Brevet FR2843898A1 — publié le 20040305

! "Dispositif de récupération de liquide dans un fluide diphasique et pile à combustible comportant un tel dispositif" L'invention concerne un dispositif de récupération de liquide, et notamment d'eau liquide, contenu dans un fluide diphasique. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de récupération de liquide, et notamment d'eau liquide, contenu dans un fluide diphasique, du type comprenant une enveloppe cylindrique de révolution d'axe globalement vertical fermée vers i0 le haut par une paroi transversale supérieure, dont une extrémité supérieure comporte un orifice tangentiel d'injection sous pression du fluide diphasique, et dont le fond a une forme d'entonnoir convergeant vers le bas en un orifice axial inférieur d'écoulement de liquide, et comprenant un orifice d'évacuation 15 des gaz traversant axialement la paroi transversale supérieure, et du type dans lequel l'enveloppe est entourée extérieurement par un circuit de refroidissement du dispositif qui comprend un orifice d'entrée et un orifice de sortie d'un fluide externe de refroidissement. L'invention concerne aussi l'application d'un tel dispositif à une pile à combustible du type comportant une cathode et une anode alimentées par un orifice d'alimentation, et dans au moins une desquelles circule un flux diphasique sous pression qui est évacué par un orifice d'échappement. Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles. La pile à combustible est alors embarquée à bord du véhicule. Une pile à combustible est constituée principalement de 30 deux électrodes, une anode et une cathode, qui sont séparées par un électrolyte. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydoréduction suivantes: - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, qui alimente l'anode en continu; et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la cathode en continu. Les piles à combustible utilisées pour fournir de l'énergie électrique à bord de véhicules automobiles sont généralement du type à électrolyte solide, notamment à électrolyte en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) en guise de combustible et de comburant 10 respectivement. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec les gaz d'échappement une quantité non négligeable de substances polluantes, la pile à combustible offre notamment l'avantage de ne rejeter que de l'eau qui est produite par la 15 réaction de réduction à la cathode. De plus, une pile du type décrit précédemment peut utiliser de l'air ambiant dont l'oxygène (02) est réduit. Le comburant est généralement humidifié avant d'être injecté à la cathode de façon que la membrane en matériau 20 polymère ne soit pas endommagée, par exemple par assèchement. Cette opération d'humidification est également appliquée au carburant lorsque ce dernier ressort de l'anode via un orifice d'évacuation anodique. L'eau nécessaire à l'humidification de la membrane est 25 généralement récupérée en sortie de pile, et notamment en sortie de la cathode dans laquelle la réaction de réduction produit de l'eau. La récupération d'eau à la sortie de la cathode présente l'avantage de ne pas avoir à renouveler fréquemment les réserves 30 d'eau du véhicule. De plus, il n'est pas nécessaire que le véhicule soit équipé d'un réservoir d'eau de volume important si suffisamment d'eau peut être récupéré pour humidifier la membrane. De plus, les gaz d'échappement de la cathode sont généralement sous pression et passent par au moins une turbine. Le fait que les gaz comportent de l'eau liquide provoque des dysfonctionnements tels que par exemple des effets de cavitation s dans les turbines. Pour récupérer l'eau produite à la cathode, il est connu d'intercaler des filtres coalesceurs dans le flux de sortie de la cathode. Cependant, leur efficacité est insuffisante et il reste de l'eau liquide dans les gaz