Brevet FR2921205A1 — publié le 20090320

Dispositif de conditionnement d'un gaz humide et application au condi-tionnement d'un gaz effluent de pile à combustible recirculé. La présente invention concerne un dispositif de conditionnement d'un gaz humide utilisable, notamment, pour conditionner du gaz effluent d'une pile à combustible afin de pouvoir le recirculer. Une pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons est un dispositif électrochimique de production d'énergie constitué d'un empile-ment de cellules cathodiques alimentées en gaz oxygénées et de cellules anodiques alimentées en gaz hydrogénées, séparées par des assemblages membrane-électrode. Dans ces dispositifs, le gaz hydrogéné qui alimente les cellules anodiques fournit des protons qui traversent l'assemblage membrane- électrode et qui viennent réagir avec l'oxygène du gaz oxygéné qui alimente les cellules cathodiques pour produire de l'eau. Cette réaction électrochimique est associée à une production d'électricité qui peut être récupéré aux bornes des cellules anodiques et cathodiques. L'eau qui est produite dans les cellules cathodiques est évacuée par le gaz effluent de ces cellules. Cependant, une partie de l'eau générée dans ces cellules cathodiques passe dans les cellules anodiques si bien qu'en sortie des cellules anodiques le gaz effluent contient également un peu d'eau. Le bon fonctionnement de ces piles à combustible nécessite un degré d'humidité suffisant de l'assemblage membrane électrode qui ne peut être ob- tenu qu'en assurant une humidité adaptée des gaz d'alimentation des cellules cathodiques et anodiques. Les taux d'humidité des gaz d'alimentation de la pile à combustible doivent être adaptés en fonction des points de fonctionne- ment de la pile à chaque instant de façon à optimiser le fonctionnement. Afin d'assurer une humidification des gaz d'alimentation de la pile à combustible, on a proposé d'utiliser des moyens divers tels que des roues enthalpiques, des humidificateurs à membranes, une recirculation de gaz anodique. Mais ces différentes solutions présentent des inconvénients notamment parce que les performances souhaitées sont difficiles à atteindre dans des encombrements acceptables notamment pour les piles destinées à être montées sur des véhicules automobiles. En outre, le pilotage de tels dispositifs est complexe car de nombreux paramètres physiques doivent être pris en compte si bien que ces solutions sont peu adaptées à l'intégration d'un système de pile à combustible embarqué sur des véhicules automobile. En particulier, pour la cellule anodique de la pile, l'utilisation d'architecture par recirculation de gaz effluent pour assurer l'humidification passive des membranes pénalise fortement l'implantation sur le véhicule au- tomobile. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de conditionnement de gaz bien adapté au traitement de gaz effluent recyclés d'une pile à combustible et notamment d'une pile à combustible implantée sur un véhicule automobile, et pouvant être piloté de façon fiable. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de conditionnement d'un gaz humide, qui comprend une alimentation en mélange polyphasique gaz/liquide débouchant dans une enceinte de conditionnement du gaz humide dans laquelle est disposé un moyen de séparation gaz/liquide, une cuve de récupération de liquide dans laquelle est disposé un moyen de vaporisation d'un liquide contenu dans la cuve de récupération relié à un moyen de commande et de fourniture d'énergie et une évacuation d'un mélange gaz/vapeur en sortie de l'enceinte de conditionnement du gaz humide, la communication entre l'enceinte de conditionnement et la cuve de récupération de liquide étant adaptée pour permettre simultanément l'écoulement d'un liquide depuis l'enceinte de conditionnement vers la cuve de récupération et le passage de vapeur depuis la cuve de récupération de liquide vers l'enceinte de conditionnement. De préférence, le dispositif comprend en outre un détecteur de niveau de liquide dans la cuve de récupération de liquide et une vanne de purge et le détecteur de niveau de liquide et, éventuellement, la vanne de purge sont reliées au moyen de commande et de fourniture d'énergie. La cuve de récupération de liquide peut, en outre, être reliée à une réserve de liquide par un circuit comprenant une vanne commandée par le moyen de commande et de fourniture d'énergie. De préférence, le moyen de vaporisation comprend au moins un émetteur d'ultrasons. Le moyen de séparation gaz/liquide peut être du type par coalescence comprenant, par exemple, un cyclone. Le moyen de séparation gaz/liquide