Brevet FR3045503A1 — publié le 20170623

Dispositif d'aspersion, système d'aération et système de climatisation comprenant un tel dispositif d'aspersion L'invention concerne un dispositif d'aspersion ainsi qu'un 5 système d'aération et un système de climatisation comprenant un tel dispositif d'aspersion. Elle est en particulier destinée à être utilisée dans un habitacle de véhicule. Il est connu de nébuliser de l'eau dans l'habitacle d'un véhicule. 10 Les microgouttes d'eau nébulisées sont diffusées avec un flux d'air, de sorte qu'elles s'évaporent en provoquant un abaissement de température du fait de la chaleur latente de vaporisation qui est alors absorbée. Une telle solution permet de pallier au moins partiellement l'absence de climatiseur ou d'améliorer le rafraîchissement de l'habitacle quand un tel climatiseur est présent, en mettant à 15 disposition un flux d'air d'appoint pouvant être dirigé en n'importe quel endroit de l'habitacle. Ledit flux d'air est en outre susceptible d'apporter une impression d'humidification de l'habitacle. Un inconvénient des dispositifs d'aspersion connus est que l'eau est stockée dans un réservoir où elle peut stagner pendant de longues périodes 20 quand le dispositif d'aspersion n'est pas utilisé. Un développement de microorganismes, en particulier de bactéries, risque de la sorte de se produire, conduisant au dégagement de mauvaises odeurs et/ou générant un risque sanitaire. De plus, l'eau prévue pour la nébulisation étant stockée dans un réservoir, l'utilisateur doit en surveiller le niveau et de temps en temps remplir le 25 réservoir d'une eau appropriée. Par ailleurs, on sait que la pile à combustible fait l'objet de nombreux développements car elle apparait comme une solution prometteuse pour proposer un véhicule « zéro émission », ni CO2, ni polluant ou particule, tout en offrant des autonomies proches de celles d'un véhicule thermique 30 traditionnel et des temps de recharge avantageux. 3045503 2 Une pile à combustible à membrane d'échange de protons (ou PEMFC pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell) est un réacteur électrochimique comprenant deux électrodes, une anode et une cathode, séparées par une membrane non conductrice mais pouvant être traversée par des ions H. Cette pile à combustible produit de l'électricité et de la chaleur en faisant réagir : - d'une part, à l'anode, de l'hydrogène qui se dissocie en H+ et 5 par catalyse ; les électrons sont libérés dans l'électrode connectée à un circuit électrique et les ions H+ traversent la membrane, - d'autre part, à la cathode, de l'air, dont les molécules de dioxygène se recombinent avec les ions H+ qui ont traversé la membrane et les électrons apportés par le circuit pour produire de l'eau et de la chaleur. Une différence de potentiel apparait entre les électrodes. La pile comporte en outre à la cathode un circuit de recirculation de mélange d'air et d'eau, car une partie de l'eau produite est réutilisée pour humidifier la membrane. En effet, le bon fonctionnement de la membrane, en particulier sa conductivité ionique, dépend d'une bonne humidification. L'eau transite en général par diffusion au travers d'un film poreux dans un humidificateur. L'eau produite est d'une grande pureté. L'invention se propose de valoriser cette eau pour le confort des passagers du véhicule et vise à pallier les inconvénients mentionnés plus haut. Elle propose à cette fin un dispositif d'aspersion pour véhicule comportant une pile à combustible, ladite pile à combustible comportant un moyen d'évacuation de l'eau produite par la réaction de dihydrogène et de dioxygène, ledit dispositif comportant : - Des moyens de diffusion dans l'habitacle du véhicule de l'eau produite par ladite pile, sous la forme de microgouttelettes - Au moins une canalisation pour relier ledit moyen d'évacuation et lesdits moyens de diffusion. 