METHOD AND DEVICE FOR RECOVERING WATER PRODUCED BY A FUEL CELL

PROCEDE ET DISPOSITIF DE RECUPERATION DE L'EAU PRODUITE PAR UNE PILE A COMBUSTIBLE

Abrégé français

Le dispositif comprend deux séparateurs (20, 30) en série dans la portion de
sortie du circuit hydrogène définissant chacun au moins une chambre
d'admission (21, 31) séparée, par un filtre hydrophile (22, 32), d'une chambre
de sortie (23, 33) raccordée au circuit hydrique (24) de la pile. Application
aux piles à combustibles air-hydrogène.

Abrégé anglais

The invention concerns two separators (20, 30) in series in the output portion of a hydrogen circuit defining each at least an intake chamber (21, 31), separated by a hydrophilic filter (22, 32), from an output chamber (23, 33) connected to the water circuit (24) of the cell. The invention is applicable to air-hydrogen fuel cells.

Revendications

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REVENDICATIONS
1- Procédé de récupération de l'eau produite par une pile à combustible, dans
lequel on :
.cndot. dispose, en sortie du circuit hydrogène du compartiment anode,
deux séparateurs en série, chacun équipé au moins d'un filtre à
caractère hydrophile, délimitant dans le séparateur une chambre
d'admission et une chambre de sortie reliée à une canalisation
d'évacuation d'eau,
.cndot. créée une perte de charge dans le circuit entre les deux séparateurs,
.cndot. assure en permanence le passage de fluide provenant du
compartiment anode à travers le séparateur.
2 - Dispositif de récupération de l'eau produite par une pile à combustible,
du type
comprenant au moins un élément (1) composé d'un compartiment cathode (2)
pourvu
d'une électrode (5) et raccordé à un circuit (11) d'alimentation en comburant
et d'un
compartiment anode (3), pourvu d'une électrode (6) séparée de la première par
une
membrane (4), et raccordé à un circuit (14) d'alimentation en hydrogène,
caractérisé
en ce qu'il comprend deux séparateurs (20 ; 30) placés en série en sortie (16)
du
circuit hydrogène du compartiment anode, chacun défroissant au moins une
chambre
d'admission (21) séparée, par un filtre hydrophile (22 ; 32), d'une chambre de
sortie
(23), un dispositif générateur de perte de charge (17) étantn interposé entre
les
séparateurs (20 ; 30).
3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie du
circuit
hydrogène est raccordée à la chambre d'admission du séparateur amont (20) via
une
pompe (26) dont la seconde entrée (28) est raccordée à une canalisation (29)
issue de
la branche (13b) de sortie d'eau d'un séparateur (131) placé en sortie (13) du
compartiment cathode.
4 - Dispositif selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que le
diamètre des portes d'au moins le filtre (22) du séparateur amont (22) est
inférieur à 5
microns.
5 - Dispositif selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les
filtres
hydrophiles (22 ; 32) sont constitués de fibres de nylon.

Description

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PROCEDE ET DISPOSITIF DE RECUPERATION DE L'EAU
PRODUITE PAR UNE PILE A COMBUSTIBLE
L'invention concerne le domaine des piles à combustible, plus particulièrement
du type air ou oxygène et hydrogène, et plus spécifiquement le problème de la
récupération de l'eau produite par le fonctionnement de la pile.
Une pile à combustible du type ci-dessus, formée au moins par un élément,
comprend un compartiment cathode comprenant une électrode et raccordé à un
circuit
d'alimentation en comburant, c' est-à-dire de l' air principalement, enrichi
ou non en
oxygène. Un tel élément comprend un second compartiment dit anode contenant
une
électrode qui est séparée de la première par une membrane de perméation et de
réaction par l'intermédiaire des catalyseurs que les deux électrodes
possèdent. Un tel
compartiment anode est raccordé à un circuit combustible qui est de
l'hydrogène.
Lors du fonctionnement, une partie de l'eau formée à la cathode passe à
travers
la membrane et se retrouve dans le compartiment anode, plus particulièrement à
la
sortie du circuit hydrogène. Cette sortie est également connue pour étre
parcourue par
de l'hydrogène résiduel, de l'azote et des impuretés.
Le bilan hydrique d'une pile à combustible doit être assuré de telle sorte que
la
quantité d'eau évaporée par le passage des gaz dans la pile doit être
inférieur à la
quantité d'eau produite par la réaction. C'est la raison pour laquelle il est
intéressant
de récupérer l'eau produite qui se retrouve à la sortie du compartiment anode.
Cependant, le fonctionnement de la pile laisse subsister de l'hydrogène
résiduel dans
le compartiment anode, cet hydrogène incorporé à l'eau impliquant de prendre
des
précautions certaines pour assurer la récupération de cette dernière en toute
sécurité.
Pour respecter ces exigences, la solution généralement retenue est de séparer
complètement les circuits air-oxygène et hydrogène et de rejeter l'eau
produite à 1a
sortie anode par une sortie spécifique distincte.
L'eau est alors perdue tandis que les impuretés et l'azote sont éliminés par
des
purges régulières de la sortie du circuit hydrogène.
Cette non-récupération n'est pas favorable à un bilan hydrique convenable et
c'est la raison pour laquelle d'autres solutions ont été proposées.