peut, également être du type par filtration comprenant au moins un corps filtrant. L'invention concerne également une pile à combustible du type à membrane échangeuse de proton, dont au moins l'un des circuits d'alimentation en gaz hydrogène ou oxygène des cellules anodiques ou cathodique, respectivement, comprend une recirculation totale ou partielle du gaz effluent correspondant, dans laquelle le circuit de recirculation de gaz effluent comprend un dispositif de conditionnement de gaz. De préférence, le circuit d'alimentation en gaz qui comprend une recirculation du gaz effluent est le circuit d'alimentation des cellules anodiques et la recirculation est totale. De préférence, le dispositif de conditionnement de gaz est intégré dans la culasse de distribution des gaz de la pile à combustible. La pile peut notamment être adaptée pour alimenter un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative en regard des figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma de circuit d'alimentation en gaz de la cellule anodique d'une pile à combustible ; -la figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif de conditionnement de gaz humide ; - la figure 3 est un schéma de principe d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de conditionnement de gaz humide. La pile à combustible repérée généralement par 1 à la figure 1, et représentée de façon schématique, comporte une cellule cathodique 2 et une cellule anodique 3 séparées par un assemblage membrane électrode 4 qui comprend notamment une cellule échangeuse de protons connue en elle- même. La cellule cathodique comporte un circuit 5 d'alimentation en gaz oxygéné qui est en général de l'air. La cellule anodique comporte un circuit d'alimentation en hydrogène ou gaz hydrogéné 6 alimenté par une source de gaz hydrogéné ou d'hydrogène 7 par l'intermédiaire d'un détendeur 8. La cellule anodique 3 comporte un circuit d'évacuation de gaz effluant 9 qui alimente un circuit représenté généralement par 10 de recirculation de gaz effluant. Ce circuit de recirculation de gaz effluant comporte un dispositif 11 de conditionnement de gaz effluant qui alimente un moyen 12 permettant de mélanger le gaz effluant conditionné et le gaz hydrogéné provenant de la source d'hydrogène 7 de façon à alimenter la cellule anodique à travers le circuit d'alimentation 6. Le dispositif 12 peut être de différents types et par exemple, peut comporter un compresseur de gaz recirculé branché sur un piquage du circuit par-tant du détendeur 8 et allant vers la cellule anodique 3. Le dispositif 12 peut également être un dispositif de type ventury alimenté principalement par le gaz hydrogéné issu du détendeur 8 sur lequel est branché le circuit de gaz recyclé. De tels dispositifs sont connus de l'homme du métier. Le dispositif 11 de conditionnement d'un gaz humide comprend un moyen de séparation de phase et un moyen d'humidification du gaz. En effet le gaz effluant qui sort de la cellule anodique par le circuit 9, est un gaz qui entraîne de l'eau sous forme de gouttelettes. De ce fait, le gaz effluant est un mélange poly- phasique gaz/liquide constitué essentiellement de gaz et de gouttelettes d'eau dans le cas particulier de la pile à combustible. Ce mélange polyphasique doit être séparé en d'une part un gaz monophasique et d'autre part un liquide. Puis le gaz doit être réhumidifié à l'aide de vapeur d'eau de façon à obtenir en entrée de la cellule anodique un gaz monophasique hu- mide. On va maintenant décrire un premier mode de réalisation d'un dispositif de conditionnement de gaz humide adapté pour le conditionnement du gaz effluant d'une pile à combustible. Le dispositif de conditionnement de gaz humide repéré généralement par 110 à la figure 2 comprend une enceinte de conditionnement de gaz humide 111 dans laquelle est disposé un moyen de séparation gaz liquide 111A qui est un cyclone. A sa partie supérieure, l'enceinte de conditionnement 111 comporte une alimentation en mélange polyphasique gaz/liquide 112 et à sa partie inférieure elle communique directement avec une cuve de récupération de liquide 113. Sur la cuve de récupération liquide 113 est prévu un dispositif 114 de vaporisation par ultrasons. Un tel dispositif est un générateur d'ultrasons qui provoque une atomisation très fine du liquide de sorte que le liquide atomisé se vaporise très rapidement dans le gaz qui circule dans le dispositif. La cuve de récupération de liquide comporte, dans sa partie supérieure, un détecteur de niveau 115 et, à sa partie inférieure, une vanne 116 de purge qui est de préférence une électrovanne. En outre, la vue de récupéra- tion communique