3045503 3 Il s'agit d'utiliser l'excès d'eau produit par une pile à combustible, par exemple du type comprenant au moins une cellule de réaction de dihydrogène et de dioxygène à membrane, dans un brumisateur en vue d'apporter un confort additionnel aux passagers, grâce à son effet rafraichissant 5 et à un meilleur contrôle de l'humidité dans l'habitacle lorsque la climatisation est activée. La nébulisation, particulièrement dédiée aux passagers arrière, ne se substitue pas au système principal de ventilation ou de climatisation, quand il existe, mais vient le compléter pour apporter un meilleur confort thermique à l'ensemble des passagers tout en réduisant la consommation globale du système 10 de climatisation. Le dispositif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - Il peut comporter en outre un moyen de stockage d'eau 15 monté sur la canalisation, - Le moyen de stockage peut comporter un réservoir, - Le dispositif d'aspersion peut comporter en outre un moyen de séparation d'eau liquide et de vapeur d'eau monté sur la canalisation, 20 - Il peut comporter en outre un moyen de séparation d'eau liquide et de vapeur d'eau intégré au moyen de stockage, - Le moyen de séparation d'eau liquide et de vapeur d'eau peut comporter un déflecteur ou un tuyau coudé internes au moyen de stockage ou une arrivée verticale en utilisation 25 dans le moyen de stockage, - Le dispositif d'aspersion peut comporter une canalisation d'évacuation d'excès de vapeur et/ou d'eau, - Le moyen de stockage peut être relié à la canalisation d'évacuation, 3045503 -4 - Le dispositif d'aspersion peut comporter des moyens de dissipation et/ou d'absorption de calories, notamment disposés sur le moyen de stockage, - Le moyen de stockage peut avoir une forme qui va en 5 rétrécissant vers le bas en utilisation, - Le moyen de stockage peut comporter une purge, - Le dispositif d'aspersion peut comporter un moyen de reminéralisation de l'eau produite par la pile, - Les moyens de diffusion peuvent comporter au moins un 10 nébuliseur, - Le ou les nébuliseurs peuvent être situés en extrémité de la ou des canalisations reliant ledit moyen d'évacuation et lesdits moyens de diffusion, - Les moyens de diffusion peuvent comporter en outre au 15 moins une pompe, - Ladite pompe peut être montée sur la ou les canalisations reliant ledit moyen d'évacuation et lesdits moyens de diffusion. L'invention porte également sur : 20 - un ensemble d'une pile à combustible et d'un dispositif d'aspersion tel qu'évoqué plus haut, - un système de ventilation pour véhicule électrique comportant une pile à combustible, ledit système comprenant au moins un dispositif d'aspersion tel qu'évoqué plus haut, 25 - un système de climatisation pour véhicule électrique comportant une pile à combustible, ledit système comprenant au moins un dispositif d'aspersion tel qu'évoqué plus haut. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, 30 caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de 3045503 5 la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 est un schéma de principe illustrant le 5 fonctionnement d'une cellule de réaction de dihydrogène et de dioxygène à membrane, La figure 2 est une vue schématique d'une pile à combustible comportant plusieurs cellules et ses circuits annexes, La figure 3 est une vue schématique d'une première variante de 10 dispositif d'aspersion selon l'invention, La figure 4 est une vue schématique d'une deuxième variante de dispositif d'aspersion selon l'invention, Les figures 5A, 5B et 5C illustrent trois modes de réalisation d'un réservoir d'un dispositif d'aspersion conforme à l'invention. 15 La figure 1 illustre le fonctionnement d'une cellule 50 de réaction de dihydrogène et de dioxygène à membrane, au sein de laquelle ont lieu les réactions chimiques qui sont décrites plus haut et qui ne seront pas rappelées. Le coeur de la cellule est constitué par une membrane M en matériau polymère, 20 par exemple en NafionTM. Cette membrane est non conductrice, étanche aux gaz, et elle est très mince (quelques microns) pour pouvoir être traversée par des ions H. De part et d'autre de la membrane M s'étendent une anode El et une cathode E2. 