Brevet FR3091712A1 — publié le 20200717

Description Titre de l'invention : Electrolyseur pour usage domestique [0001] L'invention concerne les électrolyseurs d'eau pour génération d'hydrogène, et en particulier les électrolyseurs munis d'une cellule électrochimique d'électrolyse de l'eau à assemblages membrane/électrodes basés sur une membrane échangeuse de protons. [0002] Parmi les applications connues d'électrolyseurs domestiques, on peut citer l'utilisation dans un briquet à hydrogène. Un briquet est un dispositif servant à produire une flamme. Un briquet à hydrogène utilise du dihydrogène comme combustible. Alessandro Volta conçu un briquet à hydrogène. Dôbereiner perfectionna ensuite la conception du briquet pour le rendre compatible avec un usage domestique. Le briquet ainsi conçu produit son hydrogène en utilisant une attaque de zinc par de l'acide sulfurique. [0003] L'électrolyse de l'eau par diffusion à travers une membrane échangeuse de protons s'est par ailleurs développée. Une telle électrolyse de l'eau se fait à relativement basse température et utilise une anode et une cathode sous forme de couches catalytiques fixées de part et d'autre de la membrane échangeuse de protons. Cet ensemble forme un assemblage membrane/électrodes, généralement désigné par l'acronyme AME. La membrane joue le rôle (l'électrolyte conducteur de protons, de séparateur électronique, et de séparateur de gaz. Les couches catalytiques sont le siège de réactions d'oxydo-réduction. Au niveau de l'anode, l'eau est oxydée en oxygène et en protons, suivant la demi-réaction suivante : [0004] H20->1/2 02+ 2H+ + 2 e- ; E° 0,/ H20=1,23V vs VENH [0005] Le proton produit traverse l'électrolyte sous l'effet du champ électrique entrainant avec lui des molécules d'eau. Le proton se recombine ensuite au contact du catalyseur cathodique en hydrogène grâce au flux d'électron fournit par l'alimentation électrique : [0006] 2W + 2 e- ->H0 ; E" 1-10=0V vs VLNH [0007] De chaque côté des couches catalytiques, on dispose généralement des couches de transport poreuses, par exemple à base de feutre de carbone pour la cathode et de grille de titane pour l'anode. Ces couches poreuses sont au contact de plaques collectrices de courant. [0008] Pour augmenter le débit de production de dihydrogène, les cellules unitaires d'électrolyse peuvent être assemblées électriquement soit en parallèle soit en série. Dans le cas d'une mise en parallèle la tension est identique à toutes les cellules et le courant d'électrolyse appliqué par l'alimentation est divisé entre chaque cellule. [0009] Pour une application domestique d'un tel brûleur, la tête de brûlage et l'anode peuvent être disposées d'un même côté d'une membrane échangeuse de protons. Pour des raisons de compacité, un circuit d'écoulement, mettant en communication la tête de 2 brûlage avec un collecteur de d'hydrogène, peut être amené à traverser la membrane échangeuse de protons. Lors de l'arrêt du brûleur, une flamme peut se propager à l'intérieur de ce circuit d'écoulement, au risque d'endommager la membrane échangeuse de protons. [0010] Pour une application domestique d'un tel électrolyseur, par exemple comme briquet de table, l'évacuation du dioxygène issu de l'électrolyse crée des risques de brûlures, puisque celui-ci est généré avec une température proche de 80°C. [0011] Lors de l'électrolyse de l'eau par la membrane échangeuse de protons, un flux d'eau traverse la membrane. Le dihydrogène produit et conduit à la tête de brûlage est donc fortement chargé en eau. Pour éviter une extinction de la flamme par cet excédent en eau, il est nécessaire d'intégrer un séparateur de phases pour récupérer l'eau présente dans le dihydrogène produit et ainsi éviter que cette eau atteigne la tête de brûlage. En particulier pour une application domestique d'un tel brûleur, il est nécessaire de conserver une grande compacité. L'intégration d'un séparateur de phases dans un tel brûleur est donc problématique, puisque les solutions connues sont soit excessivement complexes, soit trop volumineuse pour satisfaire à l'exigence de compacité. [0012] Pour une application domestique d'un tel brûleur, par exemple comme briquet de table, et selon les différentes phases de fonctionnement, la collecte du dihydrogène issu de l'électrolyse peut induire la présence au sein des canalisations d'hydrogène non brulé. L'évacuation de ce dihydrogène crée des risques de brûlure, puisque celui-ci est généré avec une température proche de 80°C. Par ailleurs, la génération de di-hydrogène peut être insuffisante pendant une certaine durée, rendant le fonctionnement du brûleur non contrôlable visuellement. [0013] De façon