avec un circuit d'alimentation complémentaire en liquide qui comprend une électrovanne 117 alimentée par un réservoir 118 de liquide complémentaire. On notera que l'alimentation en liquide complémentaire n'est pas indispensable et peut être ajouté simplement à titre optionnel. Le moyen de vaporisation constitué d'un générateur d'ultrasons 114, le détecteur de ni- veau 115, l'électrovanne de purge 116 et éventuellement l'électrovanne d'alimentation en liquide complémentaire 117, sont reliés à un moyen d'alimentation en énergie et de commande 119 qui reçoit des consignes 120 de fonctionnement. Des consignes de fonctionnement étant élaborées par un dispositif de pilotage de la pile à combustible. L'ensemble des dispositifs gé- nère un gaz en sorte que l'air conditionné est évacué par un circuit d'évacuation 121. On va maintenant décrire de façon succincte le fonctionnement de ces dispositifs. Le mélange polyphasique gaz/liquide qui arrive par le circuit d'alimentation 112 pénètre dans l'enceinte de conditionnement 111. Le mélange polyphasique est alors mis en mouvement par le cyclone 111A et ce mouvement génère une séparation du gaz et du liquide. Le gaz reste à l'intérieur de l'enceinte de conditionnement 111 et le liquide s'écoule par gravi-té dans la cuve de récupération de liquide 113. Le liquide qui est dans la cuve de récupération de liquide 113 étant soumis aux ultrasons générés par le générateur d'ultrasons 114 est atomisé et le liquide atomisé se vaporise et la va-peur ainsi produite s'élève au dessus de la surface du liquide et monte à l'intérieur de l'enceinte du conditionnement de liquide 111. Cette vapeur se mélange avec le gaz qui a été séparé par le séparateur. Le mélange de gaz et de vapeur qui est ainsi monophasique, est alors évacué par le circuit d'évacuation 121 et fournit ainsi un gaz humide monophasique qui peut être utilisé pour alimenter le circuit d'alimentation de la pile d'une cellule de pile à combustible. Lorsque le capteur de niveau 115 détecte un niveau insuffisant de liquide dans la cuve de récupération de liquide 113, le moyen de commande 119 peut soit faire interrompre la génération d'ultrasons soit, si le dispositif comporte un circuit d'alimentation en gaz en liquide complémentaire, engen- drer une alimentation en gaz en ouvrant l'électrovanne 117. Lorsque le niveau de liquide dans la cuve de récupération 113 est revenu à un niveau normal, le moyen de commande coupe l'alimentation en liquide complémentaire et ferme l'électrovanne 117. Lorsque que le niveau de liquide dans la cuve de récupération 113 est trop élevé, le détecteur de niveau 115 envoie un signal au moyen de commande 119 qui alors ouvre l'électrovanne de purge 116 de façon à évacuer l'excédent d'eau. Lorsque cet excédent d'eau est évacué, le système de commandes referme l'électrovanne 116. L'intensité de la production de vapeur peut être régulé en régulant la puissance qui est envoyée au dispositif de vaporisation constitué du générateur d'ultrasons 114. Cette consigne peut être élaborée à partir d'une consigne provenant du système de pilotage de la pompe par l'intermédiaire de la consigne 120. Ce dispositif a l'avantage de pouvoir être implanté directement dans la culasse d'alimentation en gaz de la cellule d'une pile à combustible. En effet il suffit d'avoir une cellule du type cyclonique avec un point bas sur lequel on a simplement implanté un dispositif de génération d'ultrasons et sur lequel on peut brancher une évacuation d'eau ou une alimentation en eau. L'homme du métier sait réaliser une intégration d'un tel dispositif dans une cellule de pile à combustible. A la figure 3 on a représenté un deuxième mode de réalisation d'un dis-positif de conditionnement de gaz humide adapté à l'alimentation d'une pile à combustible et qui est repéré généralement par 210. Ce dispositif se distingue du précédent uniquement par l'enceinte de conditionnement de gaz humide 211 dans laquelle est disposée un moyen de séparation gaz liquide 211A qui est du type par filtration et qui est constitué d'un corps filtrant tel qu'un tampon qui reçoit en entrée du gaz polyphasique provenant de l'alimentation 212. Dans ce corps filtrant, le gaz polyphasique perds sa phase liquide et ressort sous forme gazeuse. Le liquide qui est récupéré dans le corps filtrant 211A tombe par gravité dans la cuve de récupération de liquide 113 dans la partie basse du dispositif, où il est vaporisé pour humidifier le gaz qui circule dans l'enceinte 211. Le gaz conditionné est évacué par une évacuation 211. On ne décrira pas en détail la partie inférieure du dispositif qui, comme dans le cas précédent, comporte