25 La cellule 50 est alimentée en dihydrogène H2 à l'anode El. A l'anode est associé un catalyseur (non représenté) qui favorise la dissociation du dihydrogène en le et e-. Les électrons produits sont évacués par un circuit électrique 60 branché sur l'anode El et les ions le traversent la membrane M. La cellule est alimentée en dioxygène 02 de l'air à la cathode E2. 30 Cette cathode est reliée au circuit électrique 60. Les molécules de dioxygène 3045503 6 réagissent avec les ions H+ et les électrons disponibles sur la cathode pour former de l'eau, cette réaction étant exothermique. La cellule produit donc à la cathode un mélange diphasique d'air appauvri en dioxygène mais saturé en eau, et d'eau liquide. 5 La figure 2 illustre une pile 100 comportant une pluralité de cellules avec ses circuits d'alimentation. Du côté anode, la pile 100 est reliée à un circuit d'alimentation en dihydrogène 110 comportant un réservoir 111 et un circuit d'alimentation de la pile et de recirculation 112 du dihydrogène non consommé Du côté cathode, la pile 100 comporte un circuit 120 comportant un 10 humidificateur d'air 121 prévu pour humidifier l'air extérieur. En effet, les membranes M de la pile 100 doivent être humidifiées, ni trop ni trop peu, pour fonctionner correctement. Cet humidificateur d'air 121 est alimenté en mélange diphasique produit par la pile par une canalisation 123, cette canalisation pouvant comporter une pompe 123a. 15 L'humidificateur 121 comporte une membrane M2 laissant passer la vapeur d'eau mais pas l'air, elle se comporte par exemple comme un buvard. Il est alimenté en air chaud et humide par la canalisation 123 et en air extérieur par une entrée d'air 124. Au sein de cet humidificateur, l'air chaud et humide transmet de la vapeur d'eau à l'air extérieur. Il comporte une évacuation 20 122 du mélange diphasique d'air et d'eau produit par la pile 100. Les ordres de grandeur sur les débits d'eau concernés, pour une ambiance à 45°C et 40% d'humidité, sont les suivants : - en roulage urbain à une vitesse moyenne de 30 km/h, la demande de puissance électrique moyenne est voisine de 7 kW, et le débit d'air 25 nécessaire à la pile d'environ 30 kg/h pour un coefficient stoechiométrique de 1,8. La pile produit donc 3,6 kg/h d'eau, dont 1,1 kg/h évacué sous forme de vapeur, 0,3 kg/h utilisé pour humidifier l'air en entrée de pile, et donc environ 2,2 kg/h récupérable sous forme de condensat à 50°C ; 3045503 -7 - en roulage autoroutier à une vitesse moyenne de 100 km/h, la demande de puissance électrique moyenne est de 30 kW, et le débit d'air nécessaire à la pile d'environ 125 kg/h. La pile produit donc 20,3 kg/h, dont 1,4 kg/h évacué sous forme de vapeur, 4 kg/h utilisé pour 5 humidifier l'air en entrée de pile, et donc environ 5 kg/h récupérable sous forme de condensat à 70°C. On voit qu'en moyenne la quantité d'eau récupérable sous forme liquide sans condensation additionnelle est de l'ordre de 2 à 5 kg/h selon les conditions de roulage. Cette quantité d'eau est tout à fait suffisante pour répondre 10 aux besoins d'un brumisateur d'habitacle de véhicule. La figure 3 illustre une pile 100 et une première variante de dispositif d'aspersion 200 branché sur la pile. Le dispositif d'aspersion comporte une canalisation 210 connectée au moyen d'évacuation 122 de l'humidificateur 121, qui reçoit donc l'eau produite par la pile 100. La canalisation 210 est, en 15 aval de l'humidificateur 121, connectée à des moyens de diffusion de l'eau qui seront décrits plus loin. La figure 3 n'illustre qu'une seule canalisation 210 comportant un seul nébuliseur 260, mais bien sûr le dispositif selon l'invention pourrait comporter plusieurs canalisations 210, comportant le cas échéant plusieurs 20 nébuliseurs 260. Sur la canalisation 210 est monté un réservoir 220, prévu pour stocker l'eau reçue en attendant son utilisation. De manière préférée, l'eau est reçue par gravité, mais dans un autre mode de réalisation non illustré, le dispositif pourrait comporter une pompe montée sur la canalisation 210, entre 25 l'humidificateur 121 et le réservoir 220. En aval du réservoir, le dispositif comporte une pompe 230 montée sur la canalisation 210 qui, lorsqu'elle est actionnée par l'utilisateur ou par un automatisme, prélève l'eau dans le réservoir et la conduit vers le nébuliseur 260 prévu pour projeter de l'eau sur les passagers sous la forme de 30 microgouttelettes. 