Brevet FR3115217A1 — publié le 20220422

Séparateur d’eau destinée à être intégré dans un moteur à hydrogène d’un véhicule L’invention concerne un séparateur d’eau (1) destiné à extraire des gouttelettes d’eau à partir d’un mélange comprenant des gouttelette d’eau et du dihydrogène gazeux préalablement mis sous pression, le séparateur d’eau (1) comprenant une chambre (11) de séparation comprenant une entrée (8) destinée à l’introduction du mélange, des moyens de mise en mouvement tourbillonnaire apte à projeter des gouttelettes contre une paroi poreuse lorsque le mélange est introduit dans l’entrée, une première sortie (9) destinée à recevoir de l’hydrogène séparé de l’eau, une chambre (12) de collecte, dissociée de de la chambre de séparation par une paroi (13) poreuse, la chambre de collecte comprenant une deuxième sortie (10) apte à recevoir de l’eau par gravité, la paroi poreuse comprend un moyen (16) d’amortissement apte à limiter l’étalement d’une gouttelette d’eau projetée sur la paroi poreuse. Figure pour l’abrégé : [Fig. 2] Séparateur d’eau destinée à être intégré dans un moteur à hydrogène d’un véhicule La présente invention se rapporte au domaine des moteurs, en particulier des moteurs fonctionnant à l’aide de dihydrogène (dénommés par la suite « moteurs à hydrogène »). Typiquement, les moteurs à hydrogène sont de deux conceptions distinctes : soit ils fonctionnent comme un moteur à combustion interne classique raccordé à un réservoir, soit ils présentent un moteur électrique branché sur un système pile à combustible. L’invention vise le domaine des moteurs à hydrogène munis d’un système à pile à combustible. Un système à pile à combustible ou module de puissance est un système intégrant une pile à combustible, et des équipements auxiliaires pour que sa fonction principale, la fourniture d’énergie électrique, puisse être remplie. Ces composants assurent par exemple l’approvisionnement des réactifs, leur conditionnement, l’évacuation des produits, de la chaleur, la conduction et la transformation de l’électricité au profit des équipements consommateurs électriques (moteur électrique auxiliaires divers...). En général, une pile à combustible englobe un empilement de cellules élémentaires qui forment un « stack ». Chaque cellule élémentaire comprend deux électrodes, une anode et une cathode séparées par un électrolyte permettant le passage d’ions. A l’anode a lieu une réaction d’oxydation, et à la cathode une réduction. Il existe différents types de piles à combustible, classifiées en général selon la nature de leur électrolyte. Dans les piles à électrolyte acide, des ions H+ migrent de l’anode vers la cathode, tandis que dans les piles à électrolyte basique, les ions négatifs migrent de la cathode vers l’anode. L’invention concerne les piles à combustible à électrolyte acide. Il peut être distingué parmi les piles à électrolyte acide, deux familles pour lesquels le carburant est le dihydrogène: les piles PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), et les piles PAFC (Phosphorique Acid Fuel Cell). Dans les piles PEMFC, l’électrolyte est constitué d’une membrane solide polymère, les températures de fonctionnement sont basses (20 – 100 °C). Les piles de type PAFC (Phosphorique Acid Fuel Cell) utilisent comme électrolyte l’acide phosphorique liquide emprisonné dans une matrice solide poreuse. Elles peuvent fonctionner jusqu’à 200 °C. L’invention concerne en particulier ces deux catégories. Dans une telle pile, le combustible, l’hydrogène, est amené sur l’anode, et se transforme en ion H+ en libérant des électrons. Les électrons sont attirés par la cathode, mais sont bloqués par la membrane électrolyte que les ions peuvent traverser pour rejoindre la cathode. Les ions H+ parvenant à la cathode se combinent à des ions O2 constitués à partir de l'oxygène de l'air, pour former de l'eau. Le transfert des ions H+ et des électrons vers la cathode permet la production d’un courant électrique continu à partir de l'hydrogène. Cependant, la