d'échappement de la pile. Le véhicule 10 doit donc être ravitaillé fréquemment en eau et il peut survenir des dysfonctionnements dans les turbines utilisées pour détendre les gaz d'échappement. Il est aussi connu d'utiliser des condenseurs à la place des filtres coalesceurs. Ces condenseurs utilisent de l'eau en circuit 15 fermé comme liquide caloporteur. Cependant, la chaleur à dissiper étant élevée, il faut que le système de refroidissement de l'eau soit de dimensions importantes pour que son efficacité soit satisfaisante. Cette solution n'est donc pas applicable pour une pile à combustible embarquée à bord d'un véhicule automobile. Pour résoudre ces problèmes, I'invention propose un dispositif du type décrit précédemment, caractérisé en ce que l'orifice d'évacuation des gaz est relié à des moyens de détente des gaz, qui après détente constituent le fluide externe de refroidissement injecté à l'orifice d'entrée du circuit de 25 refroidissement. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de détente des gaz comportent une turbine. L'invention concerne aussi une pile à combustible du type comportant une cathode et une anode alimentées par un orifice 30 d'alimentation et dans au moins une desquelles circule un flux diphasique sous pression qui est évacué par un orifice d'échappement, caractérisée en ce qu'elle comporte un tel dispositif, I'orifice d'échappement de la pile étant relié à l'orifice tangentiel d'injection du dispositif. Selon une autre caractéristique de la pile à combustible, l'énergie mécanique produite par la détente des gaz dans la turbine est communiquée à un compresseur qui est notamment destiné à comprimer un gaz d'alimentation notamment de la cathode de la pile à combustible. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de récupération d'eau réalisé selon les enseignements de l'invention qui est représenté en coupe axial selon un plan vertical; - la figure 2 représente schématiquement le dispositif de récupération d'eau selon le plan de section 2-2 de la figure 1; - la figure 3 représente schématiquement l'application du dispositif de récupération d'eau de la figure appliqué à une pile à combustible; - la figure 4 représente une autre application du dispositif de récupération d'eau à une pile à combustible. La figure 1 représente un dispositif de récupération de liquide 10 destiné à séparer les phases liquide et gazeuse d'un fluide diphasique. Le dispositif de récupération 10 est ici agencé à la sortie de la cathode 12 d'une pile à combustible. Pour les besoins de la 25 description, seule la cathode 12 de la pile à combustible a été représentée sur les figures 1, 2 et 4. La cathode 12 comporte notamment un orifice d'échappement 13 d'un fluide diphasique 14 comportant principalement du comburant, et notamment de l'air, et de l'eau à 30 l'état de vapeur ou de liquide. Le dispositif de récupération 10 est ici destiné à séparer globalement l'eau, en phase liquide, de l'air. Le dispositif de récupération de liquide 10 comporte principalement une enveloppe cylindrique de révolution 16 d'axe globalement vertical A. L'enveloppe 16 est délimitée vers le haut par une paroi transversale supérieure 18, et vers le bas par un fond 20 en forme d'entonnoir qui converge vers le bas en une bonde axiale 22 par laquelle du liquide 24, et notamment de l'eau liquide, est susceptible de s'écouler. La partie supérieure 26 de la paroi axiale 28 de l'enveloppe 16 comporte un orifice tangentiel 30 d'injection du fluide diphasique 14 à l'intérieur de l'enveloppe 16. La disposition tangentielle de l'orifice d'injection 30 est destinée à conférer au 0o fluide 14 qui est injecté dans l'enveloppe 16, un mouvement tourbillonnaire autour de l'axe de révolution A. Cette disposition est illustrée à la figure 2. L'orifice d'injection 30 étant situé dans la partie supérieure 26 de l'enveloppe 16, le fluide 14 suit un courant