, est également avantageuse. En effet, cet organe poreux est à même de présenter une perte de charge préréglée, de sorte que, lors des mouvements du piston, le gaz qui traverse cet organe poreux s'y écoule de façon progressive. Une telle mesure est avantageuse, en termes d'amortissement des vibrations. Prévoir des éléments de remplissage de la chambre permet de réduire le volume occupé par le gaz, dans cette chambre. Ceci assure une composante supplémentaire, en ce qui concerne l'amortissement des vibrations. Ceci supprime également tout risque de résonance avec des fréquences proches de celles de l'ensemble formé par le ressort et les masses qui en sont solidaires, qui seraient par exemple dues aux variations de pressions induites par un compresseur voisin, ou à l'installation dans un véhicule. REVENDICATIONS 1. Dispositif (10) de régulation de pression pour un ensemble de production d'énergie à base de pile à combustible, destiné à être placé sur un circuit permettant (8) l'évacuation d'un mélange d'air appauvri en oxygène et d'eau, hors d'un bloc pile à combustible (2) appartenant à cet ensemble, caractérisé en ce que ce dispositif comprend un corps (14) possédant une entrée (E) et une sortie (S) dudit mélange, une chemise intermédiaire (24) définissant, avec des parois en regard du corps (14), un passage (32) mis en communication avec la sortie (S), ainsi qu'un piston (42) monté de façon mobile par rapport à la chemise (24) entre une position d'écoulement, dans laquelle l'entrée (E) est mise en communication avec le passage (32), et une position de fermeture, dans laquelle ce piston prend appui contre un siège (50) dudit corps, de manière à empêcher l'écoulement du mélange, en ce que les parois intérieures (26,28, 44,46) en regard de la chemise (24) et du piston (42) forment une chambre (58), en ce qu'il est prévu des moyens d'étanchéité (52) permettant d'isoler cette chambre par rapport au passage (32) et à l'entrée (E), et en ce qu'il est prévu en outre des moyens (34) permettant de mettre la chambre (58) à une pression de référence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de rappel, notamment élastiques (60), permettant de ramener le piston à sa position de fermeture. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression de référence est la pression atmosphérique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de mise à la pression atmosphérique de la chambre (58) comprennent un orifice (35) mettant en communication cette chambre avec l'air ambiant. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit orifice (35) appartient à une vis (34) de fixation de la chemise (24) sur le corps (14). 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit orifice (35) est mis en communication, du côté de l'air ambiant, avec le volume intérieur d'un organe poreux, notamment conique (40). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre (58) reçoit au moins un élément de remplissage (64,66). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston comporte un fond (44), s'étendant sensiblement transversalement par rapport à l'écoulement de l'air et de l'eau, et en ce que ce fond (44) possède une surface voisine de celle de l'entrée (E). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fond (44) du piston (42) est prolongé par une couronne (48) d'appui contre le siège (50). 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chemise (24) possède un fond (26), à partir duquel s'étendent des parois latérales (28), une jupe (46) du piston (42) étant apte à coulisser le long de ces parois latérales. 11. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de réglage (68) de la tension des moyens de rappel élastique (60). 12. Dispositif selon la revendication il, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent une vis (68) apte à coopérer avec un insert de butée (62), en appui contre une extrémité des moyens de rappel élastique. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité comprennent un joint à lèvre (52), solidarisé aux parois latérales (28) de la chemise (24). 14. Ensemble de production d'énergie à base de pile à combustible, comprenant un bloc pile à combustible, qui comporte un compartiment cathodique (2), un compartiment anodique, au moins deux circuits d'alimentation (6) en gaz, et au moins deux circuits d'évacuation (8), permettant d'évacuer un mélange de gaz et d'eau, cet ensemble étant caractérisé en ce qu'au moins un circuit d'évacuation (8) est mis en communication avec un dispositif (10) de régulation de la pression dudit mélange, qui est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.