une cuve de récupération de liquide 113, un dispositif de vaporisation comportant un générateur d'ultrasons 114, une mesure de niveau 115, une électrovanne de purge 116, une électrovanne d'un circuit d'alimentation en liquide complémentaire 117 à partir d'un réservoir de liquide complémentaire 118 et un moyen de commande 119 recevant des consignes 120 depuis un dispositif de pilotage de la pile à combustible. Ce dispositif comme le précédent peut être intégré dans la culasse du 15 système d'alimentation en gaz d'une pile à combustible. Le dispositif qui vient d'être décrit est particulièrement adapté à l'alimentation de la pile à combustible monté sur un véhicule automobile. Ce dispositif a été décrit pour conditionner le gaz du circuit de recirculation des effluents d'une cellule anodique de la pile à combustible. Mais ce dispositif 20 peut également être utilisé pour conditionner le gaz de recirculation issu du circuit cathodique de la pile à combustible. Dans ce cas, comme l'homme du métier sait le réaliser, le circuit se distingue du précédent simplement par le fait que la recirculation ne concerne pas la totalité du gaz effluent mais simplement une partie de ce gaz effluent. De ce fait il est nécessaire de prévoir 25 sur le circuit des moyens pour piloter la proportion de gaz effluent qui passe et qui est recirculé. La pile a combustible qui est équipée de ces moyens de conditionnement de gaz effluent est particulièrement adaptée à l'alimentation d'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile. 30 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de conditionnement d'un gaz humide (110, 210), caractérisé en ce qu'il comprend une alimentation en mélange polyphasique gaz/liquide (112, 212) débouchant dans une enceinte de conditionnement du gaz humide (111, 211), dans laquelle est disposé un moyen de séparation gaz/liquide (111A, 211A), une cuve de récupération de liquide (113) dans laquelle est dis-posé un moyen (114) de vaporisation d'un liquide contenu dans la cuve de récupération relié à un moyen de commande et de fourniture d'énergie (119) et une évacuation d'un mélange gaz/vapeur (121, 221) en sortie de l'enceinte de conditionnement du gaz humide, la communication entre l'enceinte de conditionnement (111, 211) et la cuve de récupération de liquide (113) étant adaptée pour permettre simultanément l'écoulement d'un liquide depuis l'enceinte de conditionnement vers la cuve de récupération et le passage de vapeur depuis la cuve de récupération de liquide vers l'enceinte de condition- nement. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un détecteur de niveau de liquide (115) dans la cuve de récupération de liquide (113) et une vanne de purge (116) et en ce que le détecteur de ni-veau de liquide, le moyen de vaporisation et, éventuellement, la vanne de purge sont reliées au moyen de commande et de fourniture d'énergie (119). 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'en outre, la cuve de récupération de liquide (113) est reliée à une réserve de liquide (118) par un circuit comprenant une vanne (117) commandée par le moyen de commande et de fourniture d'énergie (119). 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de vaporisation (114) comprend au moins un émetteur d'ultrasons. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de séparation gaz/liquide est du type par coalescence comprenant, par exemple, un cyclone (111A). 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de séparation gaz/liquide est du type par filtration comprenant au moins un corps filtrant (211A). 7.- Pile à combustible (1) du type à membrane échangeuse de proton, dont au moins l'un des circuits d'alimentation en gaz hydrogène (6) ou oxygène (5) des cellules anodiques (3) ou cathodique (2), respectivement, comprend une recirculation totale ou partielle du gaz effluent correspondant, carac- térisée en ce que le circuit de recirculation (10) de gaz effluent comprend un dispositif de conditionnement de gaz (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8.- Pile à combustible (1) selon la revendication 7, caractérisée en ce que le circuit d'alimentation en gaz qui comprend une recirculation du gaz ef- fluent est le circuit (6) d'alimentation des cellules anodiques (3) et en ce que la recirculation est totale. 9.- Pile à combustible (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement de gaz (11) est intégré dans la culasse de distribution des gaz de la pile à combustible. 10.- Pile à combustible (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'elle est adaptée pour alimenter un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile.