Brevet FR3131461A1 — publié le 20230630

Titre : Système et procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, équipement électrochimique comprenant un tel système de régulation Système de régulation, comprenant un éjecteur (2) ayant une entrée dite primaire (8) reliée à une source (9) d’un premier fluide, une entrée dite secondaire (11) reliée à une ligne fluidique de circulation d’un deuxième fluide, et une sortie (13), un dispositif de régulation (3) comprenant un clapet (20) monté mobile et une chambre principale (21) délimitée par un diaphragme (22) couplé mécaniquement au clapet (20), la chambre principale (21) étant reliée à la sortie (13), le système étant configuré de sorte à déplacer le clapet (20) vers une position fermée lorsqu’une pression de sortie (Ps) de l’éjecteur (2) est strictement supérieure à un seuil de pression (Pc). Figure pour l’abrégé : Fig.1 Système et procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, équipement électrochimique comprenant un tel système de régulation La présente invention concerne la régulation d’une circulation d’un fluide. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse une telle régulation dans un équipement électrochimique, par exemple dans une pile à combustible. ETAT DE LA TECHNIQUE Actuellement, on utilise des appareils spécifiques pour réguler la circulation d’un fluide dans des applications diverses et variées. La régulation de l’alimentation en gaz est particulièrement importante dans le domaine des piles à combustible par exemple. En effet une pile à combustible ne fournit de bonnes performances que si la réaction est homogène tout au long de la surface active. Plus précisément, la zone anodique accumule de l’oxygène provenant de la cathode par perméation, cet oxygène accumulé réagit alors avec l’hydrogène présent à l’anode pour former de l’eau. En plus de l’oxygène, des gaz inertes traversent également la membrane comme l’azote ou le dioxyde de carbone contenu dans l’air. Ces gaz empêchent la réaction de se produire à l’anode puisqu’ils occupent une partie des sites catalytiques. Pour rendre la réaction homogène à l’anode, plusieurs méthodes sont employées. Les méthodes les plus économes en hydrogène consistent majoritairement à effectuer une recirculation de l’hydrogène. Cette recirculation doit permettre d’alimenter l’anode avec une pression relativement constante en hydrogène. Cette recirculation est actuellement effectuée soit par éjecteurs, soit par re-circulateur mécanique mettant en œuvre une pompe, soit par alimentation alternée (parfois qualifiée d’alimentation ping-pong). Les solutions basées sur des éjecteurs présentent pour avantage d’être des solutions passives. De manière parfaitement connue, un éjecteur, est un dispositif sans pièce mobile muni d’une buse placée dans un cône de sorte à provoquer une aspiration par effet Venturi. Plus précisément, l’éjecteur est alimenté par un premier fluide et tire profit de l’effet Venturi pour aspirer un deuxième fluide, à une pression plus faible que celle du premier fluide. A sa sortie l’éjecteur éjecte un mélange des premier et deuxième fluides. Dans le cadre des piles à combustible, le premier fluide est une source d’hydrogène et le deuxième fluide correspond à l’hydrogène aspiré depuis la pile pour y être réinjecté. Par exemple, on peut citer la demande de brevet américain US 5441821 qui divulgue un système de génération de puissance électrique, comprenant une pile à combustible et un éjecteur pour fournir de l’hydrogène à l’anode. Le système comprend une recirculation de l’hydrogène de l’anode à l’éjecteur, pour créer une aspiration et un effet venturi pour faciliter la fourniture en hydrogène. Une vanne de contrôle permet d’augmenter la pression dans la circulation d’entrée quand la pression de sortie diminue au-dessous d’un certain seuil. Une vanne de contrôle est prévue pour obtenir une régulation de la pression en sortie de l’éjecteur. Ce système est complexe à utiliser, notamment lorsqu’on souhaite réguler la pression de sortie de manière rapide. Par ailleurs, on peut citer la publication « Applications of ejectors in proton exchange membrane fuel cells (auteurs : LIU, Yang, TU, Zhengkai, et CHAN, Siew Hwa): A review. Fuel Processing Technology, 2020, p. 106683. », qui divulgue une première architecture utilisant deux éjecteurs contrôlés par une vanne à commutation, une deuxième architecture utilisant une vanne de contrôle proportionnelle, ou tout ou rien, en entrée d’un éjecteur, une troisième architecture utilisant un moteur électrique pour faire varier la géométrie d’un éjecteur à géométrie variable, et une quatrième architecture utilisant un éjecteur comprenant plusieurs buses qui peuvent commuter en fonction des besoins. Cette solution présente de nombreux inconvénients. En particulier, ces architectures nécessitent de commander les organes de contrôle des éjecteurs, notamment en utilisant des stratégies complexes de façon à obtenir une pression en sortie d’un éjecteur ayant une valeur stable souhaitée. Une autre solution utilise des pompes de recirculation électriques pour faire circuler l’hydrogène de l’anode à l’éjecteur. Ces pompes de recirculation doivent également être commandées, ce qui complexifie les systèmes et le rend moins robuste que des systèmes passifs basés sur des éjecteurs uniquement. On peut également citer la demande de brevet français FR3061361, qui divulgue un système électrochimique, comportant une pile à combustible, une boucle de recirculation de l’hydrogène comprenant un éjecteur; et un détendeur pour maintenir la pression en entrée de l’éjecteur égale à une valeur de consigne. Cependant, la pression du fluide en sortie de l’éjecteur est variable et n’est pas suffisamment stable. Cette instabilité de la pression du fluide en sortie de l’éjecteur, et donc en entrée de la pile à combustible, conduit à une dégradation des performances de la pile à combustible. RESUME Un objet de l’invention consiste à pallier ces inconvénients, et plus particulièrement à fournir des moyens pour améliorer la régulation d’une circulation d’un fluide, notamment pour obtenir une régulation rapide et simple à mettre en œuvre. Un autre objet consiste à fournir des moyens pour obtenir une circulation d’un fluide ayant une pression stable, notamment quel que soit le débit du fluide utilisé. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Selon un aspect de l’invention, il est proposé un système de régulation d’une circulation d’un fluide, comprenant un éjecteur ayant une entrée dite primaire configurée pour être reliée à une source d’un premier fluide par une ligne fluidique d’alimentation dans laquelle le premier fluide est destiné à circuler, une entrée dite secondaire configurée pour être reliée à une ligne fluidique de circulation dans laquelle un deuxième fluide est destiné à circuler, une sortie configurée pour être reliée à une ligne fluidique de sortie dans laquelle un mélange des premier et deuxième fluides est destiné à circuler, l’éjecteur étant configuré pour générer, par un effet Venturi, une aspiration du deuxième fluide lorsque l’entrée primaire est alimentée par le premier fluide. Le système comporte : un dispositif de régulation d’une pression dite de sortie du mélange, le dispositif de régulation comprenant : un clapet monté mobile entre une première position, fermée, dans laquelle le clapet empêche une communication fluidique entre l’entrée primaire et la source, et une deuxième position, ouverte, dans laquelle le clapet autorise une communication fluidique entre l’entrée primaire et la source, et une chambre principale délimitée en partie au moins par un diaphragme couplé mécaniquement au clapet de sorte qu’un déplacement du diaphragme provoque un déplacement du clapet d’une position vers l’autre, la chambre principale étant reliée à la ligne fluidique de sortie de sorte que la pression de sortie et la chambre principale présentent les mêmes pressions. En outre, le système est configuré de sorte à déplacer le clapet vers la première position fermée lorsque la pression de sortie du mélange est strictement supérieure à un seuil de pression et à déplacer le clapet vers la deuxième position ouverte lorsque la pression de sortie du mélange est strictement inférieure au seuil de pression. Ainsi, on fournit un système de régulation permettant de contrôler de manière passive la pression du fluide en sortie de l’éjecteur, c’est-à-dire sans utiliser nécessairement un contrôle électronique. Avantageusement, le système permet d’obtenir un fluide en sortie de l’éjecteur ayant une pression suffisamment stable quel que soit le débit du premier fluide. Le système proposé permet ainsi d’améliorer considérablement les performances de régulation du fluide et par voie de conséquence les performances d’un équipement tel qu’une pile à combustible munie de ce système de régulation. Selon un autre aspect, il est proposé un équipement électrochimique, comprenant au moins une pile à combustible comportant un circuit de distribution principal configuré pour distribuer un fluide principal à une électrode principale de la pile à combustible. L’équipement électrochimique comporte au moins un système de régulation tel que défini ci-avant, la sortie de l’éjecteur du système de régulation étant relié à un collecteur d’entrée du circuit de distribution principal, et l’entrée secondaire de l’éjecteur étant relié à un collecteur de sortie du circuit de distribution principal. Les performances d’une telle pile à combustible s’en trouvent considérablement améliorées. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, comprenant une fourniture d’un système de régulation tel que défini ci-avant. Le procédé comporte un déplacement du clapet du système de régulation vers la première position fermée lorsque la pression de sortie du mélange est strictement supérieure au seuil de pression et un déplacement du clapet vers la deuxième position ouverte lorsque la pression de sortie du mélange est strictement inférieure au seuil de pression. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes de réalisation et de mise en œuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : , les figures 1 à 8, illustrent schématiquement des modes de réalisation d’un système de régulation selon l’invention ; la , illustre schématiquement un mode de réalisation d’un équipement électrochimique ; et la illustre, de façon schématique un autre mode de réalisation d’un système de régulation. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. Système de régulation d’une circulation d’un fluide, comprenant : un éjecteur (2) ayant une entrée dite primaire (8) configurée pour être reliée à une source (9) d’un premier fluide par une ligne fluidique d’alimentation dans laquelle le premier fluide est destiné à circuler, une entrée dite secondaire (11) configurée pour être reliée à une ligne fluidique de circulation dans laquelle un deuxième fluide est destiné à circuler, une sortie (13) configurée pour être reliée à une ligne fluidique de sortie dans laquelle un mélange des premier et deuxième fluides est destiné à circuler, l’éjecteur (2) étant configuré pour générer, par un effet Venturi, une aspiration du deuxième fluide lorsque l’entrée primaire (8) est alimentée par le premier fluide , caractérisé en ce qu’il comporte : un dispositif de régulation (3) d’une pression dite de sortie (Ps) du mélange, le dispositif de régulation (3) comprenant : un clapet (20) monté mobile entre une première position, fermée, dans laquelle le clapet (20) empêche une communication fluidique entre l’entrée primaire (8) et la source (9), et une deuxième position, ouverte (O), dans laquelle le clapet (20) autorise une communication fluidique entre l’entrée primaire (8) et la source (9), et une chambre principale (21) délimitée en partie au moins par un diaphragme (22) couplé mécaniquement au clapet (20) de sorte qu’un déplacement du diaphragme (22) provoque un déplacement du clapet (20) d’une position vers l’autre, la chambre principale (21) étant reliée à la ligne fluidique de sortie de sorte que la pression de sortie (Ps) du mélange (13) et la chambre principale (21) présentent les mêmes pressions, le système étant configuré de sorte à déplacer le clapet (20) vers la première position fermée lorsque la pression de sortie (Ps) du mélange est strictement supérieure à un seuil de pression (Pc) et à déplacer le clapet vers la deuxième position ouverte (O) lorsque la pression de sortie (Ps) du mélange est strictement inférieure au seuil de pression (Pc). Système selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de régulation (3) comporte un moyen de rappel (30) configuré pour exercer sur le clapet (20) un effort (Fr) tendant à éloigner le clapet (20) de la première position fermée. Système selon la revendication 2, dans lequel le moyen de rappel (30) comprend au moins un ressort (31), de préférence dans lequel le moyen de rappel (30) est un ressort (31). Système selon la revendication 2, dans lequel le moyen de rappel (30) est une chambre (32), dite chambre de rappel, délimitée en partie par le diaphragme (22) et alimentée par un fluide pilote (33), la pression du fluide pilote (33) au sein de la chambre de rappel (32) générant sur le clapet (20) un effort (Fr) tendant à éloigner le clapet (20) de la première position fermée. Système selon la revendication 4, comprenant un ressort additionnel (43) couplé mécaniquement au diaphragme (22). Système selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de régulation (3) comporte une vis de réglage (40) d’une valeur de l’effort (Fr) exercé par ledit au moins un ressort (31). Système selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel, le clapet (20) est monté mobile en translation le long d’un premier axe (X) et le dispositif de régulation (3) comporte un organe (23) couplé mécaniquement au diaphragme (22), l’organe (23) étant monté mobile en translation le long d’un deuxième axe (Y) différent du premier axe (X), et le dispositif de régulation (3) comporte un dispositif de renvoi d’angle (41) couplé à l’organe (23) et au clapet (20) et configuré de sorte qu’un déplacement de l’organe (23) selon le deuxième axe (Y) provoque un mouvement du clapet (20) relativement à l’entrée primaire (8). Système selon la revendication 7, dans lequel le premier axe (X) est perpendiculaire au deuxième axe (Y). Système selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel, le clapet (20) est configuré pour modifier une section de passage fluidique de l’entrée primaire (8) de l’éjecteur (2) entre la première position fermée et la deuxième position ouverte (O), de préférence, le clapet (20) est configuré pour venir directement au contact de l’entrée primaire (8) en première position fermée. Système selon l’une des revendications 1 à 8, comportant un détendeur (50) ayant une entrée principale (51) reliée à la source (9), une sortie (52) reliée à l’entrée primaire (8), et un canal interne (53) reliant l’entrée principale (51) et la sortie (52) du détendeur (50), le clapet (20) étant monté mobile au sein du détendeur (50) pour modifier une section de passage fluidique du canal interne (53) entre la première position fermée et la deuxième position ouverte (O). Equipement électrochimique, comportant : au moins une pile à combustible (61) comportant un circuit de distribution principal (62) configuré pour distribuer un fluide principal (70) à une électrode principale (63) de la pile à combustible (61), caractérisé en ce qu’il comporte au moins un système de régulation selon l’une des revendications 1 à 10, en ce que la sortie (13) de l’éjecteur (2) du système de régulation est relié à un collecteur d’entrée (C1) du circuit de distribution principal (62), en ce que l’entrée secondaire (11) de l’éjecteur (2) est relié à un collecteur de sortie (C2) du circuit de distribution principal (62). Equipement électrochimique selon la revendication précédente, comprenant la source (9) du premier fluide, le premier fluide étant fait ou étant à base d’hydrogène ou d’oxygène. Equipement électrochimique selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel : le système de régulation comporte une chambre (32), dite chambre de rappel, délimitée en partie par le diaphragme (22) et alimentée par un fluide pilote (33), la pression du fluide pilote (33) au sein de la chambre de rappel (32) générant sur le clapet (20) un effort (Fr) tendant à éloigner le clapet (20) de la première position fermée, l’équipement électrochimique comprenant un circuit de distribution secondaire (64) configuré pour distribuer le fluide pilote (33) à une électrode secondaire (65) de la pile à combustible (61) et à la chambre de rappel (32) de sorte que le circuit de distribution secondaire (64) et la chambre de rappel (32) présentent les mêmes pressions. Equipement électrochimique selon la revendication précédente, comprenant la source (9) du premier fluide, le premier fluide étant fait ou étant à base d’hydrogène et le fluide pilote étant fait ou étant à base d’oxygène. Procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, comprenant : une fourniture d’un système de régulation selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comporte un déplacement du clapet (20) du système de régulation vers la première position fermée lorsque la pression de sortie (Ps) du mélange est strictement supérieure au seuil de pression (Pc) et un déplacement du clapet (20) vers la deuxième position ouverte (O) lorsque la pression de sortie (Ps) du mélange est strictement inférieure au seuil de pression (Pc).