générale, il est souhaitable de pouvoir éviter une concentration trop élevée de dihydrogène à proximité de l'électrolyseur. Par ailleurs, pour une application portative, il est souhaitable de disposer d'un électrolyseur de petite dimension. [0014] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un électrolyseur d'eau, comprenant : -une cellule électrochimique d'électrolyse d'eau comprenant un assemblage membrane/électrodes incluant une membrane échangeuse de protons, une première face de l'assemblage membrane/électrodes comportant une anode et étant en communication avec un volume d'alimentation en eau, une deuxième face de l'assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un collecteur de dihydrogène -l'électrolyseur comprend un réservoir d'eau liquide externe présentant une ouverture en partie supérieure mettant en communication l'intérieur du réservoir externe et l'extérieur ; -l'électrolyseur comprend une conduite présentant une première connexion raccordée au réservoir externe et une deuxième connexion raccordée au volume d'alimentation 3 en eau au moins au niveau d'une extrémité supérieure de l'anode, la première connexion étant située en dessous de la deuxième connexion ; -ledit volume d'alimentation en eau comporte un circuit d'échappement mettant en communication la partie supérieure du volume d'alimentation en eau avec l'extérieur, le circuit d'échappement étant dimensionné pour vérifier la relation suivante : Pccch > Pccon + (p*g*hv), avec Pcech la perte de charge de l'écoulement de dioxygène à travers le circuit d'échappement, Pccon la perte de charge de l'écoulement de dioxygène à travers ladite conduite, p la masse volumique de l'eau, g la gravité terrestre, et hv la différence de hauteur entre la première connexion et le niveau d'eau maximal dans ledit réservoir externe. [0015] L'invention porte également sur les variantes suivantes. L'homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes suivantes peut être combinée indépendamment aux caractéristiques ci-dessus, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire. [0016] Selon une variante, ladite ouverture du réservoir externe est configurée pour permettre le remplissage en eau du réservoir externe. [0017] Selon une variante, ledit réservoir externe comporte une paroi transparente s'étendant sur une hauteur entre les premier et deuxième orifices. [0018] Selon une autre variante, le volume d'alimentation en eau est délimité par une paroi supérieure, le circuit d'échappement étant constitué d'un alésage traversant la paroi supérieure. [0019] Selon encore une variante, le réservoir externe comporte un marqueur d'un niveau maximal de remplissage, le marqueur étant disposé au moins lOmm en dessous dudit alésage traversant. [0020] Selon encore une autre variante, ledit alésage est ménagé dans un élément amovible de la paroi supérieure. [0021] Selon une variante, ledit alésage est cylindrique. [0022] Selon une autre variante, la première connexion est située au niveau de la partie in- férieure du réservoir extérieur. [0023] Selon encore une variante, l'électrolyseur comprend en outre une alimentation électrique configurée pour appliquer une puissance électrique ou un courant ou une différence de potentiel entre lesdites première et deuxième faces de l'assemblage membrane/électrodes de façon à hydrolyser de l'eau présente dans ledit volume d' alimentation. [0024] Selon une autre variante, l'alimentation électrique est configurée pour générer un débit volumique de dioxygène Qg, et la perte de charge Pcech est dimensionnée de sorte que Qe Epm/2, avec Epm l'épaisseur de la membrane échangeuse de protons 311. Afin de favoriser une importante déformation du joint 61 et garantir le contact entre les éléments 611 et 612 dans l'alésage 310, l'épaisseur cumulée des éléments 611 et 612 en l'absence de compression est avantageusement au moins le double de l'épaisseur Epm de la membrane échangeuse de protons 311. [0062] Afin de présenter une même déformation en cas de compression, les éléments 611 et 612 sont avantageusement formés avec un même matériau. Le joint 61 pourra être formé avec un matériau présentant une dureté Shore A au plus égale à 60, pour favoriser sa déformation. Le joint 61 pourra être formé avec un matériau présentant une résistivité électrique supérieure à 100 Q/cm. Le joint 61 est avantageusement formé avec un matériau résistant à une température d'au moins 180°C, de façon à pouvoir résister à des retours de flamme dans le circuit 11. [0063] Un joint 62 est disposé au moins partiellement dans l'alésage 320. Le joint 62 sépare la membrane échangeuse de protons 321 du circuit d'écoulement 12. Ainsi, le contenu