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L'une d'elles envisage d'injecter l'eau du compartiment anode en sortie du
compartiment cathode en même temps qu'une partie du mélange hydrogène
résiduel,
azote et impuretés est injecté en entrée du circuit cathode.
De cette façon, l'hydrogène est détruit au contact du catalyseur de la cathode
grâce. â la présence d'un excès d'oxygène dans le mélange gazeux comburant.
Une telle possibilité de raccordement n'est toutefois pas offerte toujours en
foncüon de la technologie structurelle de la pile, surtout lorsque l'entrée
air côté
cathode et l'entrée eau sont séparées. Par ailleurs, la présence d'eau liquide
en entrée
air peut être la cause d'une perturbation de l'écoulement à l'intérieur de la
pile. Dans
ces conditions, il faut alors mettre en place une disposition complexe de
plusieurs
jeux de séparateurs de phases en cascade, ce qui complique l'installation de
la pile, en
grève le prix de revient et ne favorise pas le maintien en fonction dans des
conditions
optimales à coût intéressant.
L'objet de l'invention a justement pour but de surmonter les inconvénients ci-
dessus en proposant un nouveau procédé et un nouveau dispositif permettant
d'assurer la récupération de l'eau produite par le fonctionnement d'une pile à
combustible et, plus particulièrement, par celle issue du compartiment anode.
Pour atteindre l'objectif ci-dessus dans le procédé selon l'invention
~ dispose, en sortie du circuit hydrogène du compartiment anode,
deux séparateurs en série, chacun équipé au moins d'un filtre à
caractère hydrophile, délimitant dans le sëparateur une chambre
d'admission et une chambre de sortie reliée à une canalisation
d'évacuation d'eau,
~ créée une perte de charge dans le circuit entre les deux séparateurs,
~ assure en permanence le passage de fluide provenant du
compartiment anode â travers le séparateur.
L'objet de l'invention vise également, pour la mise en oeuvre du procédé ci-
dessus, un dispositif de récupération de l'eau produite par une pile à
combustible, du
type comprenant au moins un élément composé d'un compartiment cathode pourvu
d'une électrode et raccordé à un circuit d'alimentation en comburant et d'un
compartiment anode, pourvu d'une électrode séparée de la première par une
membrane, et raccordé à un circuit d'alimentation en hydrogène, caractérisé en
ce