réaction au sein de la pile à combustible produit un mélange de plusieurs produits, en particulier d’eau, sous forme de gouttelettes et de dihydrogène. Dans toute la suite de la description, le terme « mélange » renvoie à un tel mélange comprenant de l’eau sous forme de gouttelettes et de dihydrogène. Il s’avère nécessaire d’évacuer l’eau du mélange hydrogène-eau afin de ne pas limiter le rendement du moteur. Il est connu, par exemple, de munir le système de pile à combustible d’un séparateur, disposé en aval de la pile à combustible. Un tel séparateur est, par exemple, décrit dans US 9853303 B2, et se présente usuellement sous la forme d’un boitier cylindrique. Un mélange gouttelettes d’eau-dihydrogène issu de la pile à combustible est amené sous pression par un orifice d’entrée au sein du boitier, une cheminée agencée dans le cylindre permet de conférer au mélange un flux tourbillonnaire. Ce flux atteint une grille agencée au fond du cylindre, de sorte à permettre la séparation de l’eau et du dihydrogène. Le dihydrogène en percutant la grille change de direction et s’expulse à travers un premier orifice de sortie relié à un conduit ménagé au sein de la cheminée. Les gouttelettes d’eau traversent la grille, et sont évacuées par un deuxième orifice de sortie. Cependant, dans un tel séparateur, une partie des gouttelettes d’eau en percutant la grille peuvent rebondir, et être évacuée dans la cheminée avec le dihydrogène. La fonction de séparation est donc perfectible. La présente invention se propose de répondre aux inconvénients précités. Un premier objet est de proposer un séparateur permettant d’améliorer la séparation des gouttelettes d’eau – dihydrogène par rapport aux dispositifs connus de l’art antérieur. Un deuxième objet est de proposer un séparateur de fabrication aisée, présentant un encombrement minimal, et d’intégration facile dans un moteur à hydrogène. Un troisième objet est de proposer une unité de pile à combustible munie d’un tel séparateur. Un quatrième objet est de proposer un moteur à hydrogène intégrant une telle unité de pile à combustible. Un cinquième objet est de proposer un véhicule muni d’un tel moteur. A cet effet, il est proposé en premier lieu, un séparateur pour moteur à hydrogène destiné à isoler des gouttelettes d’eau à partir d’un mélange comprenant des gouttelette d’eau et du dihydrogène gazeux préalablement mis sous pression, le séparateur comprenant une chambre de séparation comprenant une entrée destinée à l’introduction du mélange, des moyens de mise en mouvement tourbillonnaire apte à projeter des gouttelettes contre une paroi poreuse lorsque le mélange est introduit dans l’entrée, une première sortie destinée à recevoir de l’hydrogène séparé de l’eau, une chambre de collecte, dissociée de la chambre de séparation par une paroi poreuse, la chambre de collecte comprenant une deuxième sortie apte à recevoir de l’eau par gravité, la paroi poreuse comprenant un moyen d’amortissement apte à limiter l’étalement d’une gouttelette projetée sur la paroi poreuse. Grâce au moyen d’amortissement, des gouttelettes projetées sur la paroi poreuse sont dépourvues de rebond lorsqu’elles percutent ladite paroi, et ne sont pas renvoyées dans le mélange de dihydrogène qui est destiné à être évacué du séparateur. Selon un mode de réalisation, le moyen d’amortissement comprend une surface de réception munie de protubérances en saillies. Selon un mode de réalisation, la surface de réception comprend des ajours, une protubérance étant entourée d’ajours. Selon un mode de réalisation, le moyen d’amortissement est réalisé en élastomère. Avantageusement, la paroi poreuse comprend un cadre de forme circulaire, le moyen d’amortissement étant positionné sur le cadre, lequel comprend une pluralité de bras orientés radialement, reliés entre eux par des liens orbitaux. Avantageusement, les chambres sont agencées dans un boitier cylindrique, le boitier comprenant une paroi supérieure, une paroi inférieure, une paroi latérale reliant la paroi supérieure de la paroi inférieure, la première sortie comprenant une cheminée cylindrique faisant saillie du centre de la paroi supérieure et s’étendant au sein de la chambre de séparation sans atteindre la paroi poreuse. Avantageusement, l’entrée est disposée sur la surface latérale à proximité de la paroi supérieure, un tube s’étendant en amont de l’entrée vers la cheminée comprend une hélice fixe, le tube étant relié à un passage débouchant en regard de la paroi poreuse. En deuxième lieu, il est proposé une unité de pile à combustible comprenant le séparateur présenté ci-dessus. En troisième lieu, il est proposé un moteur à hydrogène comprenant une unité de pile à combustible tel que présentée ci-dessus. En quatrième lieu, il est proposé un véhicule automobile muni du moteur à hydrogène tel que présenté ci-dessus. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : illustre un diagramme schématique d’un système de pile à combustible ; illustre une vue schématique en perspective d’un séparateur, représenté partiellement éclaté; représente une vue schématique de dessus du séparateur ; représente une vue schématique en coupe selon le plan IV-IV de la figure 3 ; représente une vue de détail de l’encart V de la ; représente une vue schématique de détail d’une paroi poreuse du séparateur en coupe selon le plan IV-IV de la , une goutte entrant au contact de la figure de la paroi poreuse ; représente une vue schématique de détail d’une paroi poreuse du séparateur en coupe selon le plan IV-IV de la , une goutte pénétrant la paroi poreuse ; représente une vue schématique en coupe du séparateur plan IV-IV de la . L’on se réfère à la qui représente de manière partielle, un exemple de système de pile à combustible, destiné à être intégré au sein d’un moteur à hydrogène (non représenté) d’un véhicule motorisé (non représenté), par exemple un véhicule automobile, permettant d’entraîner un moteur électrique. Un tel système de pile à combustible est muni d’une pile à combustible 100 et d’un séparateur 1 d’eau. Le séparateur 1 d’eau permet la séparation de l’eau provenant d’un mélange issu de la pile à combustible 100. Ce mélange comprend du dihydrogène sous forme gazeuse et humide, c’est-à-dire qu’il comprend des gouttelettes d’eau, et est destiné à être mis sous pression, autrement dit à être animé d’une vitesse non nulle avant d’être introduit dans le séparateur 1 d’eau. Comme on peut le voir sur la , le séparateur 1 d’eau est donc relié à la pile à combustible 100, à un réservoir 200 de collecte d’eau séparée de l’hydrogène et un élément 300 de collecte d’hydrogène séparé de l’eau. L’on se réfère maintenant aux figures 2, 3, 4 et 8 qui représentent un exemple de réalisation du séparateur 1 d’eau. Dans cet exemple de réalisation, le séparateur 1 d’eau comprend un boitier 2, par exemple cylindrique. Dans les modes de réalisation représentés, le boitier 2 comprend une partie 3 supérieure et une partie 4 inférieure. Comme il peut être observé sur la , le boitier 2 présente une forme globalement cylindrique de révolution, et comprend une paroi 5 latérale cylindrique, disposée entre une paroi 6 supérieure et une paroi 7 inférieure. Le boitier intègre par exemple une entrée 8 destinée à recevoir le mélange issu de la pile à combustible 100, une première sortie 9 destinée à l’évacuation de l’hydrogène vers l’élément 300 de collecte de l’hydrogène, ainsi qu’une deuxième sortie 10 destinée à l’évacuation de l’eau vers le réservoir 200 de collecte d’eau. L’entrée 8, la première sortie 9, la deuxième sortie 10 se présentent par exemple sous la forme d’orifices de contour sensiblement circulaires débouchant dans le séparateur 1 d’eau. De manière optionnelle, une troisième sortie 33, reliée à une vanne (non représentée) est prévue, afin de réguler la pression au sein du séparateur 1 d’eau. Comme expliqué plus en détail ci-dessous, les gouttelettes d’eau du mélange introduit sous pression dans le boitier 2 sont projetées par centrifugation, grâce à un