du circuit d'écoulement 12 n'est pas en contact avec la membrane échangeuse de protons 321 au niveau de son alésage 320. On évite ainsi de détériorer la membrane 321 par un retour de flamme lors de l'arrêt de la production de dihydrogène. Le joint 62 est ici composé de deux éléments distincts 621 et 622. Les éléments 621 et 622 viennent en superposition avec une partie de la membrane 321 autour de l'alésage 320. La membrane 321 est comprimée entre les éléments 621 et 622. Les éléments 621 et 622 sont eux-mêmes comprimés entre la plaque 42 et le corps 5. Les éléments 621 et 622 sont en saillie radialement par rapport à la bordure de l'alésage 320. Du fait de leur compression, les éléments 621 et 622 sont même en saillie radialement à l'intérieur de l'alésage 320 et sont en contact mutuel dans cet alésage 320. [0064] Avantageusement, les éléments 621 et 622 sont en saillie radialement dans l'alésage 320 sur une distance D telle que D>Epin/2, avec Epm l'épaisseur de la membrane échangeuse de protons 321 Afin de favoriser une importante déformation du joint 62 et garantir le contact entre les éléments 621 et 622 dans l'alésage 320, l'épaisseur cumulée des éléments 621 et 622 en l'absence de compression est avantageusement au moins le double de l'épaisseur Epm de la membrane échangeuse de protons 321. [0065] Afin de présenter une même déformation en cas de compression, les éléments 621 et 622 sont avantageusement formés avec un même matériau. Le joint 62 pourra être formé avec un matériau présentant une dureté Shore A au plus égale à 60, pour favoriser sa déformation. Le joint 62 pourra être formé avec un matériau présentant une résistivité électrique supérieure à 100 Q/cm. Le joint 62 est avantageusement formé avec un matériau résistant à une température d'au moins 180°C, de façon à pouvoir résister à des retours de flamme dans le circuit 12. [0066] Selon un autre aspect de l'invention, une séparation de phases est mise en oeuvre dans le conduit vertical 13 mettant en communication les collecteurs de dihydrogène 410 et 420 avec la tête de brûlage 19. La séparation de phases par gravité dans le conduit 13 s'avère insuffisante, une quantité excessive d'eau pouvant être entraînée vers la tête de brûlage 19. [0067] Comme illustré à la figure 7, des fibres métalliques 51 sont logées dans le conduit vertical 13 et orientées verticalement. De telles fibres métalliques 51 dans le conduit 13 permettent de réaliser une séparation de phases entre le collecteur 410 (et le collecteur 420) et la tête de brûlage 19, sans nécessiter d'interposer un dispositif de séparateur de phases complexe ou volumineux. [0068] Des fibres 51 sont ici logées dans une partie supérieure 131 du conduit 13. Les fibres 51 sont ici des fibres métalliques. Les circuits d'écoulement 11 et 12 sont reliés au conduit 13 au niveau d'une liaison 133. La liaison 133 forme une délimitation entre la partie supérieure 131 et une partie inférieure 132 du conduit 13. La liaison 133 est ici logée sous la tête de brûlage 19 et sous les fibres métalliques 51 logées dans la partie supérieure 131. [0069] Avantageusement, le circuit d'écoulement 11 (et le circuit d'écoulement 12) présente un angle compris entre 70° et 110°, et est de préférence perpendiculaire au conduit 13 au niveau de leur liaison 133. Par un tel changement de direction du flux d'écoulement au niveau de la liaison 133, on favorise une séparation par inertie entre le dihydrogène et l'eau. Les fibres métalliques 51 forment par ailleurs des chicanes successives dans la partie supérieure 131 du conduit 13, favorisant également la séparation de phases. [0070] Pour favoriser encore davantage la séparation de phases, le conduit 13 comporte avantageusement une section d'étranglement 135 positionnée entre la tête de brûlage 19 et l'extrémité supérieure des fibres métalliques 51. [0071] Les fibres 51 se présentent par exemple sous la forme d'une mèche de paille mé- tallique, par exemple de la paille de fer ou de la laine d'acier inoxydable. De la laine d'acier inoxydable en bande peut ainsi être enroulée pour former un bobineau introduit dans le conduit 13. Les fibres métalliques 51 forment ici une masse poreuse. Les fibres métalliques 51 sont avantageusement en un métal résistant à la corrosion par de l'eau désionisée, et sont par exemple réalisées en acier inoxydable. [0072] L'orientation verticale des fibres 51 permet à la fois de guider l'écoulement de di- hydrogène vers la tête de brûlage 19, et de guider l'eau collectée vers le bas, vers la partie inférieure 132 du conduit 13. L'eau collectée par les fibres métalliques 51 11 s'écoule vers le bas par gravité. [0073] La partie inférieure 