3045503 8 Le réservoir 220 permet de conserver la quantité d'eau nécessaire au bon fonctionnement du dispositif d'aspersion. Comme l'eau est produite en permanence sur un véhicule équipé de pile à combustible, la taille et la masse de ce réservoir peuvent être plus faibles que celles d'un réservoir 5 « conventionnel ». De même, il n'est plus utile de remplir ce réservoir à intervalle régulier. Selon la position du réservoir d'eau, il peut être alimenté par gravité ou par une pompe de relevage (non représentée) montée sur la canalisation 210. Dans cette première variante, le dispositif d'aspersion 200 peut 10 ne pas comporter de séparateur d'eau et de vapeur, comme illustré en figure 3 ou bien il peut comporter un séparateur intégré au réservoir 220, comme cela sera décrit plus loin. Cette première variante présente l'avantage de limiter le nombre de conduites d'eau et de composants ainsi que le volume occupé par le dispositif. La figure 4 illustre une pile 100 et une deuxième variante de 15 système d'aspersion 200 branché sur la pile. Cette deuxième variante ne diffère de la première qu'en ce que le dispositif d'aspersion 200 comporte un séparateur d'eau et de vapeur 250 monté sur la canalisation 210, entre le moyen d'évacuation d'eau 122 de l'humidificateur 121 et le réservoir 220. Le séparateur 250 possède donc une sortie 251 d'air et de vapeur en excès et alimente le 20 réservoir 220 uniquement en eau liquide. En variante, le séparateur 250 peut être doté d'un moyen pour absorber des calories tel qu'une plaque froide (non représentée) visant à favoriser la condensation de l'eau. Cet absorbeur de calories pourrait être situé à un autre emplacement du dispositif d'aspersion, par exemple au contact du réservoir 220. 25 La figure 5A illustre un premier mode de réalisation de réservoir 220. Le réservoir est connecté en entrée à une première portion 210a de la canalisation 210 en partie haute du réservoir et en sortie à une deuxième portion 210b de canalisation 210 en partie basse du réservoir, les notions de « haut » et « bas » faisant référence à une position en utilisation dans le véhicule. Le 30 réservoir 220 est de plus connecté à une deuxième canalisation 224 prévue pour 3045503 9 évacuer le trop plein d'eau et/ou la vapeur. Cette deuxième canalisation est connectée au réservoir à une hauteur intermédiaire entre celle de la première 210a et de la deuxième 210b portions de canalisation 210. Sa hauteur détermine donc celle de la hauteur maximale de la surface libre 222 de l'eau dans le 5 réservoir. Le deuxième mode de réalisation de réservoir 220 illustré par la figure 5B ne diffère du premier mode de réalisation qu'en ce le réservoir comporte, au voisinage du débouché de la première portion de canalisation 210a à l'intérieur du réservoir, un déflecteur 223 afin d'améliorer la séparation des 10 deux phases. Cette configuration peut être utile si par exemple les débouchés de la première et de la deuxième portion de canalisation à l'intérieur du réservoir sont trop proches. De façon alternative, on peut aussi prévoir que le débouché de la première portion de canalisation à l'intérieur du réservoir se prolonge par un 15 tuyau coudé, ou que ce débouché se fasse verticalement à partir de la paroi supérieure du réservoir. La figure 5C illustre un troisième mode de réalisation de réservoir 220. Le réservoir présente une forme en entonnoir, disposé de façon que sa partie rétrécie soit orientée vers le bas, ce qui permet d'atteindre plus 20 rapidement le niveau de liquide requis pour le fonctionnement du nébuliseur lors du démarrage. Cette forme présente aussi l'avantage de permettre de vider le réservoir plus facilement. Comme la pile à combustible produit continuellement de l'eau, il n'est pas nécessaire de conserver une réserve liquide en permanence dans le 25 réservoir 220. Une purge commandée par une électrovanne 225 est intégrée en position basse du réservoir pour