tourbillonnaire 15 descendant le long de la paroi axiale cylindrique interne 28, qui est représenté par le trait fléché référencé 14' sur les figures 1 et 2. La paroi transversale supérieure 18 comporte un orifice axial 32 d'évacuation des gaz " secs ", c'est-à-dire ne comportant 20 plus de liquide. Un tube interne 34 concentrique à l'enveloppe 16 s'étend depuis l'orifice d'évacuation 32 vers le bas, globalement jusqu'à mihauteur de l'enveloppe 16. Le tube 34 est ouvert à sa première extrémité supérieure 36 qui est raccordée à l'orifice d'évacuation 25 32, et à sa seconde extrémité inférieure 38. Le tube 34 est destiné à canaliser un courant ascendant tourbillonnaire de gaz " secs " 14" sortant par l'orifice d'évacuation 32 et à le séparer du courant tourbillonnaire descendant de fluide diphasique 14' injecté par l'orifice d'injection 30 30. Le tube 34 sera donc appelé tube d'évacuation dans la suite de la description. Le dispositif 10 comporte aussi une bague cylindrique 40 qui entoure concentriquement l'extrémité inférieure 38 du tube d'évacuation 34. La bague 40 a un diamètre intermédiaire entre le diamètre du tube d'évacuation 34 et celui de l'enveloppe 16. La bague 40 est ici fixée au tube d'évacuation 34 par l'intermédiaire de quatre ailettes radiales dont deux, 42 et 44, sont représentées à la figure 1. Les quatre ailettes 42, 44 n'obstruent cependant pas le passage du fluide 14 entre la bague 40 et le tube 34. La bague 40 est notamment destinée à dévier les gaz " secs " contenus dans le courant tourbillonnaire descendant de fluide 14' directement vers le courant tourbillonnaire ascendant 14", c'est-à-dire vers le tube d'évacuation 34. La paroi axiale 28 de l'enveloppe 16 est ici entourée extérieurement par une enceinte fermée cylindrique 48. L'enceinte 48 est destinée à contenir un fluide externe de refroidissement de la paroi axiale 28 de l'enveloppe 16. A cet effet, I'enceinte 48 comporte un orifice d'entrée 50 et un orifice de sortie 52 du fluide 15 de refroidissement. L'orifice d'entrée 50 est ici situé dans une partie supérieure de l'enceinte de refroidissement 48 et l'orifice de sortie 52 est situé dans une partie inférieure de l'enceinte de refroidissement 48. L'orifice d'évacuation des gaz 32 est ici raccordé à une 20 turbine 54 par l'intermédiaire d'une tubulure d'évacuation 56. La turbine 54 est notamment destinée à détendre les gaz qui, après détente, sont avantageusement guidés jusqu'à l'orifice d'entrée 50 de l'enceinte de refroidissement 48, par l'intermédiaire d'une tubulure de refroidissement 58. Les gaz sont refroidis de façon proportionnelle à leur chute de pression. Ils peuvent ainsi être utilisés comme fluide de refroidissement dans l'enceinte de refroidissement 48. Ainsi le problème posé par le refroidissement du fluide de refroidissement ne se pose pas car le fluide de refroidissement n'est pas réutilisé, 30 comme c'est habituellement le cas dans un circuit de refroidissement fermé. Dans un autre mode de réalisation, non représenté, la détente des gaz avant d'être conduits jusqu'à l'enceinte de q 1 refroidissement 48, est réalisée par un moyen de détente tel qu'une vanne de contre-pression. Nous allons à présent décrire le fonctionnement du dispositif de récupération de liquide 10 appliqué à la cathode 12 de la pile à combustible. La cathode 12 rejette par l'orifice d'échappement 13 un fluide diphasique 14, notamment composé d'eau liquide, de vapeur d'eau et d'air, à une pression globalement comprise entre 2 et 4 bars. Ce fluide diphasique 14 est directement injecté à io l'orifice d'injection 30 de l'enveloppe 16. La figure 2 représente en trait fléché le courant de fluide diphasique 14 injecté. Le courant de fluide sous pression 14 épouse la forme cylindrique circulaire de la paroi axiale interne 28 de l'enveloppe 16 et il suit alors un courant tourbillonnaire 15 descendant 14" le long de la paroi axiale 28 et autour du tube d'évacuation 34, dans un sens horaire selon la figure 2. L'eau liquide 24 est alors projetée contre la paroi axiale 28 dans l'enveloppe 16 sous forme de gouttes d'eau par effet de centrifugation. Les gouttes d'eau coulent par gravité le long de la 20 paroi axiale 28 jusqu'au fond 20 de l'enveloppe 16. L'eau s'écoule ensuite par la bonde 22 jusqu'à un réservoir d'eau 60. La paroi axiale 28 est refroidie par le fluide de refroidissement circulant dans l'enceinte de refroidissement 48 à l'extérieur de l'enveloppe 16. Ainsi, la vapeur d'eau 25 tourbillonnante adjacente à la paroi axiale 28 est refroidie jusqu'à atteindre son point de rosée. La vapeur d'eau se condense alors sur la paroi axiale 28 et coule jusqu'au réservoir 60 par l'intermédiaire de la bonde 22. Le courant tourbillonnaire descendant 14" se divise 30 globalement en une première couche interne constituée principalement de gaz " secs " et en une seconde couche externe qui est plus dense car elle comporte encore des éléments en phase liquide qui sont repoussés vers la paroi axiale 28 par la force centrifuge. 7 l Ainsi, la première couche annulaire interne du courant tourbillonnaire descendant 14" qui est adjacente au tube d'évacuation 34 s'engouffre dans la chambre annulaire comprise entre la bague 40 et le tube d'évacuation 34. Cette première 5 couche est principalement constituée d'air sec. En arrivant au niveau de l'extrémité inférieure 38 du tube d'évacuation 34, un mouvement de convection fait prendre au courant tourbillonnaire descendant " sec " 14"' un mouvement tourbillonnaire ascendant qui pénètre dans le tube d'évacuation 34 qui conduit le gaz 10 jusqu'à l'orifice d'évacuation des gaz 32. La seconde couche annulaire de courant tourbillonnaire descendant 14', qui est plus dense que la première, est adjacente à la paroi axiale 28 dans l'enveloppe 16 et elle poursuit un mouvement descendant jusqu'à atteindre le fond 20 de 15 I'enveloppe 16. L'effet de centrifugation qui projette l'eau contre la paroi axiale 28 se poursuit donc. Un mouvement de convection entraîne le fluide 14 à présent constitué principalement d'air et, en proportion moins importante de vapeur d'eau, en un courant tourbillonnaire 20 ascendant 14" adjacent à l'axe de vertical A en direction de l'extrémité inférieure 38 du tube d'évacuation 34 puis jusqu'à l'orifice d'évacuation des gaz 32. Les gaz " secs " sont évacués par l'orifice d'évacuation 32 sous une pression comprise entre 2 et 4 bars, et ils sont conduit 25 jusqu'à la turbine 54 à la sortie de laquelle ils sont détendus. Leur température a alors chuté proportionnellement à leur pression. Les gaz refroidis sont ensuite conduits jusqu'à l'enceinte de refroidissement 48 dans laquelle ils forment fluide de refroidissement. Les gaz refroidis sont alors extérieurement en 30 contact avec la paroi axiale 28 à travers laquelle ils refroidissent la vapeur d'eau circulant à l'intérieur de l'enveloppe 16. A cet effet, la paroi axiale 28 est avantageusement réalisée avec un matériau thermiquement non isolant, c'est-à-dire avec une bonne conductibilité thermique. Avantageusement la turbine 54 est reliée mécaniquement à une pompe 62, comme représenté sur la figure 3. L'énergie mécanique produite par la détente des gaz permet ainsi de pomper l'eau contenue dans le réservoir 60 vers un dispositif 64 5 qui est destiné à humidifier le comburant en amont de la cathode 12. Dans une autre variante d'application du dispositif de récupération 10, la turbine 54 est associé à un compresseur 66 qui comprime en amont de la cathode 12 le comburant destiné à io alimenter la cathode 12 par un orifice d'alimentation 68. Ces applications sont bien sr données à titre d'exemples non limitatifs. L'énergie mécanique produite par la détente des gaz dans la turbine 54 peut ainsi être récupérée pour d'autres application. REVENDICATIONS 1. Dispositif de récupération de liquide (10), et notamment d'eau liquide (24), contenu dans un fluide diphasique (14), du 5 type comprenant une enveloppe cylindrique de révolution (16) d'axe globalement vertical (A) fermée vers le haut par une paroi transversale supérieure (18), dont une extrémité supérieure (26) comporte un orifice tangentiel (30) d'injection sous pression du fluide diphasique (14), et dont le fond (20) a une forme 10 d'entonnoir convergeant vers le bas en un orifice axial inférieur (22) d'écoulement de liquide (24), et comprenant un orifice d'évacuation des gaz (32) traversant axialement la paroi transversale supérieure (18), et du type dans lequel l'enveloppe (16) est entourée extérieurement par un circuit de refroidissement 15 (48) du dispositif (10) qui comprend un orifice d'entrée (50) et un orifice de sortie (52) d'un fluide externe de refroidissement, caractérisé en ce que l'orifice d'évacuation des gaz (32) est relié à des moyens de détente des gaz (54), qui après détente constituent le fluide externe de refroidissement injecté à l'orifice 20 d'entrée (50) du circuit de refroidissement (48). 2. Dispositif (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de détente des gaz comportent une turbine (54). 3. Pile à combustible du type comportant une cathode (12) et une anode alimentées par un orifice d'alimentation (68) et dans au moins une desquelles circule un flux diphasique (14) sous pression qui est évacué par un orifice d'échappement (13), 30 caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, I'orifice d'échappement (13) de la pile étant relié à l'orifice tangentiel d'injection (30) du dispositif (10). 4. Pile à combustible selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'énergie mécanique produite par la détente des gaz dans la turbine (54) est communiquée à un compresseur (66) qui est notamment destiné à comprimer un gaz 5 d'alimentation notamment de la cathode (12) de la pile à combustible. globalement vertical A. L'enveloppe 16 est délimitée vers le haut par une paroi transversale supérieure 18, et vers le bas par un fond 20 en forme d'entonnoir qui converge vers le bas en une bonde axiale 22 par laquelle du liquide 24, et notamment de l'eau liquide, est susceptible de s'écouler. La partie supérieure 26 de la paroi axiale 28 de l'enveloppe 16 comporte un orifice tangentiel 30 d'injection du fluide diphasique 14 à l'intérieur de l'enveloppe 16. La disposition tangentielle de l'orifice d'injection 30 est destinée à conférer au 10 fluide 14 qui est injecté dans l'enveloppe 16, un mouvement tourbillonnaire autour de l'axe de révolution A. Cette disposition est illustrée à la figure 2. L'orifice d'injection 30 étant situé dans la partie supérieure 26 de l'enveloppe 16, le fluide 14 suit un courant tourbillonnaire 15 descendant le long de la paroi axiale cylindrique interne 28, qui est représenté par le trait fléché référencé 14' sur les figures 1 et 2. La paroi transversale supérieure 18 comporte un orifice axial 32 d'évacuation des gaz " secs ", c'est-à-dire ne comportant 20 plus de liquide. Un tube interne 34 concentrique à l'enveloppe 16 s'étend depuis l'orifice d'évacuation 32 vers le bas, globalement jusqu'à mihauteur de l'enveloppe 16. Le tube 34 est ouvert à sa première extrémité supérieure 36 qui est raccordée à l'orifice d'évacuation 25 32, et à sa seconde extrémité inférieure 38. Le tube 34 est destiné à canaliser un courant ascendant tourbillonnaire de gaz " secs " 14" sortant par l'orifice d'évacuation 32 et à le séparer du courant tourbillonnaire descendant de fluide diphasique 14' injecté par l'orifice d'injection 30 30. Le tube 34 sera donc appelé tube d'évacuation dans la suite de la description. Le dispositif 10 comporte aussi une bague cylindrique 40 qui entoure concentriquement l'extrémité inférieure 38 du tube d'évacuation 34. La bague 40 a un diamètre intermédiaire entre le