moyen de mise en mouvement tourbillonnaire, permettant de séparer les gouttelettes d’eau du dihydrogène. Plus particulièrement et comme il peut être observé sur la , le boitier 2 comprend une chambre 11 de séparation et une chambre 12 de collecte, dissociée l’une de l’autre par l’intermédiaire d’une paroi 13 poreuse. La première entrée 8 débouche sur une telle chambre 11 de séparation, la première sortie 9, destinée à l’évacuation du dihydrogène part de la chambre 11 de séparation afin de permettre son évacuation vers l’élément 300. La chambre 11 de séparation comprend au moins un moyen de mise en mouvement tourbillonnaire, lequel est décrit plus loin dans la présente description. La chambre 12 de collecte, séparée de la chambre 11 de séparation permet la récupération des gouttelettes d’eau projetées directement et indirectement contre la paroi 13 poreuse. La deuxième sortie 10 est connectée à la chambre 12 de collecte, et récupère l’eau pour l’évacuer du système à pile à combustible par l’intermédiaire d’un circuit dédié, non détaillé ici, pouvant comprendre un réservoir 200. Pour faciliter l’évacuation de l’eau, par gravité, la deuxième sortie 10 est disposée sur la partie 4 inférieure du séparateur 1 d’eau. Avantageusement, la paroi 13 poreuse est positionnée à proximité de la paroi 7 inférieure. Les gouttelettes d’eau viennent alors percuter, ou impacter par gravité la paroi 13 poreuse puis s’étalent sur une surface 14 de réception de la paroi 13 poreuse. Les gouttelettes viennent ensuite s’écouler au travers d’ajours 15 aménagés dans la paroi 13 poreuse. De cette façon, chaque gouttelette d’eau peut transiter de la chambre 11 de séparation à la chambre 12 de collecte. Comme il peut être observé sur les figures 3 à 7, la paroi 13 poreuse comprend un moyen 16 d’amortissement réceptionnant les gouttelettes. Un tel moyen d’amortissement permet d’absorber l’énergie des gouttelettes s’écrasant sur la paroi 13 poreuse, préalablement à leur passage au sein des ajours 15. Une telle caractéristique a pour effet de limiter la vitesse des gouttelettes lors de leur impact sur la surface 14 de réception. De plus, l’étalement des gouttelettes sur la surface 14 de réception est apte à être réduit. De cette façon, le rebond des gouttelettes est significativement limité, ce qui permet d’améliorer la séparation de l’eau du mélange eau-dihydrogène pénétrant dans le séparateur 1 d’eau. Avantageusement, le moyen 16 d’amortissement comprend par exemple la surface 14 de réception, les ajours 15, et est avantageusement dotée d’une pluralité protubérances 17 en saillie. Avantageusement, les ajours 15 sont positionnés sur le moyen 16 d’amortissement entre des sections pleines recevant des protubérances 17. Autrement dit, des protubérances sont séparées entre elles par des ajours 15. De cette façon, les protubérances 17 exercent un effet d’amortissement avant qu’une gouttelette d’eau pénètre un ajour 15, comme il peut être observé sur la . Avantageusement, comme il peut être observé sur les figures 5 à 7, les protubérances 17 présentent une partie 18 cylindrique de révolution, complétée par une partie extrême 19 tronconique. Une telle forme contribue à permettre un amortissement des gouttelettes d’eau, tout en permettant une obtention aisée par exemple par moulage par injection. Avantageusement, le moyen 16 d’amortissement, en particulier les protubérances 17, est réalisé en élastomère, par exemple en EPDM (éthylène-propylène-diène monomère). De cette manière, les protubérances 17 présentent une viscosité et une capacité de déformation accrues, favorisant le ralentissement et l’étalement des gouttelettes d’eau s’écrasant sur la paroi 13 poreuse. De cette façon, tout rebondissement des gouttelettes d’eau est limité. Avantageusement, la paroi 13 poreuse comprend un cadre 20 destiné à permettre son support au sein du séparateur 1 d’eau, par exemple sur la partie 4 inférieure. Comme représenté notamment sur la , le cadre 20 se présente sous forme d’une plaque, typiquement