le vider périodiquement, par exemple à chaque arrêt du véhicule ou à intervalle de temps régulier, empêchant ainsi la prolifération des micro-organismes. L'électrovanne 225 libère l'eau dans une canalisation d'évacuation 226 connectée à la partie rétrécie du réservoir 220, 3045503 - 10- cette électrovanne pouvant, dans un autre mode de réalisation, être située sur le point bas de cette canalisation 26. L'eau est produite par la pile 100 à une température relativement élevée, voisine de 90°C. En conséquence il est avantageux de prévoir dans le 5 dispositif d'aspersion des moyens pour dissiper les calories de l'eau, tels que des ailettes (non représentées) formant radiateur, par exemple disposées sur la face externe de la paroi du réservoir 220. L'eau produite par une pile à combustible est d'une grande pureté, notamment elle est totalement déminéralisée. L'eau déminéralisée est 10 connue pour être agressive pour les canalisations ; au moins pour cette raison, il est avantageux de prévoir un moyen de reminéralisation de l'eau dans le dispositif d'aspersion, par exemple un corps minéral (non représenté) à dissolution lente à l'intérieur du réservoir 220. 15 REVENDICATIONS1. Dispositif d'aspersion (200) pour véhicule comportant une pile à combustible (100), ladite pile à combustible comportant un moyen 5 d'évacuation (122) de l'eau produite par la réaction de dihydrogène et de dioxygène, ledit dispositif comportant : - Des moyens de diffusion (230, 260) dans l'habitacle du véhicule de l'eau produite par ladite pile, sous la forme de microgouttelettes, 10 - Au moins une canalisation (210) pour relier ledit moyen d'évacuation et lesdits moyens de diffusion. 2. Dispositif d'aspersion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen de stockage d'eau (220) monté sur l'au 15 moins une canalisation (210). 3. Dispositif d'aspersion selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de stockage comporte un réservoir (220). 20 4. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen de séparation (250) d'eau liquide et de vapeur d'eau monté sur l'au moins une canalisation (210). 5. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 2 ou 3, 25 caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de séparation d'eau liquide et de vapeur d'eau intégré au moyen de stockage (220). 6. Dispositif d'aspersion selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de séparation d'eau liquide et de vapeur d'eau comporte un 3045503 - 12 - déflecteur (223) ou un tuyau coudé internes au moyen de stockage (220) ou une arrivée verticale en utilisation dans le moyen de stockage. 7. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 2 à 6, 5 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une canalisation d'évacuation d'excès de vapeur d'eau et/ou d'eau (224), le moyen de stockage (220) étant relié à ladite canalisation d'évacuation. 8. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 2 à 7, 10 caractérisé en ce que le moyen de stockage (220) a une forme qui va en rétrécissant vers le bas en utilisation. 9. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le moyen de stockage (220) comporte une purge (225). 15 10. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de dissipation de calories et/ des moyens pour absorber des calories. 20 11. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de reminéralisation de l'eau produite par la pile (100). 25 12. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les moyens de diffusion comportent au moins un nébuliseur (260). 13. Dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 1 à 12, 30 caractérisé en ce que les moyens de diffusion comportent en outre au moins une pompe (230). 3045503 - 13 - 14. Système de ventilation pour véhicule électrique comportant une pile à combustible (100), ledit système comprenant au moins un dispositif d'aspersion selon l'une des revendications précédentes. 15. Système de climatisation pour véhicule électrique comportant une pile à combustible (100), ledit système comprenant au moins un dispositif d'aspersion selon l'une des revendications 1 à 13.