Brevet FR2837025A1 — publié le 20030912

L'invention concerne les piles à combustible. Les piles à combustible à membranes échangeuses de protons (PEMFC) produit de l'électricité à partir de la réaction chimique de synthèse de l'eau : H2 + 1/2 02 H20 Lorsque c'est possible, l'oxygène à la cathode provient de l'air atmosphérique, c'est le cas, par exemple, dans les applications automobiles. Un circuit de refroidissement assure la gestion thermique du système, le liquide de refroidissement utilisé est la plus part du temps de l'eau. Les effluents anodiques et cathodiques sont post-traités pour optimiser le rendement et assurer l'approvisionnement en eau du système. Cependant pour fonctionner convenablement, les membranes constituant l'anode et la cathode doivent être maintenues à un niveau d'humidité suffisant, pour cela il est généralement prévu un système d'humidification de ces membranes. Dans les systèmes existants, appliqués à la pile à combustible, le système peut être humidifié de différentes manières sur la ligne anodique ou cathodique. Deux principales architectures sont possibles soit par un circuit d'humidification indépendant, soit par un circuit d'humidification intégré à un organe composant usuellement le système de pile à combustible. Ces architectures proposées actuellement utilisent des organes spécifiques pour l'humidification, ce qui complexifie la résistance au gel de l'eau pure utilisée pour l'humidification car par exemple dans le cas de l'utilisation d'une technologie à membranes, celles-ci doivent être protégées contre le gel. Par ailleurs, elles ne proposent pas toutes des solutions précises si elles sont passives ou encore proposent des régulations gourmandes en besoin énergétique comme la haute pression pour l'injection. Lorsque l'humidification est réalisée par des organes extérieurs, l'augmentation de volume consécutif à leur mise en place est pénalisant pour les applications embarquées telles que des véhicules. La présente invention permet de résoudre ces problèmes en proposant un système à la fois peu encombrant, économique en eau et en électricité. La pile à combustible selon l'invention est caractérisée en ce que le système d'humidificateur d'air est intégré au système de refroidissement et que le circuit de refroidissement comporte un réservoir à eau qui combine les fonctions de boite de dégazage du circuit de refroidissement et d'humidificateur de l'air entrant dans la pile. L'amenée de l'eau à pulvériser est assurée par le circuit de refroidissement lui-même, ne nécessitant pas de système ou pompe particulier. Il n'est plus nécessaire de prévoir un système particulier de protection contre le gel, celui-ci étant prévu par ailleurs dans le circuit d'eau. Le gain en volume d'eau embarquée correspond au volume des tuyaux. On obtient ainsi une diminution de volume, car il n'est plus besoin de prévoir une chambre de mélange spécifique ou un humidificateur indépendant. Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'humidification est faite par un organe de pulvérisation. Le contrôle du débit d'eau pulvérisée n'est pas effectué par une électrovanne mais par l'organe de pulvérisation lui-même d'où une économie de contrôle. Selon une caractéristique de l'invention, l'organe de pulvérisation pulvérise l'eau par ultrasons à l'aide d'un transducteur électromécanique. Ce type de pulvérisation permet de contrôler le débit d'eau par le contrôle soit en durée, soit en intensité du transducteur électromécanique. Le contrôle de la taille des gouttelettes est assuré par les caractéristiques du système de pulvérisation, par exemple la forme de la buse, les caractéristiques des ultrasons utilisés (fréquence, intensité). Si les gouttelettes sont trop grosses il risque de se former des bouchons d'eau dans les canalisations d'arrivée d'air ou d'oxygène de la pile. Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'organe de pulvérisation est un transducteur. Selon une variante de l'invention, le compresseur d'air est placé après le réservoir. Il est préférable de mettre l'organe d'humidification avant le compresseur car la pulvérisation par ultrason n'est pas efficace au dessus d'une certaine pression, de plus la compression d'air humidifiée est plus rentable sur le plan énergétique car elle est meilleure pour le rendement du compresseur. Il sera cependant possible pour des raisons d'encombrement ou d'adaptation du compresseur de le mettre après le réservoir. La longueur de tuyau nécessaire à l'évaporation des gouttes devra alors être maintenue entre l'organe d'humidification et la pile ou une boîte de décantation prévue avant la pile. Selon une première variante l'organe de pulvérisation est placé autour du jet de retour du circuit de refroidissement. L'organe de pulvérisation est une buse qui est alimentée par l'eau du retour du circuit de refroidissement et qui canalise les ondes ultrasoniques qui permet d'émettre un nuage de gouttelettes d'eau à la surface du jet entrant dans le réservoir et humidifie ainsi l'air qui traverse la partie libre d'eau du réservoir. Selon une deuxième variante, l'organe de pulvérisation est disposé sous un compartiment spécifique du réservoir. Le réservoir comporte un compartiment latéral placé près de la surface de l'eau et sous lequel est placé l'organe de pulvérisation de telle façon que les ondes émises convergent à la surface de l'eau pour créer un nuage de gouttelettes. Selon une troisième variante, l'organe de pulvérisation est disposé sur le coté du réservoir près de la surface de l'eau. Selon une caractéristique particulière de la troisième variante, une surface réfléchissante coopère avec l'organe de pulvérisation. Cette surface est de forme particulière pour que les ondes convergent à la surface de l'eau, comme par exemple parabolique. Selon une caractéristique particulière de la troisième variante, la surface réfléchissante est imperméable et placée en dessous du retour du circuit de refroidissement. La surface réfléchissante forme ainsi un petit réservoir dans lequel l'eau du circuit des refroidissement viennent se déverser et qui déborde dans le réservoir si la quantité d'eau arrivant est trop importante. Selon une quatrième variante, l'organe de pulvérisation est disposé sous la surface de l'eau du réservoir. L'organe de pulvérisation doit être placé suffisamment près de la surface pour que des gouttelettes puissent de détacher de la surface. L'invention offre donc : - un gain important de place, primordial dans les applications automobiles en combinant les fonctions d'organes de refroidissement et d'humidification, - une régulation précise de la quantité d'eau pulvérisée qui autorise un contrôle du phénomène, - un volume d'eau pure ainsi réduit du volume des tuyaux supprimés, - si l'organe de pulvérisation est placé en amont de l'organe de compression, un rendement du compresseur amélioré et une évaporation de l'eau facilitée, - pas de système de mise hors gel spécifique nécessaire car il est prévu par ailleurs dans la boucle de refroidissement, - un besoin énergétique nécessaire pour la fonction humidification limité au contrôle de l'émetteur d'ultrason et au capteur d'humidité. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'un système pile à combustible avant l'invention, la figure 2 est un schéma d'un système pile à combustible selon l'invention, la figure 3 est un schéma d'un système de pile à combustible selon une variante préférée de l'invention, la figure 4 est une vue détaillée du réservoir d'eau selon une première variante de l'invention, la figure 5 est une vue détaillée du réservoir selon une deuxième variante de l'invention, ta figure 6 est une vue détaillée du réservoir selon une troisième variante de l'invention, ta figure 7 est une vue détaillée du réservoir selon une quatrième variante de l'invention, Les piles à combustible 1 actuelles, comme représentée à la figure 1, sont constitués d'une anode 2 et d'une cathode 3. L'hydrogène arrive par une canalisation 20 et l'oxygène sous forme d'air par la canalisation 30. L'air extérieur étant trop sec, il doit être humidifié avant son passage dans la pile 1. Il est donc humidifié par un humidificateur 4. L'humidificateur 4 est alimenté en eau par un réservoir 5. La pile dégageant beaucoup de chaleur doit être refroidie par un circuit de refroidissement. Ce circuit est alimenté en eau par le réservoir 5. L'eau entraînée par une pompe 6 passe à travers un échangeur de chaleur 7 qui la refroidit avant son entrée dans la zone de refroidissement 8 de la pile à combustible 1. L'eau arrive ensuite dans l'humidificateur 4 pour réguler la température et le taux d'humidité de l'air entrant dans la pile 1. La réaction de la pile produisant de la vapeur d'eau, une partie de celle-ci est condensée par un passage dans un condenseur 9a et un séparateur de phase 9b permet d'extraire l'eau obtenue et la réinjecter dans le réservoir d'eau 5 par la pompe 9c. On voit bien dans cette description la complexité du système. La pile à combustible 1 selon l'invention, comme représenté aux figures 2 et 3 diffère en ce que l'humidificateur est intégré au réservoir d'eau 5. Comme on le voit aux figures 2 et 3, l'air arrive dans le réservoir 5 par la canalisation 50. Le réservoir 5 est rempli d'eau 51 (cf. figure 4,5, 6 et 7) qui arrive par le circuit de refroidissement 52 et par l'eau condensée à la sortie de la pile par la canalisation 53. Un bouchon taré 55 permet le remplissage du réservoir 5 si nécessaire et assure l'adaptation de la pression et éventuellement le dégazage du réseau. Un capteur de niveau 56 détermine s'il est nécessaire de recycler l'eau sortant de la pile. Une partie de l'eau du réservoir 5 sert à alimenter le circuit de refroidissement par la canalisation 54 et à humidifier l'air entrant dans le réservoir 5. Un compresseur 40 (cf. figure 2) comprime l'air dès son entrée dans le circuit d'arrivée d'air avant son entrée dans le réservoir 5. Dans la variante préférée représentée à la figure 3, le compresseur d'air 40 est placé après le réservoir 5. Cela présente un certain nombre d'avantages dans le cas où l'on utilise la pulvérisation par ultrason : - meilleure efficacité de la pulvérisation, - la compression de l'air humidifiée est plus rentable sur le plan énergétique. L'humidification de l'air est réalisée par un organe de pulvérisation d'eau 57 tel qu'un transducteur piézo-électrique par exemple qui pulvérise l'eau 51 à sa surface grâce aux ondes 57d. Un capteur amont d'humidité 59 mesure l'humidité de l'air et un contrôle 59a permet une régulation très fine de la quantité d'eau nécessaire. L'air ainsi humidifié est injecté à la cathode de la pile 1 par la canalisation 30. Selon la première variante présentée à la figure 4, l'organe de pulvérisation 57 est placé à l'entrée d'une buse 57a qui est traversée par le retour du circuit de refroidissement 52 et qui arrive au dessus de la surface de l'eau du réservoir 5. Selon une deuxième variante représentée à la figure 5, le réservoir comporte un compartiment stabilisateur 5a communiquant avec le réservoir 5 et qui est placé près de la surface de l'eau. L'organe de pulvérisation 57 est placé sous le compartiment 5a. La sortie de l'organe 57 est légèrement courbé afin que les ondes 57d convergent et la hauteur du compartiment est telle que les ondes émises 57d par l'organe de pulvérisations convergent à la surface de l'eau de façon à émettre un nuage de gouttelettes. L'arrivée d'air 50 est placée au dessus de la surface du compartiment 5a et l'air humidifié repart par la canalisation 30 disposée sur un des cotés du compartiment 5a. Le compartiment 5a communique avec le réservoir 5. Selon une troisième variante représentée à la figure 6, l'organe de pulvérisation 57 est placé près de la surface de l'eau. Une surface réfléchissante 57c est placée sous la surface et en vis à vis de l'organe de pulvérisation 57 et réfléchit les ondes émises 57 d pour les faire converger vers la surface de l'eau. La surface 57c est par exemple parabolique. Cette surface peut être étanche ou non. Si elle est étanche, elle forme alors une sorte de compartiment 57c comme pour la variante précédente. Ce compartiment est alimenté en eau par la canalisation 52 qui y débouche directement. L'eau déborde en 57b par dessus le bord du compartiment 57c s'il y a un trop plein. Selon la quatrième variante représentée à la figure 7, l'organe de pulvérisation 57 est placé sous la surface de l'eau à une profondeur telle que ses rayons 57d convergent à la surface de l'eau comme dans le seconde variante. La pile selon l'invention fonctionne de la façon suivante : L'air contenant l'oxygène nécessaire à la réaction de la pile arrive de l'extérieur par un conduit 41 et passe dans un compresseur 40 puis est dirigé par le conduit 50 vers le réservoir d'eau 5 où il est humidifié, comme on le voit à la figure 2. Il arrive ensuite à la pile 1, où la réaction se produit, par la canalisation 30. Dans la variante préférée représentée à la figure 3, le compresseur 40 est placé après le réservoir 5 par la canalisation 50, donc dans ce cas l'air arrive directement dans le réservoir 5 où il est humidifié puis il passe dans le compresseur 40 par la canalisation 42 où il est comprimé pour arriver à la pile 1. Le circuit de refroidissement s'approvisionne d'eau dans le réservoir 5 grâce à une pompe 6, l'eau passe ensuite dans un refroidisseur 7 puis arrive à la pile 1 où elle la refroidit, puis l'eau retourne au réservoir 5 par une canalisation 52 (cf. figure 2 ou 3). Un clapet anti-retour 58 assure que l'air ne s'échappe pas par le circuit de recyclage des condensas et dégrade les performances du système (cf. figures 4 à 7). Selon les variantes, la pulvérisation de l'eau a lieu sur une surface plane (cf figure 5 à 7) ou cylindrique (cf figure 4). Selon la première variante représentée à la figure 4, la pulvérisation a lieu sur le jet d'eau 520 de retour du circuit de refroidissement 52. L'eau passe par une buse 57a comprenant l'organe de pulvérisation 57 qui pulvérise l'eau autour du jet 520 en faisant converger les ondes sonores 57d à la surface du jet 520. Un nuage de vapeur se forme dans le réservoir 5 et humidifie ainsi l'air entrant dans la pile 1. Selon la deuxième variante représentée à la figure 5, l'organe de pulvérisation 57 est placée sous le compartiment 5a. La hauteur du compartiment 5a est telle que les ondes sonores émises 57d par l'organe 57 convergent vers la surface de l'eau. Les ondes 57d en excitant l'eau forme un nuage de gouttelettes d'eau à sa surface. L'air entrant dans le compartiment 5a arrive par la canalisation 50 juste au dessus de l'eau et est ainsi humidifiée pour ensuite être envoyée vers la pile par la canalisation 30 située latéralement. Selon la troisième variante représentée à la figure 6, les ondes sonores émises 57d par l'organe de pulvérisation 57 sont réfléchies sur la surface réfléchissante 57c placée dans le réservoir 5 et convergent vers la surface de l'eau où se forme un nuage de gouttelettes comme dans les précédentes variantes. Si la surface 57c est imperméable, elle forme un compartiment 57c et comme la canalisation 52 arrive dans le compartiment 57c, il y a toujours un niveau minimum d'eau qui garantit l'humidification de l'air même si le niveau d'eau dans le réservoir est inférieur au niveau du compartiment 57c, de même si le niveau d'eau devient trop important celle-ci déborde 57b vers le réservoir 5. Selon la quatrième variante présentée à la figure 7, l'organe de pulvérisation 57 est placé à une profondeur dans le réservoir 5, telle que les ondes sonores 57d convergent vers la surface pour former un nuage de gouttelettes comme dans les précédentes versions. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible (1) comprenant un système humidificateur d'air et un système de refroidissement, le système d'humidificateur d'air est intégré au circuit de refroidissement caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comporte un réservoir à eau (5) qui combine les fonctions de boite de dégazage du circuit de refroidissement et d'humidificateur de l'air entrant dans la pile. 2. Pile à combustible (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'humidification est faite par un organe de pulvérisation (57). 3. Pile à combustible (1) selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'organe de pulvérisation (57) pulvérise l'eau par ultrasons. 4. Pile à combustible (1) selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'organe de pulvérisation (57) est un transducteur. 5. Pile à combustible (1) selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que le compresseur d'air (40) est placé après le réservoir (5). 6. Pile à combustible (1) selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'organe de pulvérisation (57) est placé autour du jet de retour (52) du circuit de refroidissement. 7. Pile à combustible (1) selon une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'organe de pulvérisation (57) est disposé sous un compartiment spécifique (5a) du réservoir (5). 8. Pile à combustible (1) selon une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'organe de pulvérisation (57) est disposé sur le coté du réservoir (5) près de la surface de l'eau. 9. Pile à combustible (1) selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'une surface réfléchissante (57c) coopère avec l'organe de pulvérisation (57). 10. Pile à combustible (1) selon la revendication 9 caractérisé en ce que la surface réfléchissante (57c) est imperméable et placée en dessous du retour (52) du circuit de refroidissement. 11. Pile à combustible (1) selon une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'organe de pulvérisation (57) est disposé sous la surface de l'eau du réservoir (5).