132 du conduit 13 s'étend vers le bas jusqu'en communication avec un réservoir de récupération d'eau 504. Des fibres métalliques 51 sont également logées dans la partie inférieure 132 du conduit en dessous de la liaison 133. La partie inférieure 132 du conduit 13 peut ainsi participer à la séparation de phases du flux de dihydrogène. Des fibres métalliques 51 peuvent s'étendre d'un seul tenant entre la partie supérieure 131 et la partie inférieure 132 du conduit 13. La partie inférieure 132 du conduit 13 peut également servir de réservoir de stockage pour l'eau issue de la séparation de phase. [0074] Pour permettre un bon contrôle de la quantité d'eau présente dans le réservoir 504, son volume interne est avantageusement dépourvu d'élément solide, et en particulier dépourvu de fibres métalliques. [0075] Selon un autre aspect de l'invention, la tête de brûlage 19 est mise en communication avec le collecteur de dihydrogène par l'intermédiaire d'un dispositif de séparation de phases, tel que décrit précédemment. Le brûleur 1 comprend en outre un réservoir de stockage ou de récupération 504 de l'eau issue de la séparation de phase, comme décrit précédemment. Le réservoir 8 est mis en communication avec le volume d'alimentation en eau 210 par l'intermédiaire d'une conduite 80, comme décrit ultérieurement. Le brûleur 1 comprend en outre une vanne 505 commandée pour ouvrir ou fermer sélectivement une communication de fluide entre le réservoir 504 et le réservoir 8. La vanne 505 peut également être associée à une pompe pour favoriser un écoulement du réservoir 504 vers le réservoir 8. La vanne 505 est ici connectée au fond du réservoir externe 8 par l'intermédiaire d'un connecteur hydraulique 85. [0076] Lorsque l'électrolyseur 2 est alimenté électriquement et produit du dihydrogène, un excédent de dihydrogène peut être introduit dans le réservoir 504 par l'intermédiaire de la partie basse du conduit 13. Au début de l'alimentation électrique de l'électrolyseur 2, la vanne 505 peut être ouverte pour évacuer cet excédent de dihydrogène à travers le réservoir 8. [0077] Cet excédent de dihydrogène sera en outre refroidi par l'eau présente dans le réservoir 8. Durant cette phase, l'oxygène produit dans l'électrolyseur n'atteint pas encore le réservoir 8. L'introduction d'hydrogène dans le réservoir 8 n'est donc pas problématique durant cette phase. De plus, le passage de dihydrogène dans le réservoir 8 permet de vérifier visuellement le fonctionnement du brûleur 1 par des bulles formées dans ce réservoir 8, si la flamme est invisible et avant que le dioxygène n'atteigne le réservoir 8 pour former des bulles. Le dihydrogène évacué à travers le réservoir 8 est humidifié, ce qui permet d'augmenter sa proportion dans l'air pouvant impliquer une explosion. [0078] Durant la poursuite de la génération de dihydrogène, par exemple au bout de 2 12 secondes après l'alimentation de l'électrolyseur 2 par l'alimentation 7, la vanne 505 est fermée. On évite ainsi qu'un flux de dihydrogène ne traverse le réservoir 8, lorsqu'un flux de dioxygène va traverser cc réservoir 8. [0079] Comme dans l'exemple détaillé auparavant, la liaison 133 est disposée sous la tête de brûlage 19. Cette liaison 133 est avantageusement positionnée au-dessus de la hauteur h2 (hauteur d'un orifice de liaison 82 détaillé par la suite), ce qui permet de maintenir un niveau d'eau dans le conduit 13 en dessous du niveau de la liaison 133. On évite ainsi que l'eau présente initialement dans le conduit 13 ne perturbe initialement l'écoulement de dihydrogène vers la tête de brûlage 19. Ceci s'avère en particulier avantageux si la vanne 505 est de type normalement ouverte, et est ainsi maintenue ouverte après la fin de l'alimentation de l'électrolyseur 2 par l'alimentation électrique 7, puisque le niveau de l'eau dans le réservoir 8 et le niveau dans le conduit 13 s'équilibrent alors. Un tel équilibrage permet notamment de réintroduire de l'eau dans le réservoir 8, cette eau étant issue de la séparation de phases du flux de dihydrogène généré par l'électrolyseur 2. Une vanne 505 de type normalement ouverte peut alors s'avérer avantageuse pour réaliser un tel équilibrage de niveau d'eau de façon simple et compacte. [0080] Le conduit 13 est ici avantageusement vertical afin de favoriser la récupération de l'eau à destination du réservoir 504. [0081] Avantageusement, un dimensionnement sera mis en oeuvre pour garantir une quantité suffisante d'eau dans l'électrolyseur 2 durant toute l'électrolyse. [0082] La loi de Faraday permet de déduire la quantité de protons échangée par la réaction dans l'électrolyseur 2, en fonction du courant et du temps de réaction de l'électrolyse : [0083] nx =Iel*t/(nel*Far) [eq 1] [0084] avec nx la quantité d'une espèce échangée en mol, Tel le courant d'électrolyse, t la durée de l'électrolyse, nel le rapport entre le nombre d'électrons échangés dans la réaction par rapport à l'espèce considérée, et Far la constante de Faraday. [0085] Par application à l'électrolyse de l'eau, en prenant les protons comme l'espèce étudiée, le rapport nel vaut 1 puisque le nombre de protons et d'électrons échangés est identique. On obtient alors l'équation suivante : [0086] np =Iel*t/Far [eq 2] [0087] avec np la quantité de protons échangée. [0088] Des études ont montré empiriquement qu'un proton traversant une membrane échangeuse de protons entrainait 5 molécules d'eau à travers la membrane. On obtient alors : [0089] neau =5*Iel*t/Far [eq 3] [0090] avec neau la quantité d'eau traversant la membrane. [0091] On en déduit alors le volume d'eau traversant la membrane : 13 [0092] Veau=5*lcl*t*M/(Far* p) [eq 4] [0093] Avec Veau le volume d'eau traversant la membrane, p la masse volumique de l'eau, M la masse molaire de l'eau. [0094] Le volume disponible dans le conduit 13 (sous la liaison 133) et dans le réservoir 504 doit être supérieur à Veau, pour être suffisant pour pouvoir renvoyer au réservoir 8 le volume d'eau qui traversera les membranes échangeuses de protons pendant la réaction d'électrolyse. En présence des fibres métalliques 51 dans le conduit 13, il faudra retrancher le volume de ces fibres 51 au volume du conduit 13. [0095] Avantageusement, un di mensionnement peut être mis en oeuvre pour garantir une purge de l'eau présente entre la liaison 133 et le réservoir 8, lors du démarrage de l'électrolyseur 2. Une telle purge permet de limiter le risque d'une trop grande quantité d'eau dans l'écoulement de dihydrogène au niveau de la tête de brûlage 19, en particulier si on estime que l'efficacité de la séparation de phase est insuffisante après plusieurs cycles d'utilisation successifs de l'électrolyseur 2. Une telle purge peut induire un flux de dihydrogène à destination du réservoir 8, lors du début de l'alimentation électrique de l'électrolyseur 2 par l'alimentation 7. De façon générale, on dimensionne la perte de charge de l'écoulement de dihydrogène entre la liaison 133 et la zone de formation de flamme de la tête de brûlage 19 de sorte que celle-ci soit supérieure à la hauteur d'eau du réservoir 8 et des pertes de charges d'écoulement de di-hydrogène entre la liaison 133 et cc réservoir 8. [0096] Comme illustré à la figure 15, une zone de formation de flamme 192 est ménagée à l'extrémité supérieure d'une aiguille 191. L'extrémité inférieure de l'aiguille est en communication avec une chambre 193 à l'intérieur de la tête de brûlage 19. La chambre 193 est en communication avec la partie supérieure 131 du conduit 13. L'aiguille 191 a un diamètre qui définit la vitesse du dihydrogène dans la zone d'inflammation ou de formation de flamme. Le diamètre de l'aiguille 191 définit ainsi la hauteur de la flamme souhaitée et sera donc généralement adapté en fonction de ce paramètre. L'aiguille 191 peut également être utilisée comme une canalisation de section inférieure à celle du conduit 13, incluant par extension la chambre 193. Une telle réduction de section permet ainsi d'accroître la perte de charge entre la liaison 133 et la zone 192. [0097] Plus précisément, si le diamètre de l'aiguille 191 est fixé pour définir la hauteur de flamme, la perte de charge peut être calibrée en jouant sur la longueur de l'aiguille 191 notamment. Dans le présent exemple, l'aiguille 191 forme une canalisation cylindrique de section circulaire de diamètre Da calibré, s'étendant sur une longueur La. La perte de charge provoquée par l'aiguille 191 est la somme de toutes les pertes de charges singulières et régulières. [0098] La perte de charge singulière APsa est ici due aux changements de section de 14 l'aiguille 191 : [0099] APsa=(kea+ksa)*ph*Vh2)/2 [Eq5] [0100] avec : - APsa la perte de charge singulière en Pascal générée par l'aiguille 191 ; - kca un coefficient sans unité dû à l'entrée de l'aiguille 191 ; - ksa un coefficient sans unité dû à la sortie de l'aiguille 191 ; - ph la masse volumique de l'hydrogène saturé en humidité ; - Vh La vitesse du dihydrogène dans le diamètre de l'aiguille 191. [0101] Les coefficients kca et ksa sont notamment définis par les changements de diamètre respectivement à l'entrée et à la sortie de l'aiguille 191. [0102] Les pertes de charge régulières APra sont définies comme suit : [0103] APra=(fa*La*ph*Vh2)/(2*Da) [Eq6] [0104] avec fa un coefficient de friction de l'écoulement à travers l'aiguille 191. Le co- efficient de friction fa, dans l'hypothèse d'un écoulement en régime laminaire est donné par la formule fa=64/Re [Eq7] avec Rea le nombre de Reynolds donné par la relation Rea=ph"Vh*Da/ph [Eq8] avec pa la viscosité dynamique du dihydrogène saturé en humidité. [0105] La perte de charge Pca de l'aiguille 191 peut être définie suit : [0106] Pca=(((kea+ ksa)*ph*Vh2)/2)±(32ph*La*Vh)/(Da2) [Eq9] [0107] La vitesse Vh est définie par l'équation suivante : Vh = Qea/Sea [Eq10] avec - Qea le débit à travers l'aiguille 191 ; - Sea la section de passage de l'aiguille 191 avec Sea=7*Da2/4 [Eq11] [0108] On déduit de l'équation [Eq10] Vh=4*Qea/(ot*Da2) [Eq12] [0109] On peut alors exprimer Pca comme suit [0110] Pca=(((kea+ ksa)*ph*(4*Qea/(eDa2))2)/2)±(128ph*La*(Qea/(3t*Da4))) [Eq13] [0111] On peut appliquer le même raisonnement à l'ensemble des singularités et linéarités entre la liaison 133 et la zone 192 pour calculer une perte de charge totale Pcs entre la liaison 133 et la zone 192. Pour une géométrie connue entre la liaison 133 et la zone 192, les seules variables ou inconnues restent les valeurs Qea et La. On peut alors simplifier la pelle de charge Pcs par la relation suivante [0112] Pcs=fin(Qea, La) [Eq14] [0113] avec fin une fonction. [0114] En appliquant le même raisonnement pour l'écoulement entre la liaison 133 et le réservoir 8, on obtient Pcr la perte de charge de l'écoulement de dihydrogène jusqu'au réservoir 8 : Per=fn(Qrr) [Eql 5] avec fia une fonction et Qrr le débit de dihydrogène vers le réservoir 8. Cette perte de charge Per est notamment fonction du coefficient de perte de charge à travers la vanne 505, généralement fournie avec la documentation technique de son fabricant. [0115] On considérera que la variation de pression Peres entre le connecteur 85 et un orifice de remplissage 84 est duc à la hauteur de la colonne d'eau dans le réservoir 8. [0116] Peres=(p'ehmax) [Eq16] avec p la masse volumique de l'eau, g la gravité terrestre, et hmax la hauteur de la colonne d'eau dans le réservoir 8. Hmax est par exemple définie par la hauteur au repos de la colonne d'eau dans le réservoir 8, additionnée de la hauteur d'eau duc au volume d'eau refoulé dans le réservoir 8 par l'intermédiaire de la vanne 505. [0117] Hmax=hinit-FVeau/ Srext [Eq17] [0118] avec hinit la hauteur de la colonne d'eau dans le réservoir 8 au repos, Srext la section du réservoir extérieur 8 selon un plan horizontal. [0119] Par combinaison de [Eq15] et [Eq16], on déduit : [0120] Per-FPeres=fn(Qrr)-F (p*g*hmax) [Eq18] [0121] Les pressions au niveau de la zone 192 et au niveau de l'ouverture 84 sont ici égales à la pression atmosphérique notée Patm. On peut alors déduire des équations [Eq14] et [Eq18] : [0122] fin(Qea, La)-Jii(Qi-r)-(p*ehmax)=0 [Eq19] [0123] On peut définir le débit total de dihydrogène Qh=(22,4*10 '*La)/193000 [Eq20] [0124] Et avec Qh=Qn--FQea, on a alors : [0125] fin(((22,4*101*La)/193000-Qrr), La)-.fh(Qn)-(p*g*hmax)=0 [Eq21] [0126] Par résolution de l'équation [Eq21], par exemple par un solveur numérique, au peut déterminer le débit Qrr renvoyé vers le réservoir 8 lorsque l'eau a été purgée entre la liaison 133 et le réservoir 8 par l'intermédiaire de la vanne 505. Le nombre de Reynolds Rea peut alors être déterminé à partir de [Eq8] pour vérifier l'hypothèse d'un écoulement laminaire du dihydrogène vers le réservoir 8 et l'aiguille 191. Si l'écoulement n'est pas laminaire, il faut recalculer le coefficient de friction fa de pertes de charge linéaire avec un diagramme de Moody. [0127] On dimensionnera avantageusement La de sorte que, en régime établi, de façon à favoriser la purge de l'eau : Qi-r>0,8*Qh [0128] La garantie de cette relation en régime établi garanti également cette condition en 16 régime transitoire, puisque la pression de la colonne d'eau dans le réservoir 8 est inférieure en régime transitoire. On pourra réaliser le dimensionnement de sorte que la purge de l'eau (et donc l'atteinte du régime permanent) soit réalisée en une durée inférieure à 0,5 secondes après le démarrage dc l'électrolyseur 2. [0129] La figure 8 est une vue de côté en coupe schématique d'un circuit de fluide entre le volume 210 d'alimentation en eau et le réservoir externe 8. Les figures 9 à 13 sont des vues de côté en coupe schématiques du même circuit à différentes étapes dc fonctionnement de l'électrolyseur du brûleur 1. [0130] Dans le volume 210, il est souhaitable que l'assemblage membrane/électrodes 31 reste immergé dans l'eau contenue dans le volume 210, pour éviter par exemple qu'une partie de la surface active de l'anode 312 soit en contact avec un volume d'air/dioxygènc dans la partie supérieure du volume d'alimentation 210. Pour une hauteur minimale hmin de l'eau dans le volume d'alimentation 210, on peut donc considérer que hmin doit être supérieure à une hauteur hmem correspondant au sommet de la surface active de l'assemblage membrane/électrodes 31. [0131] Par ailleurs, les réservoirs 210 et 8 sont reliés par une conduite 80, mettant en com- munication un orifice 82 du réservoir 210 avec un orifice 81 du réservoir 8. Au repos, pour garantir également un rééquilibrage entre le niveau d'eau du réservoir extérieur 8 et du volume d'alimentation 210, le niveau dans le réservoir extérieur 8 doit être maintenu à une hauteur h2 de l'orifice 82. La hauteur minimale hmin est ici définie par la hauteur h2. L'orifice 82 est ainsi localisé au-dessus de la hauteur hmem. [0132] Enfin, le volume 210 est surmonté d'un couvercle 212 dans lequel le circuit d'échappement 211, également désigné évent d'échappement, permet d'évacuer le mélange d'air/dioxygène contenu dans la partie supérieure du volume d'alimentation 210. Une hauteur maximale hms de l'eau dans le volume d'alimentation 210 est définie telle que, au repos du brûleur 1 et comme indiqué sur la figure 9, le niveau d'eau du volume d'alimentation 210 soit avantageusement à minima à lOmm en dessous de l'évent d'échappement 211, pour éviter toute obstruction par de l'eau. [0133] On peut ainsi donner un dimensionnement particulier de l'évent d'échappement 211. [0134] Avec un réservoir 8 et un volume d'alimentation 210 de sections horizontales constantes sur leur hauteur, le réservoir extérieur 8 présente une hauteur de réserve Ah, pour contenir le volume d'eau chassé depuis le volume d'alimentation 210, qui peut être définie comme suit : [0135] Ah=(Svalim*(hms-hrnin))/Srext [Rel] [0136] avec : - Svalim la section du volume d'alimentation 210 selon un plan horizontal, - Srext la section du réservoir extérieur 8 selon un plan horizontal. [0137] La perte de charge Pcech de l'évent calibré 211 peut être déterminée en suivant la 17 règle de conception ci-après : une partie du débit total de dioxygène produit est évacuée par l'évent 211, l'autre partie du débit devant s'échapper en huilant à travers le réservoir 8 pour pouvoir être refroidie avant de s'échapper vers l'extérieur. [0138] Dans le présent exemple, l'évent 211 est un cylindre de section circulaire de diamètre d calibré, s'étendant sur une longueur I correspondant à l'épaisseur du couvercle 212. La perte de charge provoquée par l'évent 211 de diamètre calibré est la somme de toutes les pertes de charges singulières et régulières. [0139] La perte de charge singulière APsing est ici duc aux changements de section de l'évent 211 : [0140] APsing=(kent+ksor)*po*V2)/2 [Re2] [0141] avec : - APsing la perte de charge singulière en Pascal à travers l'évent 211 ; - kent un coefficient sans unité dû à l'entrée de l'évent 211 ; - ksor un coefficient sans unité dû à la sortie de l'évent 211 ; - po la masse volumique de l'oxygène saturé en humidité ; - V La vitesse du dioxygène dans le diamètre de l'évent 211. [0142] Les pertes de charge régulières APreg sont définies comme suit : [0143] APreg=(ricl*po*V2)/(2*d) [Re3] [0144] avec f un coefficient de friction de l'écoulement à travers l'évent 211. Le coefficient de friction f, dans l'hypothèse d'un écoulement en régime laminaire est donné par la formule f=64/Re [Re4] avec Re le nombre de Reynolds donné par la relation Re=poW*d/p [Re5] avec t la viscosité dynamique de l'oxygène saturé en humidité. [0145] La perte de charge Pcech de l'évent calibré 211 peut être définie suit : [0146] Pcech=(((kent+ ksorrpo*V2)/2)±(32el*V)/(d2) [Re6] [0147] La vitesse V est définie par la relation suivante : V = Qe/Se [Re7] avec - Qe le débit à travers l'évent 211 ; - Se la section de passage de l'évent circulaire 211 avec Se=ed2/4 [Re8] [0148] On déduit de la relation [Re7] V=4*Qe/(4ec12) [Re9] [0149] On peut alors exprimer Pcech comme suit : [0150] Pcech=(((kent+ ksor)*po*(4*Qe/(7c*d2))2)/2)±(128e1*(Qe/( 7c*d4))) [Re10] 18 [0151] La géométrie du volume 210 étant connue entre la hauteur h2 et une hauteur lune correspondant au niveau le plus bas de la surface inférieure du couvercle 212, les seules inconnues/variables sont Qe, Sc et I pour la différence de pression entre l'évent 211 et la hauteur h2 à l'intérieur du volume 210. On peut ainsi exprimer cette différence de pression par : lin=in(Qc, Sc, I) [Re11] avec m une fonction. [0152] En appliquant le même raisonnement pour l'écoulement à travers la conduite 80, on obtient Pccon la perte de charge de l'écoulement de dioxygène à travers cette conduite 80 : Pccon=tz(Qr) [Rel 2] avec n une fonction et Qr le débit d'oxygène à travers la conduite 80 et le