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qu'il comprend deux séparateurs placés en série en sortie du circuit
hydrogène,
chacun définissant au moins une chambre d'admission séparée, par un filtre
hydrophile, d'une chambre de sortie raccordée au circuit hydrique de la pile,
un
dispositif générateur de perte de charge étant interposé entre les
séparateurs.
D'autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en
référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs,
des
modes de réalisation de l'objet de l'invention.
La fig. 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention, et
la fig. 2 est un schéma analogue à celui de la fig. 1 mais montrant une
variante
de l'invention.
Le dispositif de récupération de l'eau de fonctionnement d'une pile à
combustible est illustré dans l'exemple selon la fig. 1 avec une pile
constituée par un
seul élément 1 comprenant, de façon classique, un compartiment cathode 2 et un
compartiment anode 3 qui sont séparés par une membrane 4. Les compartiments 2
et
3 contiennent deux électrodes 5 et 6, respectivement associées à un catalyseur
et à
fonction de cathode et d'anode.
De manière classique, les électrodes 5 et 6 sont pourvues de deux bornes 7 et
8
entres lesquelles, par le fonctionnement de la pile à combustible, apparaît
une
différencé de potentiel qui est prélevée par un circuit de charge ou de
consommation
9 pouvant être isolé de l'une au moins des bornes par un commutateur 9a. De
manière
également conventionnelle, le compartiment 2 est associé à un circuit 11
d'alimentation en comburant, préférentiellement en air, enrichi ou non en
oxygène.
Un tel circuit comprend une branche d'entrée 12 raccordée au compartiment 2 et
une
branche de sortie 13 issue de ce dernier.
La branche de sortie 13 est pourvue d'un séparateur de phase 131, à partir
duquel s'étendent une première sous-branche I3a chargée d'évacuer les
impuretés et
l'azote vers le milieu ambiant et une sous-branche 13b chargée d'évacuer l'eau
produite dans le compartiment cathode en direction du circuit hydrique
d'humidificatiôn et/ou de refroidissement de la pile à combustible.
De manière connue, le compartiment anode 3 est associé à un circuit 14
d'apport en hydrogène, un tel circuit comprenant une branche d'amenée ou
d'entrée
15 et une branche de sortie 16.

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Dans le but de récupérer l'eau qui est amenée à circuler par la branche 16, il
est
prévu de mettre en place le dispositif suivant.
Dans une première forme de réalisation, selon la fig. 1, la branche de sortie
16
comprend deux séparateurs en série 20 et 30. Le premier séparateur 20 possède
une
chambre d'admission 21 à laquelle se raccorde la branche de sortie 16. La
chambre
d'admission 21 est délimitée à l'intérieur du séparateur 20 par un filtre 22
de type
hydrophile, typiquement un tissu et/ou feutre en fibres polyamide, qui sépare
la
chambre d'admission 21 d'une chambre de sortie 23 raccordée, par une ligne ou
canalisation 24, par exemple à la sous-branche 13b. La chambre d'admission 21
est
aussi pourvue d'une sous-branche de sortie 16a, munie d'une restriction 17,
par
exemple un trou calibré, débouchant dans la chambre d'admission 31 du
séparateur
aval 30, muni également d'un filtre hydrophile en nylon 32 séparant la chambre
d'admission 31 d'une chambre de sortie 33 raccordée par un conduit
d'évacuation
d'eau 34 à la ligne 24. Le résiduaire gazeux est évacué de la chambre 31 par
le
conduit 16b.
Avec un tel agencement, les pressions dans les chambres d'admission 21 et 31
sont différentes, ce qui permet de séparer effcacement l'eau du gaz même avec
une
faible pression amont, et de réduire considérablement les surfaces de filtres
pour un
débit donné à traiter, la perte de charge créée par l'eau dans la restriction
étant
toujours nettement supérieure à la perte de charge créée par le gaz seul (en
général,
inférieure à 200 mbar pour une pression amont d'environ 1 bar).
Par les moyens ci-dessus, il est possible de mettre en oeuvre le procédé
consistant â assurer l'évacuation du mélange issu du compartiment 3 de manière
permanente, par la branche 16 jusque dans la chambre d'admission 21 du
séparateur
20. Les filtres hydrophiles 22 et 32 permettent d'assurer une séparation
complète
entre les produits gazeux inclus au mélange, pour partie au moins composés
d'hydrogène, dans la branche de sortie 16 et l'eau qui est évacuée/recyclée
par la
canalisation 24.
La fonctionnalité des filtres hydrophiles 22 et 32 est d'assurer le
prélèvement
total et complet de Peau incluse dans le mélange circulant dans la branche de
sortie 16
et, pour assumer cette fonction, il est convenable de disposer des filtres
constitués en
un matériau poreux hydrophile dont le diamètre de pores est inférieur à 5
microns.

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Selon une variante représentée par la ~g. 2, la branche 16 est raccordée, au-
delà
d'un organe de non retour 25, soit commandé comme un robinet ou analogue, soit
automatique comme un clapet anti-retour, tel qu'illustré, à une pompe de
rétablissement de pression 26 dont la sortie 27 est branchée à la chambre
d'admission
5 21 du séparateur amont 20. La seconde entrée 28 de la pompe 26 est raccordée
à une
ligne 29 de circulation d'eau en provenance par exemple, soit du circuit de
refroidissement, soit du circuit cathode.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses
modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications
ci-
après.

Dessin représentatif