de forme cylindrique, et comporte avantageusement une pluralité de bras 21, par exemple orientés radialement, reliés entre eux par des liens 22 orbitaux. Avantageusement, la paroi 13 poreuse est positionnée sur la partie 4 inférieure du séparateur 1 d’eau. Une telle disposition permet de réduire l’encombrement du séparateur 1 d’eau, et de faciliter le montage de la paroi 13 poreuse au sein du séparateur 1 d’eau. Afin de faciliter le montage de la paroi 13 poreuse, le moyen 16 d’amortissement et le cadre 20 présentent chacun une dimension complémentaire à un logement 23 prévu dans la partie 4 inférieure. De manière à permettre un meilleur maintien en position, et faciliter le montage, la partie 4 inférieure est, par exemple, munie en son centre d’un bossage 24, de forme cylindrique, configuré pour coopérer par insertion avec des ouvertures 32 prévues au centre du moyen 16 d’amortissement et du cadre 20. L’on décrit à présent plus particulièrement les moyens de mise en mouvement tourbillonnaire en se référant aux figures 4 et 8. Dans le mode de réalisation représenté, deux moyens de mise en mouvement tourbillonnaires sont mis en œuvre. Un premier moyen de mise en mouvement tourbillonnaire comprend par exemple une hélice 25 fixe, disposée en amont de l’entrée 8, par exemple au sein des parois 26 internes d’un tube 27 d’entrée. Plus précisément, l’hélice 25 fixe comprend avantageusement des pales 28 s’étendant à partir de l’axe d’extension du tube 27. De la sorte, le flux de mélange entrant est animé du mouvement tourbillonnaire selon l’axe d’extension du tube 27, permettant de projeter une partie des gouttelettes d’eau le long des parois 26 internes. Dans l’exemple de réalisation représenté sur la , les pales 28 sont avantageusement inclinées vers la paroi 5 latérale permettant d’accroître la projection du flux du mélange entrant contre les parois 26 internes. Afin de permettre une bonne évacuation de l’eau récupérée à l’aide de ce premier moyen de mise en mouvement tourbillonnaire, la chambre 11 de séparation comprend une cavité 29. Un passage 30 est ainsi défini entre la cheminée 31 et la cavité 29, permettant l’acheminement de l’eau récupérée vers la paroi 13 poreuse, et la chambre 12 de collecte. Un deuxième moyen de mouvement tourbillonnaire comprend par exemple une cheminée 31, de contour cylindrique, s’étendant en saillie selon l’axe de révolution du boitier, à partir de la paroi 6 supérieure en traversant une partie de la chambre 11 de séparation, sans toutefois atteindre la paroi 13 poreuse. Un dégagement est ainsi laissé entre la cheminée 31 et la paroi 13 poreuse. La cheminée 31 comprend de manière avantageuse la première sortie 9, ce qui permet de récupérer le flux de gaz débarrassé des gouttelettes d’eau. Le dégagement entre la cheminée 31 et la paroi 13 poreuse permet d’éviter que des gouttelettes accidentellement non amorties puissent se retrouver évacuée dans la première sortie. Une telle cheminée 31 disposée au sein d’une paroi 5 latérale cylindrique permet la mise en mouvement tourbillonnaire ou hélicoïdal d’un mélange gaz humide sous pression lorsqu’introduit dans la chambre 11 de séparation par une entrée 8 disposée en décalage par rapport à l’axe de révolution de la cheminée 31 et la paroi 5 latérale. En effet, en disposant l’entrée 8 au sein de la paroi 5 latérale de manière tangentielle à la paroi 5 latérale, c’est-à-dire l’axe de l’entrée 8 étant perpendiculaire et présentant un décalage par rapport à l’axe de la cheminée 31, un flux du mélange introduit sous pression est animé d’un mouvement en hélicoïde autour de l’axe d’extension YY’ de la paroi 5 latérale. Le séparateur 1 d’eau comprend au moins un moyen de mise en mouvement tourbillonnaire, mais selon le mode de réalisation représenté, le séparateur 1 d’eau comprend le premier et le deuxième moyen de mise en mouvement tourbillonnaire, ce qui permet d’améliorer la séparation de l’eau du mélange eau-dihydrogène. L’on décrit à présent un exemple de fonctionnement