réservoir 8. [0153] On considérera que la variation de pression entre une hauteur hl de l'orifice 81 et la hauteur hms est essentiellement duc à la hauteur de colonne d'eau dans le réservoir 8. Dans ce cas, on peut écrire Pcol la pression duc à la colonne d'eau comme suit: Pcol=(p"g"hv) [Rel 3] avec p la masse volumique de l'eau, g la gravité terrestre, et hv=(hmr-h1). Par ailleurs : hmr=hms+Ah [Re14] On peut alors définir la différence de pression entre les points 82 et 84 comme suit : Ps24=n(Qr)+(p*g*hv) [Re15] [0154] Les pressions au niveau de l'évent 211 et au niveau de l'ouverture 84, à une hauteur hmr correspondant au sommet du réservoir 8, sont ici égales à la pression atmosphérique notée Patm. On peut donc déduire de la relation [Rell] que la pression P82 au niveau de l'orifice 82 se définit comme P82=m(Qe, Se, 1)+Patm [Re16] [0155] On peut également déduire de la relation [Re15] que la pression P82 peut aussi se définir comme P82=n(Qr)+(eg*hv)+Patm [Re17] [0156] On en déduit alors la relation suivante : m(Qe, Se, 1)-n(Qr)-(p*g*hv)=0 [Re18] [0157] Le débit total de dioxygène Qg généré par l'électrolyseur 2 peut se définir par la relation suivante : Qg=(22,4*1039e1)/386000 [Re19] avec Tel le courant d'électrolyse. La relation Qg=Qe+Qr [Re20] est également vérifiée. 19 On peut en déduire Qe,(22,4*103"101)/386000-Qr [Re21] [0158] Par combinaison avec la relation [Rel 8], on en déduit : m(((22,4*103*-101)/386000-Qr), Se, 1)-n(Qr)-(p*Chv)=0 [Re22] [0159] La résolution de la relation [Re22] (par exemple au moyen d'un solveur numérique) permet de déterminer le débit Qr de dioxygène qui traverse le réservoir externe 8 en régime établi, pour une longueur I donnée de l'évent 211, ainsi que le débit Qe. Le nombre de Reynolds Re peut alors être déterminé à partir de [Re5] pour vérifier l'hypothèse d'un écoulement laminaire dans les canalisations. Si l'écoulement n'est pas laminaire, il faut recalculer le coefficient de friction f de pertes de charge linéaire avec un diagramme de Moody. [0160] Une fois le débit de gaz Qc passant par l'évent 211 calculé, on peut comparer la proportion de cc débit Qe par rapport au débit Qg. Avantageusement, on fera en sorte de respecter la relation suivante en régime établi : Qg/2-Qe [Rc23] et de préférence Qg/3-Qc [Re24] [0161] Avantageusement, l'évent 211 (et de façon générale le circuit d'échappement 211) est dimensionné de sorte que le niveau dans le volume d'alimentation 210 et le réservoir externe 8 soit équilibré après l'arrêt de l'électrolyseur. A cet effet, la relation suivante doit être résolue, en plus de la relation [Re23] : [0162] [Math.1] p *Why - A d p P2dt = 0 r 101631 Re25 101641 Par dérivation de la relation 'Rein en tenant compte que seul le flux à travers l'évent 211 participe à l'évolution de la pression P82, on obtient : 101651 IMath.21 "82 d d t d t [ni (g S, le)] [0166] Re26 [0167] Néanmoins, la résolution de la relation 25 conduit par défaut à un temps infini d'équilibrage des niveaux. On peut considérer le rééquilibrage comme satisfaisant lorsque l'écart après une durée x définie entre le niveau du volume 210 et le niveau du réservoir 8 est inférieur à 10% de Ah. Dans ce cas, la relation Re25 devient : [0168] [Math.3] p h. t:= x d p 5 d t 2dt t o [0169] Re27 [0170] Un résultat de di mensionnement peut s'obtenir par itérations de la relation [Re27] en modifiant le diamètre et/ou la longueur de l'évent 211 en fonction du débit de dioxygène produit et fixant une durée x d'équilibrage par exemple au plus égale à 5s. [0171] Lorsque cet aspect de l'invention est combiné à la purge entre la liaison 133 et le réservoir 8, comme décrit précédemment, on dimensionne avantageusement les écoulements et les ouvertures/fermetures de la vanne 505 pour que : -un débit de dihydrogène vers le réservoir 8 soit établi avant un débit de dioxygène vers ce réservoir 8 ; -le débit de dihydrogène vers le réservoir 8 soit déjà interrompu lorsque le débit de dioxygène vers ce réservoir 8 est établi. L'instant d'apparition du débit de dioxygène vers le réservoir 8 peut être déterminé expérimentalement. [0172] La réaction d'électrolyse génère un volume de dihydrogène double de celui du dioxygène, du fait de la stoechiométrie. Si le volume d'eau à déplacer pour atteindre le réservoir 8 était identique pour le dioxygène (via la conduite 80) et pour le di-hydrogène (via la vanne 505), le dioxygène devrait atteindre le réservoir 8 en un temps double du temps nécessaire au dihydrogène. Afin de garantir que l'écoulement de di-hydrogène puise être interrompu lorsque l'écoulement de dioxygène vers le réservoir 8 s'établit, on respecte avantageusement la relation suivante : Vdh