global d’un séparateur 1 d’eau décrit ci-dessus, et représenté de manière simplifiée à la . Comme le montrent les flèches directionnelles de la , un flux entrant pénètre via le tube 27 et subi une première mise en mouvement tourbillonnaire suite au passage à travers l’hélice 25 fixe. L’eau récupérée à la suite du passage dans l’hélice 25 fixe est dirigée vers la paroi 13 poreuse grâce au passage entre la cheminée 31 et la cavité 29. Le flux est mis en mouvement tourbillonnaire selon l’axe de révolution du boitier 2 en tournant autour de la cheminée 31. Les gouttelettes d’eau sont projetées contre la paroi 5 latérale, et rebondissent jusqu’à chuter contre la paroi 13 poreuse. Le flux ainsi débarrassé des gouttelettes d’eau est évacué par l’intermédiaire de la cheminée 31. Un tel séparateur 1 d’eau offre de nombreux avantages, parmi lesquels ; une fabrication aisée, par exemple par moulage par injection, ce qui permet de limiter les coûts d’obtention, un faible encombrement, une possibilité d’offrir deux étapes ou étages de séparation d’eau, permettant de réduire au minimum l’eau résiduelle dans le mélange. Séparateur d’eau (1) pour moteur destiné à extraire des gouttelettes d’eau d’un mélange comprenant des gouttelettes d’eau et du dihydrogène gazeux préalablement mis sous pression, le séparateur (1) comprenant: une chambre (11) de séparation comprenant une entrée (8) destinée à l’introduction du mélange, des moyens de mise en mouvement tourbillonnaire apte à projeter des gouttelettes d’eau contre une paroi poreuse (13) lorsque le mélange est introduit dans l’entrée (8), une première sortie (9) étant destinée à recevoir de l’hydrogène séparé de l’eau, une chambre (12) de collecte, dissociée de la chambre (11) de séparation par une paroi (13) poreuse, la chambre (12) de collecte comprenant une deuxième sortie (10) apte à recevoir de l’eau par gravité, le séparateur (1) étant caractérisé en ce que la paroi (13) poreuse comprend un moyen (16) d’amortissement apte à limiter l’étalement d’une gouttelette d’eau projetée sur la paroi (13) poreuse. Séparateur d’eau (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen (16) d’amortissement comprend une surface (14) de réception munie de protubérances (17) en saillies. Séparateur d’eau (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface (14) de réception comprend des ajours (15), une protubérance (17) étant entourée d’ajours (15). Séparateur d’eau (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen (16) d’amortissement est réalisé en élastomère. Séparateur d’eau (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (13) poreuse comprend un cadre (20) de forme circulaire, le moyen (16) d’amortissement étant positionné sur le cadre (20), le cadre (20) comprenant une pluralité de bras (21) orientés radialement, reliés entre eux par des liens (22) orbitaux. Séparateur d’eau (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les chambres (11, 12) sont agencées dans un boitier (2) cylindrique, le boitier (2) comprenant une paroi (6) supérieure, une paroi (7) inférieure, une paroi (5) latérale reliant la paroi (6) supérieure de la paroi (7) inférieure, la première sortie (9) comprenant une cheminée (31) cylindrique faisant saillie du centre de la paroi (6) supérieure et s’étendant au sein de la chambre (11) de séparation sans atteindre la paroi (13) poreuse. Séparateur d’eau (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’entrée (8) est disposée sur la surface latérale à proximité de la paroi (6) supérieure, un tube (27) s’étendant en amont de l’entrée (8) vers la cheminée (31) comprend une hélice (25) fixe, le tube (27) étant relié à un passage (30) débouchant en regard de la paroi (13) poreuse. Unité de pile à combustible comprenant le séparateur d’eau (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7. Moteur à hydrogène comprenant une unité de pile à combustible selon la revendication précédente. Véhicule automobile muni du moteur à hydrogène selon la revendication précédente.